改善汽车悬架扭杆弹簧疲劳性能的方法

22技术纵横轻型汽车技术201056总249250改善汽车悬架扭杆弹簧疲劳性能的方法余久锋黄泽勇宁波跃进汽车前桥有限公司摘要本文通过对LZ1020车型扭杆弹簧的热处理工艺、强化手段等改进的研究，总结出改善汽车扭杆弹簧疲劳性能的方法。关键词疲劳应力脱碳层回火温度强化1问题提出LZ1020型汽车是整车厂在原成功的6400底盘基础上改进而成的车型，该车前悬架中的扭杆弹簧只在原6400杆径为196MM的基础上改成26MM、长度和端部花键未作改动，设计企图是在相关零件改动最少、达到最大互换性的情况下提高悬架的承载能力和抗超载能力。这种情况下，扭杆的工作应力比6400型要高出许多，表1列出改动前的6400型及改动后的LZ1020型扭杆的应力比较。表1扭杆的工作应力车型6400LZL020参数动载角动载角动载角为56。为45。为52。动载时扭杆杆部扭转应力MPA781736850动载时扭杆花键齿挤压应力BLPA188406471动载时扭杆花键齿剪切应力MPA962L7251若使用26MM扭杆，按常规推算出的动载角为45。，但从用户提供的有关资料看，其起初要求的动载角为52。从表1可看出，即使在动载角为45。的情况下，花键部位的挤压应力和剪切应力也超出正常范围，在动载角为52。情况下超出更多，此时扭杆杆部的扭转应力也超出一般取值范围。由此引出如何从各方面着手，改善疲劳陛能，使得扭杆弹簧在应力取值超出一般范围情况下仍保证疲劳寿命问题。2影响扭杆疲劳寿命的因素从相关资料和以往的经验看，影响扭杆疲劳寿命的主要因素为材料、结构细节与表面状态、热处理、表面冷作强化程度等。3具体措施针对影响扭杆疲劳寿命的因素，采取相应的措施以提高扭杆寿命。31材料不同的材料有不同的强度、塑性和韧性，这些性能的搭配的不同，疲劳性能也不同。对高周疲劳，应选择强度高的材料。LZ1020扭杆选材为60SI2MNA，属SIMN系弹簧钢，该钢具有高的抗拉强度和高屈强比盯S仃B、高的抗弹减性能，在我国弹簧钢产量中，该钢约占13，冶炼工艺成熟，材料的纯度、晶粒度等均得到正常保证。由于这方面而造成特殊疲劳源的可能性不大。从扭杆杆部和花键处取样，通过400光学显微镜观察，结果说明了这一点扭杆表面组织偏析不明显，心部组织偏析、夹杂物分布在允许范畴之内，无明显的偏聚现象，组织为均匀细致的回火屈氏体。而表面无明显组织缺陷。可见，显微组织不是疲劳断裂的主要影响因素。有关资料推荐该钢可用于制造最大扭转应力约为880MPA的悬架扭杆。轻型汽车技术201056总249250技术纵横2332结构细节与表面状态疲劳破坏起源于零件的薄弱环节，因此，必须减少和改善薄弱环节，以提高疲劳寿命。LZ1020扭杆的杆部与花键部位原以两个圆弧过渡，但由于该扭杆的杆径接近花键小径，使得两个圆弧之间不能理想圆滑过渡，形成尖角，对应力分布不利。后改用30锥角过渡，另外，表面粗糙度也严格控制，从而减少由于结构细节和表面原因而引起的疲劳破坏。33热处理331一般地讲，抗拉强度高的材料，其疲劳强度就高。为了提高疲劳强度，一般通过热处理提高硬度、抗拉强度。但硬度过高，其韧性不足，且高硬度区往往存在缺口应力集中敏感区，影响疲劳寿命见图1。另外，几次疲劳断裂的断口均呈脆断，说明硬度偏高。因此，以不同的温度回火，寻找更合适的硬度范围。表2是不同回火温度的试制情况。鏊、L|11213LI561硬度HRC图1硬度与疲劳寿命的关系表2未充高纯氮作保护气。不同回火温度的情况序号回火温度脱碳情况硬度疲劳角疲劳寿命L410半脱碳006008MM495LHRC1252。57万2450半脱碳006008MM4647HRC1252。75万3470半脱碳005006MM4446HRCL252。98万33260SI2MN材料由于SI元素的存在增加了脱碳敏感性，而热处理表面脱碳也影响疲劳寿命。根据文献资料，SIMN系弹簧钢表面脱碳层达O08MM时，疲劳寿命降低一半，达O12MM时趋于平衡，参见图2。表3试验中采用了充高纯氮作为淬火加热的保护气，来降低脱碳层的深度。与表2对比，表明扭杆的疲劳寿命有了提高。I92II60日1I121L6胞M图2脱碳对疲劳寿命的影响表3充高纯氮作保护气不同回火温度的情况序号回火温度脱碳情况硬度疲劳角疲劳寿命L410脱碳不明显495LHRC1252。61万2450脱碳不明显46548HRCL252。L25万3480脱碳不明显43545HRCL252O568万33_3热处理应力也影响扭杆的疲劳寿命。扭杆经整体淬火后，表面组织应力表现为拉应力，心部表现为压应力。而脱碳层的存在，增加了表面组织应力，使表面拉应力增加，降低了疲劳寿命。中温回火温度降低这些内应力，随着回火温度的提高，内应力逐步趋于消失。用X射线可以检测钢的内应力在100150回火时变化甚微，300C仍残留较大的内应力，300450OC回火时，应力急剧减小，高至500600C内应力基本消除，参见图3。表面感应淬火却使扭杆表面建立压应力，对扭杆的疲劳寿命很有利。34表面冷作强化表面冷作强化使工作区建立了残余压应力，有效地提高零件的疲劳强度。341花键采用冷撮加工，即有冷作强化的效果，花键表面建立了残余压应力，同时，保持了花键部位材料的流线，使该部位的疲劳强度提高22一40。24技术纵横轻型汽车技术201056总249250EB蠲正I26811日火时阀FFHL图3不同回火温度及回火时间对应力的影响342喷丸处理也产生残余压应力，也起冷作强化的效果。在现有工艺条件下，喷丸处理后扭杆表面产生200450MPA的压应力，减轻扭杆表面微裂纹、脱碳、凹凸缺口等缺陷的有害作用。表4说明了扭杆杆部喷丸处理和未喷丸处理的区别花键部位未喷丸。表4喷丸处理效果疲劳寿命备注未喷丸L88201断口在杆部，断口较平喷丸354498断口在花键部位，呈45O螺旋状另外，喷丸区与未喷丸区之间必有一应力突变区，这个应力突变区在交变应力作用下很容易产生微裂纹，形成疲劳源。因此，传统上仅扭杆杆部和过渡段进行喷丸、花键部位不喷丸简称“半喷”，从抗疲劳角度看是不合理的，表5说明了这一点。因此，在后来的生产中，采用杆部、过渡段和花键部位都喷丸的方法简称“全喷”。表5喷丸部位对疲劳寿命的影响喷丸形式总试样数失效件数通过疲劳件数半喷L3L12全喷19316不过，全喷后，花键部位的表面质量会降低，较严重的可能影响与齿套的装配。另外，丸粒选择过粗时，花键根部的喷丸覆盖率不够，也使花键根部造成应力突变区，不能提高扭杆的疲劳寿命，多次疲劳失效的断口分析说明了这一点。因此，不同的花键模数、不同的杆径、不同的粗糙度，宜选用不同粗细的丸粒、采用不同的喷丸强度。喷丸时间过长，效果也不一定好。343预扭强化机械超载是形成冷作强化的有效方法，它使扭杆表面产生稳定的残余变形，建立永久的残余压应力。预扭强化提高了扭杆单方向的承载能力，使疲劳强度得到提高。但预扭强化的深度不同，强化效果也不同。一般认为整体淬火的扭杆，强化深度为扭杆杆径的一半最适宜，感应淬火的扭杆，强化深度接近淬硬层为宜，超过此值，效果不会增加。多年的生产实践表明，整体淬火的扭杆，预扭施加应变O024，感应淬火的扭杆，预扭施加应变0015，效果不错。由于预扭强化只提高了扭杆单方向的承载能力，因此，扭杆装配使用时，建立预紧力显得很重要，因为预紧后可消除扭杆的载荷正负交变，有利于提高疲劳寿命。不过，由于汽车平顺性的要求，扭杆装配时都进行了预紧。4结论通过对扭杆结构改进、控制表面的脱