US 20170144500A1
(i9) United States
(i2) Patent Application Publication (10) Pub. No.： US 2017/0144500 A1 Kuznetsov et al. (43) Pub. Date: May 25,2017
- Int.Cl.
B60G11/02 (2006.01)
F16F1/18 (2006.01)
- U.S. Cl.
CPC B60G 11/02 (2013.01); F16F 1/185
(54) AUTOMOTIVE LEAF SPRING
- Applicants: Anatoliy Alekseevich Kuznetsov,
Moscow (RU); Arkadiy Moiseevich Peker, Odintsovo Moskovskaya (RU); Igor Semyonovich Lerner, Woodsburgh, NY (US); Semyon Brayman, West Bloomfield, MI (US)
- Inventors: Anatoliy Alekseevich Kuznetsov,
Moscow (RU); Arkadiy Moiseevich Peker, Odintsovo Moskovskaya (RU); Igor Semyonovich Lerner, Woodsburgh, NY (US); Semyon Brayman, West Bloomfield, MI (US)
- Appl. No.: 15/343,554
- Filed: Nov. 4, 2016
Related U.S. Application Data
(60) Provisional application No. 62/253,749, filed on Nov. 11，2015.
Publication Classification
(2013.01); B60G 2206/72 (2013.01); B60G 2206/428 (2013.01); F16F 2238/022 (2013.01); B60G 2202/11 (2013.01); F16F 2224/0208 (2013.01); FI6F 2226/02 (2013.01); B60G 2206/84 (2013.01)
(57) ABSTRACT
Automotive leaf springs are produced from low-hardenabil- ity and specified hardenability steel, with identical and different length, width and thickness and constant or variable cross section profile, that are subjected to through-surface hardening and low tempering. The ideal critical diameter of hardening, carbon content and hardened layer depth depend on the thickness of constant cross section profile leaf and maximum and minimum thicknesses of variable cross section profile leafs. Adherence to the optimum correlations of parameters indicated make it possible to produce leaf springs with the highest mechanical properties and longev-
Loading diagram of a variable cross section spring leaf with a cantilever
beam used as an example
Fig. 1. loading diagram of available cross section spring leaf with a Gantifever
beam used as an example
AUTOMOTIVE LEAF SPRING
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0001] The invention relates to mechanical engineering, particularly to automotive leaf springs.
[0002] An automotive leaf spring is known (See patent RU #2213280) that consists of several spring leafs of identical width and different length with a constant or variable profile, are produced from low hardenability (LH) steel subjected to through-surface hardening (TSH). As a result of thermal treatment, each spring leaf had a non-homogenous cross section micro structure: a 52-60 HRC hardness martensite in the surface layer and a 25-47 HRC hardness troostite-sorbite structure in the core.
[0003] A positive technical outcome was achieved because this leaf spring showed better bench and field test results compared to commercially produced leaf springs. The latter consist of leafs that are made from alloyed spring steels and subjected to traditional thermal treatment一oil quenching with medium tempering at 400-550° C. to produce a homogenous martensite-microstructure cross section with 40-50 HRC hardness, followed by shot blasting of the surface.
[0004] The performance requirements for leaf springs manufactured in Germany, USA and other western countries are much more stringent as compared to the Russian Federation. In order to meet these performance requirements leaf springs are manufactured to higher and tighter hardness ranges. For example, in a number of cases the hardness range is 46-50 HRC or 48-52 HRC, and the leaf bench load is 800plusmn;600 N/mm2, while in the Russian Federation it is 500plusmn;300 N/mm2 (See patent RU #2213280). Testing of 11-13 mm thick LH steel leaf plates subjected to TS Hand low tempering (per patent RU #2213280) showed that, at higher loads, in some cases the leafs did not pass the verification criterion of 150,000 cycles.
[0005] In addition, occasional failures of individual LH steel leafs and entire leaf spring assemblies subjected to TSH and low tempering occurred as a result of bulldozing of assembled leaf springs in the through central hole or the central indentation in the blind hole. Failures were caused by bigger brittleness of this area due to high hardness of the continuously martensite structure surface (56-62 HRC). [0006] The purpose of this invention is to develop a new automotive leaf spring that consists of low hardenability (LH) or specified hardenability (SH) steel leafs that were subjected to TSH and have even higher reliability and durability.
SUMMARY OF THE INVENTION
[0007] The technical result of the invention is achieved by its following distinctive features:
[0008] use of third generation LH and SH steels to produce 8-50 mm thick spring leafs, with the steel chemical composition conforming to Russian Federation patents #2450060, bul. #13, dated Oct. 5, 2012, and #2450079, bul. #13, dated Oct. 5, 2012 Duplicate, wherein the carbon content is 0.4-0.8%; whereas for thicknesses under 8 mm the carbon
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汽车板簧
摘要
汽车板簧由低淬透性和规定的淬透性钢制成，具有相同或不同的长度、宽度和厚度以及恒定或可变的横截面轮廓，经受表面硬化和低回火。硬化碳含量和硬化层深度的理想临界直径取决于恒定横截面轮廓的厚度以及可变交叉的最大和最小厚度轮廓叶片。坚持所指示的参数的最佳相关性可以使得生产具有最高机械性能和寿命的板簧。
带有悬臂的可变截面弹簧片的加载图
汽车板簧
发明背景
[0001]本发明涉及机械工程，尤其涉及汽车板簧。
背景技术已知一种汽车板簧（参见专利RU＃2213280），其由具有恒定或可变轮廓的相同宽度和不同长度的多个弹簧片组成，由经受表面硬化的低淬透性钢制成，作为热处理的结果，每个弹簧片具有不均匀的横截面微结构：表面层中的52-60HRC硬度马氏体和芯中的25-47HRC硬度屈氏体 - 索氏体结构。
[0003]实现了积极的技术成果，因为与商业生产的板簧相比，该板簧显示出更好的台架和现场测试结果。后者包括由合金弹簧钢制成的叶片，并经过传统的热处理 - 油淬火，中等回火温度为400-550°C，专业得到具有40-50HRC硬度的均匀马氏体 - 微观结构横截面，然后对表面进行喷丸处理。
与俄罗斯联储相比，在德国，美国和其他西方国家合作制造的板簧的性能要求更加严格。为了满足这些性能要求，板簧被制造成更高和更紧密的硬度范围。例如，在许多情况下，硬度范围为46-50 HRC或48-52 HRC，叶片工作负荷为800plusmn;600 N / mm2，而在俄罗斯联邦则为500plusmn;300 N / mm2 （参见专利RU＃2213280）。经受TS Hand低回火的11-13mm厚的LH钢板的测试（根据专利RU＃2213280）在较高负荷下，在一些情况下显示，叶子未通过150,000次循环的验证标准。
另外，由于在通孔中心孔或盲孔中的中心凹陷中推平组装的板簧，发生了经受TSH和低回火的单个LH钢叶片和整个板簧组件的偶然故障。由于连续马氏体结构表面的高硬度（56-62HRC），该区域的脆性更大而导致失效。本发明的目的是开发一种新的汽车板簧，其由低淬透性（LH）或规定的淬透性（SH）钢叶组成，其经受TSH并具有甚至更高的可靠性和耐久性。
发明概述
[0007]本发明的技术结果通过以下显着特征实现：
[0008]使用第三代LH和SH钢生产8-50mm厚的弹簧叶片，其钢化学成分符合俄罗斯Federa专利＃2450060，bul。＃13，日期为2012年10月5日，＃2450079，bul。＃13，其中碳含量为0.4-0.8％;而对于厚度小于8毫米，碳含量为0.2-0.40％;因此，理想的临界硬化直径DI铬。LH和SH钢应符合弹簧片的厚度，以便在TSH过程中形成最佳的硬化层深度;## 1和2，显示最佳为D1铬。
[0009]从具有纯马氏体结构的硬化表面层中消除铁素体结构的完全脱碳区域;部分表面脱碳（不低于0.15％），与商业生产的具有屈氏体微观结构的弹簧叶片相比，存在低碳马氏体结构不会导致突然的疲劳强度降低，然后对表面进行喷丸处理;
[0010]使用具有0.2-0.4％碳和DI铬= 6-10mm或更多的LH钢来制造厚度小于8mm的弹簧片。这使得整个弹簧片或其厚度小于8mm的部分硬化以在整个横截面上形成低碳马氏体结构，或在表面层中形成45-58HRC的马氏体和在芯中形成马氏体。对应于原型（专利RU＃2213280）的LH钢中较高的碳含量（0.4-0.8％）导致较低的疲劳强度和通过硬化的耐久性;相反，通过硬化具有0.2-0.4％碳的钢部件的薄横截面以形成具有## 1-4针性的均匀低碳马氏体结构（GOST 8233-56），提供更高的循环耐久性并获得结果。用喷丸处理商品生产的叶片可测量;这可以通过表面层中较小的拉伸残余应力，相当高的总强度（ct = 1 800-2400 N / mm2）和延展性（W = 30-50％）来解释;
[0011]通过喷丸处理，辊抛光，超声波和任何其他机械冲击方法对LH（SH）钢弹簧片的负载马氏体结构，高硬度（52-60HRC）表面的冷加工硬化的使用（商业生产）技术采用传统弹簧钢制成的叶片喷丸，40-50 HRC，通过屈氏体结构）;最高应力的表面马氏体层的微观结构有质的改善;后者转变为纹理马氏体，具有变形的“前”奥氏体晶粒的椭圆形边界;这导致在有限耐久性的过渡区域中具有更高的疲劳强度和循环耐久性，其显著超过TSH后的LH钢板簧的指数，具有没有喷丸的马氏体结构（专利RU＃2213280），以及由传统方法用叶片喷丸处理，具有屈氏体结构。
消除上述另一缺陷，即在组装的板簧的静态推土或操作期间的过载期间整个板簧或其部分沿中心区域（孔或其附近）的偶然失效也是通过以下方式实现的技术解决方案：本发明。这些破裂是由于孔区域中局部应力集中器的配置以及孔ID或锥形中心压痕上存在脆性马氏体结构造成的。限制连续马氏体硬化区并防止其扩散到孔区及其邻接区域是减少脆性并避免静态和疲劳载荷期间破裂的有效手段。例如，使用特殊的塞子来防止淬火流体从两侧进入013mm的中心孔本身和相邻的030mm的平坦区域。这些表面的微观结构是具有马氏体夹杂物的troosto-sorbite混合物，即在孔区域中发生部分马氏体结构渗透。但是由于保护塞和弹簧片表面之间的间隙而形成的这些局部硬化部分不会影响随后的测试结果，因为春季叶片推土过程中的局部微弹性变形发生在与塑料非马氏体结构相邻的区域。这导致外力引起的局部应力松弛。在所有弹簧片的试验结合期间以及放置在中心孔中的螺栓或特殊结合紧固件的帮助下，该区域中的外部载荷急剧减小并且在将来不存在破坏的危险。
具有由经受TSH的LH钢制成的叶片的原型批次弹簧的静态和循环测试结果被证明是正的：不是单个板簧的TSH，在板簧中心孔附近具有受限制的硬化区域。在静态载荷和疲劳载荷下进行试验，直到标称循环次数完成，并且当超过允许载荷时，中心孔中没有单个叶片破裂。
[0015]所使用的钢的主要特性不可用，即LH（SH）钢理想的临界硬化直径土壤和碳含量取决于春叶厚这是已知酒吧的主要缺点喜欢的材料。
本发明包含LH和SH钢的理想临界直径（DI铬）和碳含量的特定极限值，其取决于恒定和可变轮廓弹簧叶片的厚度。这些主要特征的不可用性是已知出版材料的缺点。
例如，基于具有恒定横截面轮廓和厚度H（mm），DI铬，min的叶片的热物理计算。是0.6 H，mm，但不小于6.0 mm，而DI铬 max是1.2 H，mm，即DI铬。是（0.6-1.2）H，mm，确保8 =（0.1-0.22）H硬化层深度。表1列出了允许的DI铬。硬化层深度8相对于恒定轮廓叶片厚度H的值。钢中的碳含量为0.4-0.8％。
在这种情况下，最大弯曲应力是弯曲= 6Pl / bh2= const，其中：
[0022] P是支持反应（const）;
[0023]l是力臂P的长度;
[0024]他的变量值等于长度为1的叶片厚度;L0 是从叶端（末端反应点）到固定末端（const）的距离;
[0026] b，叶宽（const）;H0，ho是最大和最小的叶片厚度（常数）。
通过在公式中用L0 代替1和H0 代替h，我们得到：
通过等于两个表达式，我们得到h/H0=v^（1/L0）。图2包含显示相对叶片厚度h/H0对相对长度1/L0的图。该图是恒定横截面叶的理论轮廓-点划线曲线。
[0030]这里有五个区域，其中三个区域被限制为直线：
[0031] 0区，薄端叶片部分过载
与较厚的，欠载的中段相比;
[0032]I-最小TSH应用区一hoHo^.45min;
II-最佳TSH施加区-ho/Ho=0.45-0.55;
然而，III-TSH-可接受的区域是高结构刚度区-ho/Ho=0.55-0.65;
[0035]IV无理构造区域，其中叶片质量，刚度和在弯曲期间的载荷不均匀性使其长度急剧增长;它在末端区域较低，在中心区域最大。在ho/Hogt;0.65的情况下，TSH方法实际上可以应用，并且当其接近Iiq/Hq^I时，弹簧叶将具有恒定的轮廓。
因此，在可变轮廓叶片的情况下，最小厚度h0是热物理计算的限制参数。
使用DI铬，min=0.95h0（mm），DI铬，max=1.2h0，硬化层深度为：
[0039]对于区域II：ho=（0.45-0.55）H0，8=（0.15-0.22）h0或5=（0.07-0.12）H0，D1铬=（0.95-1.2）ho=（0.4-0.65）H0 。
因此，TSH方法适用于硬钢板弹簧叶片厚度超过8毫米。[0043]对于可变轮廓叶片，具有最小厚度小于8毫米，最大大于8毫米，即h0amp;#60;8毫米，H0=（8-16）毫米，DI铬=（6-10）毫米，C = 0.2 -0.4％。本发明的一个重要的显着特征是两个主要的LH（SH）钢制参数的特定依赖性在叶片厚度H（h0）上，即其碳含量（％C）和理想临界直径DI铬。在这种情况下，从宽范围（0.2-0.8％C）中选择具有窄公差（amp;#177;0.05％或amp;#177;0.025％）的特定钢的可见标称碳含量。对于恒定和可变的横截面轮廓叶片，允许的理想临界直径D1铬，值也分别选自宽范围 - （6-60mm）和(7-30mm）。在俄罗斯联储的框架内eration专利＃2450060，bul。＃13，2012年10月5日;和＃2450079，bul。＃13，2012年10月5日，与碳相同的Dlcr7 钢化学元素没有影响。关于恒定和可变截面弹簧叶片的热强化的定性低解决方案是TSH和热化学处理（TCT） -碳化（C）或高温碳氮化（CN）的组合，这使得它成为可能。 实际上完全消除了在轧制过程中发生的基体的弹簧叶面脱碳;钢中碳含量为0.2-0.4％;在这种情况下，马氏体结构表面层中的最大碳含量不应超过0.8％，而最小碳含量应比具有马氏体，马氏体，马氏体结构的屈挺体结构中的最大碳含量高0.2％以上（取决于叶片厚度）;[0046]将经受热处理的恒定轮廓弹簧片的最小厚度从8mm（TSH）减小至5mm（TCT），并将可变轮廓叶片的最小厚度从8/16 mm（TSH）减小至5/10 mm-（ TSH TCT）;[0047]通过添加来改善板簧的耐久性由TCT形成的叶面层产生有益的残余压应力;[0048]在操作期间，通过喷丸处理或其他机械方法使弹簧片表面从其受应力侧加工硬化，导致与上述相似的更高的疲劳耐久性。我们声称：1. 一种汽车板簧，由一个或多个由低淬透性（LH）和特定（SH）钢制成的叶片组成，具有相同或不同的长度，宽度和厚度，具有恒定或可变的横截面轮廓，经受通过表面硬烯烃（TSH）和低回火，区别在于叶片由低淬透性（LH）和规定的淬透性（SH）钢制成，碳含量为0.2-0.8％.
对于恒定轮廓叶片：理想临界硬化直径（C铬,mm）具有以下值，取决于叶片厚度（H，mm）：D铬=（0.6-1.2）H，mm，确保硬化层深度（mm）等于8=（0.1-0.22）H;
对于可变轮廓叶片：取决于叶片厚度变化从最小值（h0，mm-在末端支撑点处）到最大值（H0，叶片中心的mm一），允许叶片截面的范围轮廓（ho/H0）不应超出图中区域I，II，III限制的界限，图中显示相对厚度h/H0与其相对长度//L0（见图）.
对于区域1-11，其中ho/Ho=0.45-0.55，LH（SH）钢理想临界硬化直径D铬=（0.95-1.2）,h0=（0.45-0.65）H0，确保沿叶长1的硬化层深度从最小叶端厚度的8二（0.15-0.22）h0 到最大8 =（0.07-0.125）H0 中段叶片厚度;
对于区域III，其中ho/ Ho= 0.55-0.65，LH（SH）钢理想临界硬化直径D铬=（0.95-1.2）,h0=（0.55-0.75）H0，确保沿叶片长度1的硬化层深度从标称叶片末端厚度的8 =（0.15-0.22）h0 到最大叶片厚度的8 =（0.1-0.145）H0 在其中段。
2.2.根据权利要求1所述的汽车板簧，其特征在于，每个恒定横截面轮廓的工作表面的厚度大于8mm，并且可变轮廓叶片的最大中心厚度为0.45-0.65，但不小于8mm，由碳含量为0.4-0.8％的LH（SH）钢制成，并具有耐磨性具有## 1-5的针状结构，50...62HRC硬度和深度等于叶片厚度的0.07-0.22，核心结构为屈氏体，troosto-sorbite-sorbite，硬度为30-50HRC，＃10-14实际奥氏体晶粒。
3.2.如权利要求1所述的汽车板簧，其特征在于，厚度大于8mm的每个恒定横截面轮廓的工作表面和最大中心厚度为0.45-0.65但不小于8mm的可变轮廓叶片由LH制成。（SH）碳含量为0.4-0.8％的钢，具有硬化的织构马氏体结构，其具有＃1-5性能，50...62 HRC硬度和深度等于小于叶片厚度的0.22，塑性变形的表面，核心结构是部队Tite，troosto-sorbite-sorbite，硬度为30-50HRC，实际奥氏体粒度为＃10-14。
2.如权利要求1所述的汽车板簧，其特征在于，具有可变截面轮廓（厚度小于8mm）和恒定轮廓（小于8mm）的弹簧片薄端部可以通过硬化生产，以形成回火马氏体或回火马氏体。表面层的硬度为45-60HRC，核心结构为trostico-martensite，##1-5针尖和＃10-14实际奥氏体晶粒，LH钢中碳含量为0.2-0.4％。
5.2.如权利要求1所述的汽车板簧，其特征在于，具有可变截面轮廓（厚度小于8mm）和恒定轮廓（小于8mm）的弹簧片薄端部可以通过硬化生产，以在表面层中形成回火马氏体。根据权利要求3所述的核心结构为troosto-martensite，其表面层不超过
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资料编号：[1476]
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