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不同弹簧种类的发展动向研究


1悬架螺旋弹簧

   现在乘用车的悬架弹簧主要使用螺旋弹簧,为提高燃油利用效率和乘座舒适性,迫切要求螺旋弹簧轻量化。

对悬架螺旋弹簧的特性要求有耐久性、腐蚀耐久性和抗弹性衰减性等。耐久性指的是在没有腐蚀的环境下的疲劳特性(大气疲劳强度),腐蚀耐久性指的是在融雪剂等盐害环境下的疲劳强度(腐蚀疲劳强度),抗弹性衰减性反映了弹簧在使用状态下(负荷状态),弹簧高度的变化(低温蠕变)。为使悬架螺旋弹簧满足这些特性要求并进一步轻量化,进行了弹簧材料开发和加工工艺开发。

1.1 悬架弹簧的发展动向

悬架弹簧的轻量化主要是通过弹簧的高强度化来实现的,图1是悬架螺旋弹簧设计应力的变化。1975年之前,悬架螺旋弹簧用钢材是SUP6,设计应力约900MPa。到1980年前后,弹簧用材是比SUP6含Si高的、提高抗弹性衰减的SUP7,设计应力达到1000 MPa。之后,采用中温定型工艺进一步提高了抗弹性衰减性,设计应力达到了1100MPa。这时中温喷丸工艺也开始采用,使耐久性也得到了提高。1990年美国公司平均燃料经济规则实施,对悬架螺旋弹簧轻量化的要求更为强烈,为此开发出高强度、高韧性的弹簧钢(0.4C-2.5Si-2Ni-0.8Cr-0.4Mo-0.2V),并采用喷丸工艺,设计应力达到1300MPa。后来对成本的控制成为设计主流,对弹簧钢的成分进行了调整,目前悬架螺旋弹簧的设计应力主要是1200 MPa。图2是悬架螺旋弹簧重量和设计应力的关系。设计应力为1200MPa的螺旋弹簧重量比设计应力为900MPa的螺旋弹簧重量减轻了38%。2000年以后对设计应力为1200MPa的螺旋弹簧钢的成分进行了调整,现在使用了设计应力为1250Mpa和1300MPa的螺旋弹簧。

 

图1 悬架螺旋弹簧设计应力的变化

 

图2悬架螺旋弹簧设计应力和弹簧重量的关系

1.2 悬架弹簧用材

    提高悬架弹簧的耐久性,必须使弹簧用材高强度化。设计应力由过去的900MPa发展到现在的1200-1300MPa的过程中,弹簧钢的抗拉强度从1700MPa提高到1900-2000MPa。材料的高强度化对于提高弹簧的抗弹性衰减能力也非常有效。但对弹簧的另一个重要特性腐蚀耐久性来说,随着弹簧钢的高强度化,钢对腐蚀坑的缺口敏感性增强,氢脆发生的可能性增加。因此在弹簧钢的开发中必须考虑到钢的耐蚀性和抗氢脆性。钢中添加Cu、Ni、Cr等元素可以有效提高钢的耐蚀性。此外,也采取低C化的方法提高耐蚀性。提高弹簧钢的抗氢脆性的方法有,添加Ti形成碳化物发挥氢陷阱的作用,添加Ti、V或复合添加Ti和V细化晶粒,添加B强化晶界等。但并不是只要添加这些元素就可以提高耐蚀性和抗氢脆性。例如,Cr虽然可以提高耐蚀性但会加深腐蚀坑的深度。提高抗延迟断裂性的元素V也有加深腐蚀坑深度的倾向。因此过量添加这些元素容易在腐蚀坑底部产生应力集中,降低腐蚀耐久性。在对材料的成分设计中必须综合考虑各元素的作用。

随着悬架弹簧钢的高强度化,钢的表面脱碳、非金属夹杂物和表面缺陷问题越来越引起人们的关注。脱碳导致钢材表面强度降低成为弹簧耐久性下降的主要原因。非金属夹杂物如果存在于喷丸效果达不到的钢的内部,弹簧有时会发生以夹杂物为起点的断裂。微小的表面缺陷经喷丸处理可以无害化,但大缺陷会成为弹簧断裂的起点,使弹簧发生早期断裂。因此,悬架螺旋弹簧用钢的开发应在提高腐蚀耐久性的成分设计同时,也要开展降低非金属夹杂物和表面缺陷的技术开发。

1.3 悬架弹簧制造新工艺的开发

    提高悬架弹簧强度的工艺之一是喷丸处理。喷丸处理是提高弹簧耐久性和抗腐蚀性的有效方法。喷丸处理工艺是将大量的钢或陶瓷的微小颗粒冲击弹簧表面,使弹簧表面发生塑性变形的加工方法。经喷丸处理,弹簧表面附加了残余压缩应力,可以抑制弹簧疲劳裂纹的产生和扩展,提高弹簧的耐久性。残余压缩应力还具有抑制腐蚀坑应力集中部位的裂纹扩展作用,所以可以提高弹簧的抗腐蚀性。此外,残余压缩应力的存在还具有提高弹簧抗氢脆的效果。为将更大的残余压缩应力附加到弹簧上,开发出热喷丸、两级喷丸、应力喷丸等新技术。

在弹簧的抗弹性衰减性方面,不仅弹簧钢的成分和强度而且弹簧的立定处理对提高抗弹性衰减性也有很大关系。立定处理是在弹簧制造过程中,对弹簧施加大于使用应力的负荷,使弹簧预先发生塑性变形,扩大了弹簧使用时的弹性变形区域,抑制弹簧低温蠕变的工艺。为了进一步提高弹簧的抗弹性衰减性采用了在高温状态下对弹簧进行立定处理的工艺(热立定处理)。

2 叠片弹簧   

叠片弹簧(钢板弹簧)用于叠片弹簧悬架,将底盘和车轴连接起来。汽车等车辆的悬架的作用是减缓车体的振动和控制车论、车轴的位置。叠片弹簧具有这两个功能,叠片弹簧悬架结构简单、牢固,比其它类型悬架便宜,现在一直广泛使用。近几十年来,对乘座的舒适性和驾驶稳定性不断提出了更高的要求,为适应这些要求,车辆设计不断改进,不再使用叠片弹簧,乘用车使用螺旋弹簧,大型运货卡车后悬架使用空气弹簧,但其它卡车的悬架仍以使用叠片弹簧为主。

叠片弹簧在汽车发明之前的马车时代就开始使用,其外观至今没有明显变化,但其实质发生了很大变化。由于制钢技术、弹簧制造技术和弹簧设计技术的进步,不断适应着车辆提出的越来越高的要求。

2.1 卡车叠片弹簧

叠片弹簧可分为两大类,板厚相同、长度不同钢板叠合起来的多片钢板弹簧(MLS)和变截面钢板弹簧(TLS)。叠片弹簧由多片钢板组成,弹簧弯曲时钢板端部发生摩擦,影响了乘座舒适性。因此要求降低这种摩擦。一般来说,TLS比MLS的应力分布更均匀,钢板片数少,重量轻。由于轻量化和低摩擦的要求,由MLS变更为TLS是叠片弹簧发展的总趋势。在已经完成道路整备的欧美和日本,除了行驶在崎岖道路的翻斗卡车,其它车辆几乎全部采用TLS。在这种变化中,对叠片弹簧寿命的理念也发生变化。过去将叠片弹簧视为消耗品,现在有些汽车制造厂已经提出在车辆服役结束前悬架弹簧不能发生断裂的理念,延长了叠片弹簧的设计寿命。

汽车前悬架叠片弹簧的片数较多,共有2-3片TLC。但总重量(GVW)小于20t的欧洲卡车叠片弹簧标准片数是1片(单片弹簧),从10年前开始(GVW)大于20t的卡车也使用了单片弹簧。这是汽车轻量化促使叠片弹簧钢板片数减少的一个例子。汽车载荷未变,叠片弹簧钢板片数减少,必然导致弹簧应力增加,因此,在开发片数少轻量化叠片弹簧时,必须保证弹簧的可靠性。要实现这个要求,必须有材料、设计、制造等技术的高度结合。弹簧钢材料方面的关键是高淬透性、高洁净度和良好的表面性状。在欧洲,厚度大于30mm的弹簧扁钢一般是Cr-Mo-V钢,在弹簧制造技术方面,要求有与高强度相应的热处理和表面处理技术,例如在热处理中采用了改良型形变热处理工艺。该工艺在奥氏体稳定区对弹簧钢进行加工,在残留加工影响的情况下进行淬火,然后进行回火,有效地提高了叠片弹簧的疲劳强度。对TLS进行的表面强化处理,一般采用应力喷丸工艺。最近为进一步提高弹簧表面的残余压缩应力,也有采用热应力喷丸工艺的例子。在叠片弹簧设计方面,根据实际使用时的弹簧负荷,对叠片弹簧进行了寿命分布最佳化的变截面设计,并且在设计中采用FEM技术。

汽车后悬架与前悬架一样,推进了叠片弹簧少片化和TLS化,在这种情况下,叠片弹簧钢板厚度有增加的趋势。此外应特别指出的是,近十多年,日本国内大型运货卡车(GVW 20t以上)的悬架已经由叠片弹簧悬架改变为空气弹簧悬架并且大部分空气弹簧悬架中都使用了稳定杆,稳定杆的控制臂采用叠片弹簧。

弹簧设计寿命延长,使腐蚀成为钢板弹簧的重要问题。冬季由于在道路上散布大量的融雪剂使腐蚀环境恶化。传统的防锈涂装方法对于叠片弹簧钢板之间存留水分的部位不能进行充分的防锈,为此开发出耐蚀性高、腐蚀疲劳强度高的叠片弹簧用钢。

2.2 稳定杆

    稳定杆用于空气弹簧悬架系统,由转矩杆和左右控制臂构成,其作用是控制车轴相对底盘位置的链接功能和抑制改变行驶路线或转弯时车体侧倾的防倾斜功能。90%以上的稳定杆用于GVW20t以上的大型卡车后悬架,其余的稳定杆用于大型卡车的前悬架或GVW小于20t的中型卡车的后悬架。

图3是车辆发生侧倾时稳定杆的变形示意图。稳定杆的转矩杆安装在控制臂的侧面,控制臂前端与车轴相连。车体倾斜时控制臂前端做圆弧移动,通过两个控制臂前端上下移动的高度差,产生扭转抗力,防止车体倾斜过大。车轴单位倾角的力矩值叫做倾斜角刚度或倾斜弹性常数。为使车辆具有行驶稳定性和乘座舒适性,必须使车辆具有适宜的倾斜角刚度。转矩杆的扭转刚度对稳定杆倾斜角刚度具有很大作用,控制臂的弯曲刚度和扭转刚度也影响稳定杆倾斜角刚度。对这些因素的弹性进行综合计算就得到稳定杆的倾斜角刚度。由于车辆承受反复的倾斜负荷,所以要求车辆具有应对反复倾斜负荷的耐久强度。由于倾斜负荷在车辆各部位产生的应力不同,各部位使用的材料不同,所以要对各个部位的强度进行分析。影响耐久强度的主要因素有材料、热处理、表面处理等。稳定杆的转矩杆和控制臂是焊接连接的,所以所用钢种应是可焊接的,并且可以通过热处理和表面处理提高稳定杆的耐久强度,从这点来说,弹簧钢的应用是比较复杂的,目前已经使用Cr-Mo弹簧钢。

 

 

图3 车辆侧倾斜状态和稳定杆的变形情况

3扭矩杆

3.1扭矩杆的现状

顾名思义,扭矩杆是利用钢的弹性扭转变形的扭矩弹簧。扭矩杆的单位体积弹性模量大,与其它弹簧相比轻量化可能性更大。但是将扭矩杆和控制臂连接起来的结合部的振动很难被吸收,所以乘用车几乎不使用扭矩杆。目前只用于小型卡车和商用车的前轮悬架装置。此外,扭矩杆还用于大型卡车驾驶室的防跳平衡机构(翻转式驾驶室用)。

扭矩杆用钢是JIS G4801中的SUP6、SUP7、SUP9、SUP9A、SUP11A。对这些钢要进行油淬热处理,此外还有高频淬火处理的机械结构用碳素钢S45C(JIS G 4051)。

出于耐久性的考虑,扭矩杆的两端被镦粗为杆体直径的1.2倍以上。为了与控制臂连接,扭矩杆的两端被加工成六角形或锯齿状。

3.2扭矩杆今后的技术发展动向

为应对轻量化的要求,扭矩杆采用高强度钢材并采用热装配方法提高耐久性和抗弹性衰减。在进行轻量化设计即高应力化设计时必须缩短扭矩杆的长度,相应地对车辆安装扭矩杆的部位也要进行变更设计,这在实施中有许多困难。此外,对扭矩杆中空化轻量化的方法也进行了研究,但目前还存在着中空管内面的强度保证、中空管两端的镦粗或锯齿状加工等问题尚为解决。

目前出现了商用车前悬架的扭矩杆改为螺旋弹簧的趋势根据日本弹簧工业会统计做出的2000年到2012年螺旋弹簧和扭矩杆弹簧产量变化可以看出扭矩杆弹簧的使用率正在下降。但是商用车的制造模具寿命很长,大幅度变更模具设计的机会较少。对于使用扭矩杆的车辆来说,降低成本比轻量化更加迫切,因此,期待不改变车辆结构,而采用廉价的扭矩杆原料。

4稳定器

4.1稳定器的现状

稳定器的结构是控制臂和扭矩杆组成一体呈コ形的结构,作为悬架的一部分与两个车轮相连。当车辆倾斜时,通过弯曲和扭转作用,抑制车辆倾斜提高车辆行驶的稳定性。稳定器两端通过连杆连接到悬架上并与两个车轮相连,因此要避开周围的部件,所以稳定器的形状比较复杂。

稳定器分为中空料和实心料,在要求高强度或周围空隙狭窄的情况下,使用实心料;要求轻量化时,使用空心料。实心料主要是JIS G 4801中的SUP9、SUP9A、SUP11A。这些钢要进行油淬处理。空心料主要是JIS G 3445规定的机械结构用碳素钢管这些钢要进行水淬处理。

4.2稳定器今后的技术发展动向

对悬架装置用弹簧的要求是高性能和轻量化。在高性能化方面,采用高强度钢和实施喷丸处理提高耐久性,为提高行驶安全性,在该机乘用车是使用智能稳定器。在轻量化方面,通过改进稳定器的配置提高稳定器效率使稳定器小型轻量化,以及采用中空材料使稳定器轻量化。目前采用的厚壁中空材料,虽然轻量化效果不大,但可以保证足够的耐久性,因此得到积极使用。对于稳定器用中空材料也应通过材料和制造工艺提高强度。此外,今后在推进实心材和中空材高强度化的同时,应考虑提高耐腐蚀性的问题。

5阀簧

阀簧是内燃机阀动机构的部件,其作用是关闭阀门。对阀簧可靠性的要求是不能断裂、抗弹性衰减性强,并且具有永久性寿命。当发动机高速转动时,发动机喘振导致阀簧负荷应力波动使阀簧关闭阀门的力量降低。为解决这个问题,减轻阀簧重量和弹簧节距不等化是提高阀簧的抗振性的有效方法,但这些方法都需要高强度弹簧材料。

日本经济产业省和国土交通省于2007年2月公布了2015年度燃油效率基准,该文件规定的乘用车新的平均燃油效率比2004年度实际平均燃油效率降低23.5%。在这种情况下,对汽车发动机的阀动机构也进行了改进,推进了新型阀动机构的开发。

5.1 主要的阀簧技术

5.1.1超高强度阀簧用钢

阀簧疲劳强度的提高是汽车制造厂永恒的要求,这样可以提高阀动机构设计的自由度。从上世纪90年代开始阀簧采用了高强度钢,2000年代后期超高强度钢应用扩大并采用新钢种,在弹簧制造工艺方面氮化处理、硬喷丸以及多级喷丸组合工艺使阀簧钢的疲劳强度提高到标准钢种JIS SWOSC-V的1.4倍(见图4)。提高疲劳强度的主要物性特征是,氮化提高弹簧的表面硬度,多级硬喷丸增加和深化弹簧表面的残余压缩应力(见图5)。表面硬度提高可以抑制初期疲劳裂纹的产生,高压缩残余应力可以延缓疲劳裂纹的扩展。通过上述措施,适应了阀簧的细径轻量化和新型阀动机构的要求。

 

图4 阀簧疲劳强度的提高

 

图5 弹簧硬度和残余压缩应力分布

5.1.2蜂巢式阀簧

发动机阀动机构阀簧由标准的圆筒型向一端缩径的蜂巢式阀簧发展(见图6)。采用蜂巢式阀簧根据阀簧缩径程度,使阀簧及其配件小型化轻量化。轻量化的量就是阀簧惯性质量的减少量,并对应于阀簧负荷的减少或提高发动机的转数。如不是运动汽车发动机,则会减少阀簧负荷和凸轮驱动的摩擦损失,从而提高了燃油效率。此外,阀簧负荷减少,降低了阀簧的负荷应力,因此,可以将低档钢种用于阀簧。

 

图6 蜂巢式阀簧

5.1.3发动机喘振解析技术

发动机阀簧每分钟进行数千次的往复运动,会产生喘振现象。因此在阀簧设计时,要在静应力的基础上加上动应力。随着通用的有限元软件的发展,单体弹簧的结构解析已经容易进行,但对阀动机构的解析,因计算成本大,使用受到限制。有实用性的方法是将阀动机构整体作为弹簧质量模型(spring-mass model)进行解析,将动态负荷变化换算成阀簧应力,计算出喘振参数。该方法的优点是,计算速度快并可以对发动机从空载到高速转动进行细分解析。缺点是有些外部干扰因素不能在模拟解析中反映出来,因此最终要利用发动机汽缸盖的空转试验对解析结果进行评价。

5.2阀簧制造技术

5.2.1阀簧盘簧机的数控(NC)化

    最近阀簧制造技术的一个大变化就是盘簧机的数控化。采用传统的机械式盘簧机时,需要具有了解设备结构、制造凸轮形状、钢丝定型、形成阀簧规定形状等熟练技术。数控化阀簧盘簧机则不需要复杂的机械结构和凸轮制造,需要的是利用控制面板上的制造程序进行阀簧制造的技能。此外,由于数控化阀簧盘簧机采用结构简单的伺服电机驱动和计算机高速处理,阀簧成型速度比传统的机械式盘簧机提高一倍,提高了生产效率。今后阀簧主流产品蜂巢式阀簧生产实现数控化将给阀簧生产带来很大便利。

5.2.2阀簧检查机械化

   阀簧的致命缺陷是折损,此前对阀簧表面缺陷仍采取人工目测方法进行,现在随着工业照相机精度和计算机运行速度的提高,阀簧检查机械化已经实现。检查机械化减少了许多检查人员。在管理方面,可由目视检查人员的技能管理转向检查设备的条件管理和检查结果的数字化管理。

5.3 阀簧的发展方向

目前混合动力车有扩大生产的趋势,由于混合动力车发动机转数下降,有可能使阀簧低档化和降低成本。但由于发动机本身轻量化在不断推进,所以对阀簧仍有小型轻量化的要求。欧洲汽车制造厂正在扩大小排气量发动机和增压器组合的小型化汽车的生产,在这方面,对高强度阀簧的需求仍将继续。

6弹簧钢带软管夹

6.1弹簧钢带软管夹的特点

弹簧钢带软管夹(见图7)是将弹簧钢带做成比软管外周长小的圆环,利用闭合状态的紧固力,将软管全周均匀紧固的部件。随时间的延长,软管弹性下降,软管夹凭借弹簧钢带的弹性适应软管弹性下降,仍可保持对软管的紧固状态。

 

图7 弹簧钢带软管夹

6.2弹簧钢带软管夹的用途

    弹簧钢带软管夹在汽车上主要用于水冷配管、空气配管、油管、燃料配管的紧固。弹簧钢带软管夹的内径是φ5-φ70mm,主要规格是φ20-φ40mm的水冷配管用软管夹。油管、燃料配管等要求较高的配管则使用两片式弹簧钢带软管夹。

对软管夹需求的产业不仅是汽车制造业,家庭用具制造业、加工机械制造业、试验设备制造业等产业都大量使用软管夹。

6.3 弹簧钢带软管夹的设计

    软管夹的使用始于上世纪70年代初。当初使用手钳将软管夹的夹持部位进行扩径,可容易地装在软管上,因此在汽车装配线上大量使用了软管夹。1970年中期开始使用预扩径的带配件单手柄软管夹,简化了汽车装配线上的操作,但拔掉的软管夹配件成了废弃物,影响了环境状况。在这种情况下,要求开发出无配件的新型单手柄软管夹。现在无配件单手柄软管夹已经是软管夹的主流产品。无配件单手柄软管夹的优点是无废弃物(配件)和减轻拔掉配件的负担,符合人类工程学的要求。

6.4 弹簧钢带软管夹用材

日本弹簧钢带软管夹用材是特殊钢光亮钢带(JIS G 3311),其它国家则采用日本JIS标准、美国SAE标准、欧洲DIN标准,中国GB标准中的适宜材料。在这些材料中有添加V、Mn、Cr等元素的钢带。弹簧钢带软管夹大多进行等温淬火,通过适应于材料的最佳热处理条件,使软管夹具有要求的硬度。

6.5弹簧钢带软管夹的表面处理

弹簧钢带软管夹的表面处理有涂装和电镀两种方法,防锈力强的方法是涂装法,外表美观的方法是电镀法,两种方法可选择使用。

涂装法是在有机树脂或无机结合剂等结合剂成分的基础上添加着色剂颜料制成涂料,用涂料涂敷软管夹,进行装饰和防锈。涂装法于1980年左右开始采用,当时的涂料以金属锌和铬为主要成分,提高了软管夹的防锈能力。2000年欧洲ELV指令和RoHS指令实施,限制或禁止使用6价铬、水银、铅、镉等有害物质,含有六价铬的涂覆方法被无铬防锈处理方法取代。

6.6弹簧钢带软管夹的发展方向

弹簧钢带软管夹生产中材料费占很大比例,所以提高软管夹成材率和生产效率可以显著降低生产成本。此外随着汽车性能的提高,应开发适应汽车新要求的弹簧钢带软管夹。
 


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