汽车座椅用涡卷弹簧断裂分析

关键词：涡卷弹簧 角度 失效分析汽车座椅在乘客体验种扮演很重要的角色，不仅仅带来乘坐的便利，更是舒适性体验，所以国家对成套座椅的要求是很高的，甚至有 3C认证的要求。调角器里面的涡卷弹簧就是非常重要的功能零件， 旦发生弹簧断裂，调角器便失去功能，无法实现座椅的角度调节，出现座椅功能坏死。为此，如何保证涡卷簧的疲劳耐久性能，就是摆在弹簧制造厂必须面对的课题。本文从某车型涡卷簧因角度不良引发疲劳断裂案例中，从宏观、微观的分析断裂机理中[1]，寻找问题根源及对策，提供一些经验分享。

1 背景描述

1.1 问题现状

收到某客户反馈，座椅调角器有异响，移动失灵，经拆解后发现，调角器内涡卷簧弯钩连接处断裂（涡卷簧为我司新开发），断裂样件如图 1 所示。从涡卷簧断裂形态来看，产品于小端弯钩处断裂，外表光滑，无生锈等缺陷图 2。

a）拆解前（图 1） b）拆解后（图 2）

1.2 宏观分析

1）断裂品外观形态

① 我们使用红粉探伤方法，对同批次产品判定物品表面是否出现了微裂纹，以及判定裂纹的机理，结果显示，断裂品表面未出现明显的裂纹及点状缺陷，可以判定材料表面无明显缺陷。

② 将断裂品放大 30 倍后发现，端口处未发新明显的疲劳源，判定为非外因损伤。

1.3 微观分析

1）从试样断面照片可以看出，试样断口上侧部位色泽较深，断口下侧色泽较浅亮，断面较为平整，有明显的层间断裂特征（A、B、C、D 处），放大如下：

结果显示，试样断口下侧存在约 200～250μm 厚的准解理断裂区，属于准解理组织和韧窝组织构成的混合断口

2）材料硬度分析

将断裂区划分 10 各位置，进行 HV 硬度检测，结果如下：

结果显示，断裂品区位置 1 和 8 硬度异常偏高，其余位置正常。显微硬度的测试结果表明，卷簧断口内侧处位置 1 和位置 8 的硬度偏高，推测材料在折弯过程中发生形变强化①，与钢丝折弯的强度有关

3）金相组织检验

结果显示： 试样断口剖面的金相组织均为珠光体组织—符合热成型的特征，但纵截面的横向纤维组织不明显，疑似发生相变，类似屈氏体，组织出现差异 ②

2、原因调查

究竟是什么原因导致断裂，并且产品上发现有局部的硬度偏高以及组织变异？我们从产品的制程上展开调查分析

2.1 产品关键参数特征：

结果显示：折弯角度不符合工艺要求，个别产品角度过小，导致折弯处材料挤压，产生形变强化 ① ，造成局部位置硬度偏高（位置 1，位置 8），符合上述分析，由此可见，角度小是导致断裂的其中 1 个真因。

2.2 工艺流程

2．2.1 发现产品生产过程中，弯曲段加热线圈外表面油污，偶尔会掉落与钢丝表面，当感应线圈出现温度异常时，如超过 810^∘ ，容易导致进行热处理可能性，出现组织变异 ② —改善对策是定期清洁感应线圈的油污（1 次/班），并增加红外温度感应装置，及时控制温度

2.2.2 产品实现过程中，也经过了磷造化的酸洗处理，会产生氢脆分线，但从本案例来看，未出现明显的裂纹及氢脆对本次断裂印象，因此氢脆原因排除

2.2.3 流出原因方面，经过调查分析，还经过了 100% 强扭，说明到达在某一最大应力角度时，最大扭矩下超出了钢丝的许用应力进而造成断裂，实际测量发现，产品最大角度与设计图纸不符合，这也是解释了为何断裂产品未能防止原因

按照 YB/T5183-2006《汽车附件、内燃机、软轴用异型钢丝》标准及《弹簧手册》P670—制造与使用章节，该产品扭距作用次数已大于千次，通过换算，当座椅最大扭矩 77°时（右上图），已接近钢丝最大许用应力（出于技术保密，数据略），故而偶尔会出现 R 处扭转断裂的现象，但当 R 大于等于 2 时，设计应力是许可的。

3、原因锁定及对策

通过对过程的加热感应装温度控制及线圈的定期油污清理，调整 R 角度并纠正强扭角度后，问题得到了很好的解决。其后进行了 D-FMEA，P-FMEA，QC 工程表，作业标准表的修改及标准化完善。

4. 结论

样件断裂主要原因是 R 角度偏小，叠加生产过程中偶发的热处理现象，导致产品发生断裂。此案例表明，在产品的开发过程中，研发人员必须要认真检讨客户的边界条件，材料的参数选择，借助于相关国家标准的技术条件，强化生技过程的工艺验证等手段，确保制程良品条件的科学可靠，才能做到完全满足客户需求，做到产品零缺陷标准，达成顾客满意的最终目标。

参考文献

[1] 侯学勤，吴蒙，罗学泉.汽车弹簧断裂分析[J]．失效分析与预防，2015（2）：127-132.

[2]《汽车附件、内燃机、软轴用异型钢丝》YB/T5183-2006 中华人民共和国黑色冶金行业标准

[3]《弹簧手册》第 21 章 平面涡卷弹簧