汽车弹簧材料的发展

今天东莞市弹簧厂家就给大家介绍一下汽车弹簧设计的发展历程：汽车弹簧主要向高强度轻量化方向发展；电子产品弹簧主要向小型化方向发展；光学器件弹簧主要向高强度和小型化方向发展。开发了相应的弹簧设计方法、材料和加工工艺。 随着弹簧设计的发展，广泛应用的弹簧应力和变形计算公式都是从材料力学中推导出来的。没有一定的实践经验，高精度弹簧的设计和制造是很困难的。随着设计应力的增加，以往的许多经验不再适用。例如，当弹簧的设计应力增大时，螺旋角增大，使弹簧的疲劳源由内侧向外侧转移。因此，有必要采用精密分析技术。目前广泛使用的方法是有限元法。汽车悬架弹簧的特点是除了具有足够的疲劳寿命外，其永久变形应较小，即抗松弛性能应在规定的范围内，否则车身重心会发生偏移。同时，还应考虑环境腐蚀对其疲劳寿命的影响。随着车辆维修周期的延长，对车辆的永久变形和疲劳寿命提出了更高的要求。因此，必须采用高精度的设计方法。有限元法能较详细地预测弹簧应力对疲劳寿命和永久变形的影响，能准确地反映材料与弹簧疲劳寿命和永久变形的关系。近年来，弹簧的有限元设计方法已进入实用阶段，有关螺旋角对弹簧应力的影响、有限元计算应力与疲劳寿命的关系等方面的实用报道也层出不穷，此外，在弹簧设计中引入了优化设计过程。该弹簧结构简单，功能简单，节省了影响结构和性能的参数。为此，设计人员采用解析法、图解法或图解分析法，及早寻找最优设计方案，并取得了一定的效果。随着计算技术的发展，利用计算机进行非线性规划的优化设计取得了良好的效果。可靠性设计是为保证设计产品的可靠性而采用的一系列分析设计技术。其任务是在预测和预防产品可能失效的基础上，使设计产品达到规定的可靠性目标值。它是对传统设计方法的补充和改进。弹簧设计在可靠性技术的应用方面取得了一定的进展，但进一步的改进需要数据的开发和积累。随着弹簧应用技术的发展，许多新的问题需要设计者关注和解决。例如，材料、强压和喷丸处理对疲劳和松弛性能的影响在设计中很难准确计算；依赖于试验数据；根据现行设计公式计算的圈数，弹簧刚度值小于设计刚度值，因此，为了满足设计要求，需要减少有效匝数。

（1）弹簧应用技术的发展对材料提出了更高的要求。主要是提高高应力下的疲劳寿命和抗松弛性能；其次，根据不同用途要求具有耐腐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。为此，除了开发新型弹簧材料外，除了严格控制化学成分、减少非金属夹杂物、提高表面质量和尺寸精度等方面也取得了有益的效果。

（2）合金钢弹簧的发展气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用于硅铬合金钢中。为了提高Si-Cr钢的疲劳寿命和抗松弛性能，在Si-Cr钢中添加了V和mo。同时研制了硅铬拉丝钢丝。其抗松弛性能优于钢琴钢丝在高温下的抗松弛性能。随着发动机的快速小型化，钛合金具有良好的抗颤振性能、重量轻、弹性模量小等优点，得到了广泛的应用，其强度可达到2000mpa。

（1）奥氏体不锈钢丝由于表面应用的不断扩大，其强度优于铁素体组织，耐蚀性也优于马氏体组织。

（2） 低温拉拔或低温渗氮拉拔可提高钢丝的强度。马氏体组织在加热时不稳定，但在低温液氮中拉拔可形成隐针状马氏体。这种钢丝在美国和日本已得到广泛应用，但目前只能处理小于1mm的钢丝。3） 电子设备中的精密弹簧要求是非磁性的。这种钢丝在拉拔过程中不能产生隐针马氏体。为此，应添加氮、锰、镍等元素。为了满足这一需求，美国开发了aus205（0.15c-17cr-1ni-15mn-0.3n）和Yus（0.17c-21cr-5ni-10mn-0.3n）。由于Mn含量的增加，在此过程中没有出现隐针状马氏体。固溶处理后强度可达2000mpa，疲劳性能优于SUS304。

（3）提高材料的纯度。严格控制夹杂，提高纯度，保证高强度材料的性能。例如，气门弹簧材料的含氧量已达到20×10×6。

（4）提高材料的表面质量对疲劳性能有很大的影响。为保证表面质量，对有特殊要求的材料进行0.1mm的剥离。深度为0.5mm的缺陷应采用涡流探伤。电解磨削可使表面粗糙度降低到RA=6.5-3.4μm。

（5）电镀钢丝的发展不仅需要弹簧特性，还需要耐腐蚀性、导电性等附加性能，这些主要是通过电镀工艺来解决的。一些不锈钢丝和钢琴丝的耐蚀性与镀锌相当。如果再镀一层ZnAl（5%）合金，耐蚀性可提高3倍左右。对于电阻性能要求的不锈钢丝或钢琴丝，丝径小于0.4mm可镀铜，丝径大于0.4mm可镀铜，外部可采用不锈钢材料。镀5μm厚的镍可以提高钢琴钢丝的导电性。