微車自動張緊輪緊固螺栓斷裂分析

韋耀華

摘 要：本文針對公司某車型自動張緊輪螺栓斷裂問題，通過緊固件質(zhì)量檢測 ，模擬裝配分析，SEM、金相檢測，硬度檢測等理化分析，發(fā)現(xiàn)張緊輪螺栓螺牙附近初始的微裂紋是造成螺栓斷裂的誘因，此外被連接件的平面度超出規(guī)定要求，也是造成螺栓最終斷裂的原因。

關(guān)鍵詞：張緊輪；螺栓；微裂紋；平面度

中圖分類號：TH131 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

張緊輪用于汽車傳動系統(tǒng)的皮帶張緊裝置，主要由固定殼體、張緊臂、輪體、扭簧、滾動軸承等組成，如圖1所示為張緊輪的示意圖及實(shí)物圖，張緊輪能根據(jù)皮帶的不同松緊程度自動調(diào)整張緊力，其工作狀態(tài)直接影響汽車傳動系統(tǒng)運(yùn)行的安全平穩(wěn)性。某汽車生產(chǎn)企業(yè)自2015年3月份，遇到多例自動張緊輪緊固螺栓斷裂問題。表1為其中兩例張緊輪螺栓斷裂的售后信息。圖2為斷裂螺栓樣件。張緊輪螺栓規(guī)格為M10x1.25x75六角法蘭面螺栓，強(qiáng)度等級為10.9級，材料為SCM435，硬度要求為32-39HRC。為了找出造成螺栓斷裂的原因，提高整車質(zhì)量。對張緊輪螺栓進(jìn)行了相應(yīng)的檢測。

1.斷裂零件整體外觀檢查

首先從外觀觀察張緊輪緊固螺栓斷裂情況，如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）所示張緊輪螺栓斷裂處均位于螺紋旋合第一牙位置處，螺桿部分和螺牙部分有明顯磨痕，螺桿根部具有擠壓痕跡。初步驗(yàn)證是由于預(yù)緊力不足導(dǎo)致螺栓松動。

2.理論計(jì)算

張緊輪受主要外力來源為皮帶給張緊輪的力，其最大值為1230N，如圖4所示，將此力等效轉(zhuǎn)換為作用在o點(diǎn)（螺栓處）的徑向力F徑向和轉(zhuǎn)矩M：

螺栓處受到的力F徑向=1230N，轉(zhuǎn)矩M=67.65N·m

連接面之間的夾緊力要保障，張緊輪在F徑向力作用下不發(fā)生滑移，在轉(zhuǎn)矩M作用下不發(fā)生轉(zhuǎn)動。

按照不滑移條件確定

在橫向力FPH的作用下，連接結(jié)合面間可能產(chǎn)生滑移。為防止滑移，其結(jié)合面間的摩擦力必須大于橫向載荷，該摩擦力由剩余預(yù)緊力產(chǎn)生，并考慮軸向力FPV對預(yù)緊力的影響，得出被連接件不滑移的條件為：

綜合上面兩個計(jì)算結(jié)果，兩者較大的為螺栓需要提供的最小預(yù)緊力為23.5kN。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》中扭矩計(jì)算公式T=KFD，扭矩系數(shù)K經(jīng)過扭矩夾緊力試驗(yàn)測得為0.17，則張緊輪螺栓緊固所需要的最小扭矩：

TMIN=KF0D=0.17×23.5×10=40N·m

最大扭矩由螺栓的屈服扭矩確定，經(jīng)螺栓實(shí)測為100N·m，即張緊輪緊固螺栓擰緊時(shí)所需要的最小扭矩為40N.m，螺栓能承受的最大扭矩為100N·m。張緊輪螺栓的設(shè)計(jì)扭矩為45-55N·m滿足使用要求。將零件按照車間50N·m的擰緊扭矩進(jìn)行模擬裝配試驗(yàn)，測得螺栓的軸向夾緊力大于30kN，大于設(shè)計(jì)要求的最小加緊23.5kN的要求，能滿足使用。

3.螺栓質(zhì)量檢測

為了驗(yàn)證是否是螺栓本身質(zhì)量問題造成的螺栓斷裂，進(jìn)行了以下試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1螺栓斷口分析（SEM）

將斷口置于掃描電鏡下觀察，圖5是裂紋源區(qū)低倍形貌，斷裂截面是整體性的，斷口比較平整，沒有縮頸現(xiàn)象，螺栓發(fā)生了疲勞斷裂，白色箭頭是裂紋發(fā)展方向。疲勞源區(qū)占螺栓斷面圓周的1/2以上。對疲勞源區(qū)進(jìn)行放大如圖6（a）、圖6 （b）發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域具有“疲勞輝紋”的形貌特征，螺牙根部具有裂紋缺陷，該裂紋缺陷是疲勞源；對疲勞過度區(qū)如圖6（c）放大發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域具有“疲勞輝紋”的形貌特征。終斷區(qū)如圖6（d）具有韌窩的形貌特征。綜合上述斷口SEM分析，斷口附近無明顯塑性變形，表明螺栓不是由過載引起的，該螺栓存在較長的裂紋缺陷，該裂紋缺陷處受到應(yīng)力集中，是疲勞源區(qū)，在外界載荷狀況下進(jìn)一步擴(kuò)展。

3.2表面質(zhì)量檢測SEM

（1）對斷裂的螺栓、裝配張緊輪后擰下來的螺栓以及未裝配過的新螺栓，進(jìn)行表面放大觀察，如圖7所示，3種螺栓均存在不同程度的初始裂紋、折疊紋等缺陷。螺栓螺牙表面質(zhì)量差。

4.金相檢測

將本次斷裂的螺栓，裝配后拆卸下來的螺栓，未使用的新螺栓制成金相試驗(yàn)，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。結(jié)果如圖8所示。

（a）斷裂的螺栓

螺栓金相檢測發(fā)現(xiàn)螺牙邊緣有裂紋，螺栓芯部是鐵素體與粒狀碳化物的機(jī)械混合物，即回火索氏體如圖8所示（c）且整體較為均勻，表面無明顯的脫碳和滲碳現(xiàn)象，屬于正常的調(diào)質(zhì)組織。但多處螺紋尖端發(fā)現(xiàn)細(xì)長微裂紋；綜合觀察新螺栓金相組織合格，但螺牙邊緣具有初始裂紋。

（b）接著對為使用過的新螺栓及裝配張緊輪拆卸下來的螺栓做金相檢測如圖9、圖10所示，發(fā)現(xiàn)與斷裂螺栓一樣，螺栓芯部組織為回火索氏體，組織較為均勻，但在螺紋牙邊緣具有初始裂紋缺陷。

綜上金相檢測，3種螺栓金相組織合格但是螺牙邊緣有微裂紋，微裂紋也許是導(dǎo)致緊固螺栓斷裂的原因。

5.硬度檢測

根據(jù)《GBT 3098.1-2010 緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》查得 10.9級螺栓硬度要求為32HRC～39HRC。

本次試驗(yàn)對斷裂的螺栓、裝配使用過的螺栓以及新螺栓進(jìn)行硬度檢測，相關(guān)檢測數(shù)據(jù)見表2，所有狀態(tài)螺栓的硬度均合格。（測試其洛氏硬度，載荷1471N保載15s，結(jié)果顯示，斷裂螺栓的平均硬度值為 ，符合技術(shù)要求的32-39HRC。相關(guān)參數(shù)見表2。

6.疲勞檢測

對該批次的未使用過的新螺栓按照疲勞試驗(yàn)要求GB/T13682，對樣件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表3）：（1）試驗(yàn)1 按照軸向力30kN，應(yīng)力幅3kN、頻率60Hz對張緊輪螺栓進(jìn)行軸向疲勞試驗(yàn)，螺栓在44.88萬次發(fā)生斷裂，遠(yuǎn)低于500萬次的螺栓疲勞試驗(yàn)要求。（2）試驗(yàn)2 按照軸向力30kN、應(yīng)力幅2.5kN、頻率60Hz進(jìn)行軸向疲勞試驗(yàn)。螺栓在68.97萬次時(shí)發(fā)生斷裂，遠(yuǎn)低于500萬次的螺栓疲勞試驗(yàn)要求。endprint

通過疲勞試驗(yàn)，可以判定這批次螺栓不符合螺栓疲勞試驗(yàn)要求，疲勞試驗(yàn)斷裂樣件如圖11所示。

7.張緊輪平面度檢測

綜合以上計(jì)算及檢測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)張緊輪螺栓的扭矩設(shè)定，金相組織、硬度等都符合要求，但是螺栓表面質(zhì)量較差，螺栓的疲勞壽命也低于要求值。初步判定是螺栓螺牙的微裂紋導(dǎo)致螺栓應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞斷裂。

為了進(jìn)一步探究是否還有其他原因?qū)е戮o固螺栓斷裂，對模擬裝配后拆卸下的張緊輪進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)張緊輪螺栓法蘭面與張緊輪中間套筒之間有明顯摩擦痕跡，螺栓法蘭與張緊輪接觸面之間有摩擦鐵屑如圖12、圖13所示。螺栓的預(yù)緊力此時(shí)主要作用在張緊輪中間套筒上，螺栓與張緊輪套筒接觸面之間是線接觸而不是面接觸，接觸面較小，螺栓防松性能差，加速螺栓疲勞斷裂。此外張緊輪與鋁支架連接面上有被壓潰的壓痕如圖14、圖15所示，說明張緊輪連接面平面度不足，經(jīng)質(zhì)量部抽查兩件平面度分別為0.275與0.24，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的平面度0.1的設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

綜合上面檢測試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，張緊輪緊固螺栓的扭矩設(shè)定，金相組織、硬度等指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。造成張緊輪緊固螺栓斷裂因素主要有兩個，一是張緊輪緊固螺栓的表面質(zhì)量不好，有初始微裂紋及折疊紋等缺陷很可能是在搓絲階段工藝控制不當(dāng)，調(diào)制處理時(shí)冷加工產(chǎn)生的微裂紋在淬火應(yīng)力作用下進(jìn)一步擴(kuò)展造成。這些缺陷是疲勞源，導(dǎo)致張緊輪受力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低使用壽命，螺栓的疲勞試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。另外一個原因是該批次張緊輪的平面度不足，平面度大于設(shè)計(jì)要求，造成螺栓的應(yīng)力幅過大，同時(shí)平面度不足，在材料被壓潰產(chǎn)生壓痕后，會造成螺栓扭矩衰減，導(dǎo)致緊固件松脫，加速了螺栓的疲勞斷裂?？梢酝ㄟ^改善螺栓冷加工工藝，增加冷加工后螺栓的抽檢，進(jìn)行分析觀測是否有微裂紋等缺陷產(chǎn)生，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。另外對張緊輪平面度進(jìn)行檢測，改善張緊輪表面加工工藝，提高張緊輪平面質(zhì)量等措施，避免張緊輪螺栓疲勞斷裂的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 16823.2-1997，螺紋緊固件緊固通則[S].

[2]沈大茲.螺栓擰緊技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立[J].輕型汽車技術(shù)，2009（12）：13-22.

[3]GB/T 16823.3-2010，螺紋緊固件緊固通則[S].endprint