汽车弹簧选材及热处理工艺优化设计

汽车弹簧选材及热处理工艺优化设计

汽车弹簧选材及热处理工艺优化设计

  • 适用:本科,大专,自考
  • 更新时间2021年
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汽车弹簧选材及热处理工艺优化设计

汽车弹簧选材及热处理工艺优化设计

摘要:本文主题为研究汽车弹簧的选材及热处理工艺优化设计,着重研究了汽车减震弹簧的选择及弹簧钢的热处理。本文列举了三种弹簧钢材料,分别为50SiMnB,60CrMnA,60Si2Mn来作为汽车减震弹簧的研究对象。弹簧钢是指在热处理后的力学性能—弹性,专制弹簧和弹性元件的钢。其弹性变形的能力决定了钢材料弹性的稳定性,在一定的范围之内,弹性变形的能力可以使钢承受起一定的的载荷,并在载荷去除之后不出现永久变形,根据材料本身的性能特点,结合所需要的性能,根据所学知识与文献专刊,分析讨论,最终制定出汽车弹簧的选材及它的热处理工艺优化设计。

关键词:汽车弹簧;弹簧钢材料选择;热处理工艺设计;材料性能

Optimization Design of material selection and Heat treatment process for Automobile Spring

Abstract:the main topic of this paper is to study the material selection and heat treatment process optimization design of automobile spring, especially the selection of automobile shock absorber spring and the heat treatment of spring steel. In this paper, three kinds of spring steel materials, 50SiMnB, 60CrMnA and 60Si2Mn, are listed as the research object of automobile shock absorption spring. Spring steel refers to the mechanical properties after heat treatment-elastic, repressive spring and elastic element steel. The elastic deformation ability determines the elastic stability of the steel material. Within a certain range, the elastic deformation ability can make the steel bear a certain load, and does not appear forever after the load is removed. According to the properties of the material itself, combined with the required performance, according to the knowledge learned and the special issue of the literature, the material selection and heat treatment process optimization design of the automobile spring are finally worked out through the analysis and discussion of the long deformation.

Keywords:automobile spring; spring steel material selection; heat treatment process design; material performance

     

第一章绪论

1.1背景

汽车减震的含义即是汽车的悬架系统中,弹性元件工作时会受到冲击产生振动,在悬架中与弹性元件并联安装减振器可以改善汽车在行驶过程中的平顺性,从而起到衰减振动的作用。悬架系统是汽车弹簧系统中的重要组成部分,汽车悬架系统中采用的减振器多是液力减振器,它工作时车架和车桥间受振动出现了相对运动,活塞在减振器内上下移动,油液便反复地从减振器腔内经过不同的孔隙流入其他腔内。

目前只有少数顶级豪华车制造中会使用主动悬架,其他大部分轿车的减震系统都是由螺旋悬架弹簧和减震器组合拼装,每年全世界制造悬架弹簧的总需求近2亿件。目前,弹簧行业内最大的市场即为汽车与发动机行业,在工业行业中占比很大,而在汽车行业中,增长较快的为轿车工业,家庭购入轿车的趋势逐年增长,高档弹簧的需求量也在逐年增长。且随着全球环保意识的增强、环保汽车的研制和投入使用,新型能源汽车的市场也揭开了序幕,必然能使汽车行业的发展前景越来越广阔,使弹簧的市场越来越开阔。

1.2汽车悬架弹簧系统

对于轿车来说,舒适性是其最主要的使用性能之一。而车身的固有振动特性又时刻牵动着汽车的舒适性与悬架的特性。所以可以看出,保证汽车乘坐舒适性的重要部件为汽车悬架。且汽车悬架也是车架与车轮间的传力件,同时也需要保证汽车行驶安全。汽车悬架是车身与车轮间弹性的联系。表面上看,悬架系统仅是由筒、杆、弹簧组成,但其实它是一个对汽车来说至关重要的总成。

汽车悬架包括减振器、传力装置弹性元件三部分,这三个部分分别起减振、和力缓冲的作用。而其中的弹性部分主要靠弹簧零件承担,包括缓和、垂直载荷以及抑制路面的不平对车体的冲击压力。减震不仅需要吸收震动的的力量,还需要稳定车体,而弹簧虽能吸收震动力量但不能稳定车体。减振器多指上文所提到的液力减振器,是为了更好地缓冲振动,它是这个悬架系统中最为精密最为复杂的机械零件。系统中的传力装置指车架中用来传递、纵向力的转向节等元件、上下摆臂等钢架,并为车轮车身间的相对运动规律做保证。

1.2.1弹簧的工作特点

弹簧是汽车中的重要元件,起减震或提供压力的作用。与路面摩擦产生压力对弹簧产生冲击时,弹簧压缩本身产生变形达到吸收震动的力量,能缓冲不平的路面对车架造成的颠簸震动。在冲击的力量消失后,弹簧恢复原状,同时释放吸收的能量,增长拉伸长度,车子往上回弹。弹簧长期在恶劣的工况下工作,需要在高温、高频率下长时间服役不失效,它的疲劳寿命受到特别关注。悬架系统中的弹簧对轿车底盘系统的减震来说至关重要,为轿车吸收振动及保证乘员的舒适性起到了良好的作用。从技术层面来分析,它也有着让轮胎与地面贴合,从而保证了车辆操纵性。

1.2.2弹簧的性能要求

悬架系统是车身中最为重要的减振系统,而弹簧又是悬架系统中较为重要的一部分。取得良好的舒适性的同时需要最大程度上缓冲汽车的震动,因此弹簧也需要设计的“软一些”,但弹簧过于软了却容易发生轿车行驶过程中刹车“点头”加速“抬头”以及左右侧倾等严重的不良倾向导致汽车的转向、操纵不稳定等。所以弹簧的使用就必须有高标准的要求:

(1)汽车弹簧长期工作的条件非常恶劣,因此需要它在应力高的情况下有高的疲劳寿命。弹簧钢的疲劳试验应力要求≤906MPa,≥388MPa,而抗拉强度要求提高至少到2000MPa。汽车制造中有一项要求为:悬架系统用弹簧8年免维护。

(2)悬架弹簧也需要有高的抗弹性松弛性能,这与疲劳寿命有些相似,但目的都是为了让轿车在持续高密度工作的情况下,服役年里尽量减少弹性松弛。

(3)为了适应弹簧经济性以及高性能的发展,且弹簧线径也越来越大,要求了弹簧钢要有的高的淬透性。

(4)在低温的条件下热处理后,金属材料的韧性会缓慢下降,这也可能会导致发成常温下运行的车辆产生脆断的可能性增大,悬架系统内减震弹簧要求材料有高的低温冲击韧性:在低温环境下的冲击功应不小于8J。

(5)汽车悬架弹簧常年的工作条件非常恶劣,所以材料的防蚀性也需要达到很高的标准。

(6)目前我国还不能及时的大量供应汽车悬架系统用优质弹簧,部分需要从外部进口,这就出现了价格高昂的问题,因此性价比也成为高性能材料的要求。

(7)对于高性能材料来说,最关键的就是汽车悬架弹簧的质量的稳定性与安全性。

1.3市场需要

“十五”期间,农业机械、工程机械、通用机械、环保机械、汽车等主要发动机产业拉动弹簧产量增加。最重要的是,弹簧产品结构会发生变化,出口产品品种数量也会有一定的增加。 

我国弹簧产品品种不齐全,大多为易于形成、生产结构简单、数量少、技术含量低的产品,只有少数厂家有生产结构复杂的高技术产品能力,但产量还远不足以满足市场得需求。产品性能方面也与国外同类的产品也有一定差距,如弹簧的载荷精度、垂直度精度,这些不足都反应着弹簧的性能还不稳定。且一些重要质量指标离散性大也会说明使用寿命不稳定。尤其是主弹簧在高速高应力条件下工作时,这些不稳定会表现的更加明显。轻量化、小型化、高强度、高寿命应是弹簧未来的发展方向,且在此基础上加强弹簧新产品开发来扩大弹簧产品规格品种。 

2010年弹簧行业销售额达到40多亿元,汽车、摩托车用弹簧占了其中一半。根据我国“十五”规划和国民经济发展的趋势,加速了发展弹簧轻量化、高可靠性的脚步。目前国内市场上弹簧生产与需求不能达到相同的标准。如何在众多的弹簧材料中选择最合适的材料也是我们研究的一个重要方向。 

随着我国汽车工业的飞速发展,汽车保有量的大量增加,使用量最大的钢板弹簧的数目也骤增,全国每年钢材需求总量约为200万t。纵观弹簧钢标准的发展,各国弹簧发展的标准趋于国际化。随着工业的快速发展,汽车使用量骤然升高,汽车弹簧的使用量也在增加。我国的钢铁年总需求量约200万吨。

1.4课题意义

弹簧是汽车中的重要元件,主要起减震或者提供压力的作用。本文首先根据文献研究和实际调研对汽车减震弹簧进行综合分析,然后深入研究了制造汽车弹簧的弹簧合金钢。主要分析了汽车减震弹簧功能以及弹簧钢材料性能要求、分析了如何选择汽车减震弹簧的材料、研究了汽车弹簧材料的热处理方法以及工艺优化设计并追踪汽车弹簧新材料及新工艺发展趋势。在科技飞速发展的现代社会,我们应该汲取自己的不足并努力学习有关生活各个方面的知识,了解各行各业的发展趋势并巩固自己的专业知识来丰富知识角。

第二章弹簧钢的选择

2.1弹簧钢的特性以及成分对比

弹簧钢是主要制作汽车悬架系统减震弹簧的材料,弹性变形的能力是钢的弹性主要能力,即在一定的范围里,一定的载荷能使其弹性变形,但载荷消失后可恢复不再变形。弹簧钢类用途很广,可用来制造各种弹簧,如车类的板簧、螺旋弹簧,汽缸安全阀簧等。

机械弹簧具备物理特性,通过能量转换的方式展现其性能。其物理和力学性能是体现材料的主要性能,影响着弹簧的提升。 

常用的金属材料有:弹簧钢,不锈钢弹簧,铜合金弹簧,镍合金弹簧,弹性合金弹簧,最近开发的超纯弹簧钢;常用非金属材料有:聚氨酯、橡胶、塑料、碳纤维和特种饮料等。

一般按照化学成分区分是合金弹簧钢还是碳素弹簧钢。弹簧钢的抗拉强度和疲劳强度极好,且塑性韧性好,淬透性也很好。碳素弹簧钢的碳含量一般在0.6%~0.9%之间,合金弹簧钢的碳含量为0.45~0.75%,合金元素为Mn、Si、Cr、Mo、W、V和微量B。

用于制造螺旋弹簧的圆钢、方钢以及用于制造板簧的扁钢组成了热轧弹簧钢,供货状态分为热轧后退火和不退火两种。前者一般适用于合金弹簧钢,制造中型弹簧冷,后者一般适用于大型弹簧;冷拉钢丝和冷轧钢带组成了冷轧弹簧钢,它的特点是截面尺寸较小,所以一般适用于小型弹簧。

弹性极限高、屈强比高是合金弹簧钢保证高的弹性变形能力和以及大的承载能力的关键,还要有疲劳强度高,韧性高的特点防止产生疲劳断裂和受冲击时脆断。淬透性好,不易脱碳,过热,容易绕卷成型以及特殊场合还要求耐热性、耐蚀性等。经济性和高性能是弹簧钢的发展走向。60Si2Mn,60CrMnA,55SiMnB是制造汽车用的弹簧中最常见的也是本文最主要研究的三种试样。

目录

第一章  绪论 4

1.1  背景 4

1.2  汽车悬架弹簧系统 4

1.2.1 弹簧的工作特点 5

1.2.2 弹簧的性能要求 5

1.3  市场需要 6

1.4  课题意义 7

第二章 弹簧钢的选择 7

2.1弹簧钢的特性及成份对比 9

2.2 弹簧钢的预备热处理 9

2.3弹簧钢的最终热处理、力学性能及用途 10

第三章 弹簧钢的选择及热处理工艺分析 12

3.1 分析总结   12

3.2 60Si2Mn的服役条件及失效形式  12

3.3 60Si2Mn的预备热处理工艺分析    12

3.4 去应力退火 13

3.5 60Si2Mn的最终热处理工艺分析 14

3.5.1不同淬火温度下的力学性能 14

3.5.2 不同回火温度下的力学性能 15

3.5.3 不同保温时间下的力学性能(淬火温度不同) 16

3.5.4 不同保温时间下的力学性能(回火温度不同) 17

第四章 结论 20

参考文献 21

参考文献

[1]樊新民.热处理工艺与实践[M].北京:机械工业出版社,2011.12

[2]朱学仪.钢材热处理手册[M].北京:中国标准出版社,2013.9

[3]徐年宝.热处理及工程材料[M].无锡:无锡职业技术学院,2007.12

[4]马永杰.热处理工艺方法[M].北京:化学工业出版社,2008.1

[5]李春胜.钢铁材料手册[M].南昌:江西科学技术出版社,2004.7

[6]丁建生.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2004.1

[7]高玉芳,郝光香.热处理工艺对60Si2Mn钢力学性能的影响[J].黑龙江科技信息:基础科学,2015,5:114

[8]张先鸣.汽车悬架弹簧系统用弹簧钢的发展[J].汽车工艺师:机械工业,2017,2:46-48


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