某SUV车型螺旋弹簧断裂失效分析及优化

李振 杜阿雷 刘超 张树乾 王猛

摘 要：某SUV车型在耐久试验过程中，螺旋弹簧上平端第一圈末处发生断裂。本文针对可能导致螺旋弹簧失效的机理逐一排查分析，找出螺旋弹簧断裂失效真因，进而对结构或者生产工艺进行优化提升。

关键词：螺旋弹簧；断裂；失效机理；优化提升

1 概述

某SUV车型在可靠性耐久试验中先后出现2次螺旋弹簧断裂（图1）的严重质量问题。据对故障件分析，发生部位均出现上平端第一圈，现从螺旋弹簧材质检验、结构设计及工作角度、表面防腐处理工艺等方面进行分析，查明真因并进行优化。

2 原因排查

2.1 螺旋弹簧的材质问题

2.1.1 失效件的材料化驗结果

2.1.2 硬度测试

用洛氏硬度计对断裂弹簧的硬度进行检验，其外层硬度为HRC49，中心处的洛氏硬度是HRC48，在技术要求的HRC47- HRC52范围内。

2.1.3 断口分析

由于弹簧断裂后又经历了一段氧化腐蚀时间，断面锈蚀严重，经高锰酸钾溶液清洗后的形貌如图2所示，由于锈蚀严重，清洗后仍有少量的氧化物附着，但仍可看出，裂纹起源

于弹簧内侧表面附近，断口与轴线呈45°螺旋状，无明显的塑形变形，断面上有粗大的裂纹扩展条棱，同时发现还有表面裂纹及内部裂纹。裂纹源表面的形貌如图3所示，裂纹源处的表面及其粗糙，有麻坑，而相邻其他地方较为平坦。由于清洗对断口真实面貌有一定的损伤，电镜下已分辨不出断裂机制，但仍留有有用的信息，图4为断裂源区形貌，断面分布有大量的氧化夹杂物，图5为瞬断区形貌，断口有夹杂物形成的孔洞。

2.1.4 金相分析

从断裂弹簧的断裂面附近取样制成金相试样在显微镜下观察，弹簧横截面组织如图6所示，基体为回火屈氏体，表层无脱碳，晶粒细小，有大量的圆斑点物，经能谱分析结果为氧化物类夹杂，纵向组织呈带状分布，见图7。

2.1.5 分析与讨论

断裂弹簧材料的化学成分以及热处理硬度均合格，满足性能要求。而断口分析可知，弹簧断裂表面有腐蚀麻坑，弹簧内侧非接触面也有麻坑，所以断裂源区表面损伤不是在弹簧工作时形成的。而金相分析表明，材料内部存在较多的非金属夹杂物。

一般来说，等径的压缩螺旋弹簧承载时，任意径向横截面主要受扭转应力作用，在螺旋弹簧中，由于扭转力矩中心与弹簧线径中心不重合，且偏向内侧，故弹簧内径部分的应力大于外径部分的应力，内侧附近有缺陷时，会引起比外侧更大的应力集中，断裂弹簧的断裂源处存在麻坑缺陷且位置正处于应力最大区。从断口分析可以看出，弹簧断裂属扭转脆性断裂，是由最大正应力超高材料的断裂强度引起的，说明材料的韧性不足，这主要是由于材料过多的夹杂物及材料存在带状组织造成的，原材料的冶金质量太差。

2.2 螺旋弹簧的结构设计或布置

2.2.1 结构设计

分析失效件的断裂区域可以看出，2次断裂区域均发生在上平端第一圈的末端，而此车型的弹簧设计结构为上平端圈始终与次端圈保持接触，据此可以判断断裂区域可能因弹簧磨平端头与次端圈接触设计的压痕而存在应力集中的问题，同时针对弹簧结构进行CAE运动过程受力分析，如下图所示，分析结果表明，在螺旋弹簧压缩到极限时，最大应力点出现在第一圈末端内侧的区域，与弹簧断裂区域基本吻合，最大应力值为1414.9Mpa，尽管未超过材料的1810Mpa的屈服极限，但仍可能是导致断裂失效的主要因素之一。

2.2.2 螺旋弹簧工作角度分析

通过Catia三维软件的DMU运动仿真功能可以得到螺旋弹簧的中心轴线从轮跳上极限至轮跳下极限的实际工作中的运动轨迹，如下图片所示，图中可以计算出螺旋弹簧的上下极限工作角度，最大工作夹角为29.17°。

在我公司现有车型中，此车型螺旋弹簧的最大工作夹角较为突出，根据螺旋弹簧工作过程受力分析可知，因在上下极限运动过程中实际存在的工作夹角，导致螺旋弹簧除了承受扭转应力之外，还将受到弯曲应力，此夹角越大，则承受的弯曲应力也越大，对弹簧的疲劳耐久十分不利，据此可以推断，此车型螺旋弹簧较大的工作角度也是频繁出现断裂失效的因素之一。

2.3 表面防腐处理工艺排查

汽车底盘零部件长期处于较恶劣的工作环境中，因此对零部件的表面防腐能力要求较高，从失效件的断裂区域可以看出，非断裂区域均也存在较为严重的表面锈蚀，故针对此现象进行排查。目前在行业内，螺旋弹簧普遍采用的表面处理工艺为粉末涂层，而粉末涂层主要的技术要求有盐雾腐蚀试验、铅笔硬度、涂层厚度、涂层附着力、涂层耐水性、涂层抗石击性等，我司针对这些技术要求进行逐一试验排查，发现此车型的螺旋弹簧的涂层附着力不满足≤1级的技术标准要求，进一步调查影响到涂层附着力的生产过程工艺，下表为失效件的供应商和某外资弹簧制造供应商的过程工艺对比：

通过上表对比可以清晰的看出，失效件供货供应商的前处理工艺缺少磷化的工艺。在表面前处理工艺中，磷化的主要作用是提高膜层的附着力以及防腐蚀能力，因此螺旋弹簧制造过程磷化的前处理工艺的缺失也是导致产品断裂失效的主要因素之一。

3 结构及工艺优化

针对上述分析失效件断裂的真因分别进行优化，如下：

①针对原材料材质性能不足的问题，选择高一级的材料SAE9254（SWI-200）替代55CrSi，提高产品使用安全系数，该材料是日本进口坯料，比55CrSi等级高，应力可提高100Mpa。

②针对弹簧端头结构设计导致应力集中的问题，改变产品结构，端部缩头，上平端与第二圈不再接触，具体变更如下：

③优化表面处理工艺，增加磷化的前处理工艺，提高粉末涂层的附着力。

将以上3点优化后的螺旋弹簧装车后进行可靠性强化腐蚀验证，未出现弹簧断裂的质量问题，因此证明优化方案可行，满足整车可靠性的使用要求。

4 结论

①螺旋弹簧断裂失效机理较为复杂，并不是由单一因素导致的，需要针对所有可能因素逐一排查。

②SUV车型级别的提升，路试条件的苛刻，以前经济性轿车的设计理念需要改变，材料使用的安全系数需要提高级别，普通材料已经不能满足目前设计需要。

③在螺旋弹簧中径尺寸允许的范围内，上下端头尽可能采用缩径的结构设计，避免线圈之间频繁接触存在的接触应力集中的风险。

④表面防腐处理技术中的前处理工艺对螺旋弹簧的涂层附着力以及防腐能力影响较大。

作者简介：

李振，男，唐山学院，本科，工作岗位：汽车底盘设计。