車輪螺栓斷裂分析

郭克剛，李平平，楊勇新

?

車輪螺栓斷裂分析

郭克剛，李平平，楊勇新

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710021）

通過對(duì)某商用車后橋車輪螺栓斷裂問題分析，找出了車輪螺栓斷裂產(chǎn)生的原因與機(jī)理，提出了后期控制該故障發(fā)生的有效解決方法。通過本次故障分析，也為同類結(jié)構(gòu)的車輪螺栓斷裂問題分析與解決提供了思路。

車輪螺栓；彎曲疲勞；擰緊力矩

引言

車輪螺栓是車輛的重要緊固件，對(duì)于重型商用車后橋其功用是固聯(lián)輪轂、輪邊減殼、制動(dòng)鼓及輪輞，并通過車輪螺母將車輪輪輞總成固定在后橋上，使車輪實(shí)現(xiàn)承載和傳遞動(dòng)力的作用。車輪螺栓的服役質(zhì)量直接影響著汽車的性能及安全。往往，車輪螺栓斷裂主要由于車輪螺母松動(dòng)而導(dǎo)致，對(duì)于螺栓斷裂的形式多為疲勞斷裂，而引起疲勞斷裂的原因也多為螺栓預(yù)緊力不足，導(dǎo)致螺栓受外部變載荷過大，從而引起疲勞斷裂。

1 車輪螺栓斷裂分析

某商用車車輪螺栓材質(zhì)為ML35CrMo鋼，規(guī)格為M22×1.5，性能等級(jí)為10.9級(jí)，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理，生產(chǎn)工藝為冷鐓、滾絲、熱處理、表面鍍鋅處理。在車輛行駛約1000余公里時(shí)發(fā)生了車輪螺栓斷裂，該輪胎共由10根螺栓固定，事故發(fā)生時(shí)8根螺栓全部斷裂，斷裂位置大致相同。

該車輪螺栓斷裂橋的輪邊相關(guān)件裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪邊結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 宏觀和微觀觀察

為了確定車輪螺栓斷裂原因，對(duì)車輪螺栓斷口進(jìn)行宏觀觀察分析，見圖2所示。

從圖2螺栓的斷口表面形貌來看，螺栓的斷裂位置均位于車輪螺栓與輪轂過盈配合的端部，距螺栓端頭約20 mm，處于螺栓的光桿部分。斷裂位置見圖3所示。

圖3 車輪螺栓斷裂位置示意圖

從圖2可得，輪轂與輪邊減殼的接觸面有明顯的微動(dòng)磨損。車輪螺栓與輪轂過盈配合部分有明顯的微動(dòng)磨損。

1.1.1電鏡觀察

為了進(jìn)一步查找車輪螺栓的斷裂原因，采用掃描電鏡 (SEM) 對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察，如圖4～6 所示。

圖4 斷口擴(kuò)展區(qū)

圖5 螺栓表面微動(dòng)磨損

經(jīng)電鏡掃描，斷裂區(qū)無氫脆、雜質(zhì)等制造缺陷。

由圖2及圖5所示：靠近疲勞裂源，螺栓桿部外圓表面（與輪轂過盈配合段）可見凹坑及微裂紋，螺栓表面微動(dòng)磨損連通擴(kuò)展形成大的微裂紋而構(gòu)成裂紋源，這一裂紋源是在交變載荷作用下由表面向內(nèi)部擴(kuò)展而形成。

1.1.2理化分析

出現(xiàn)疲勞輝紋，表明斷裂時(shí)螺栓承受的應(yīng)力較大[1]，最后斷裂面積較小，表明斷裂時(shí)螺栓承受的應(yīng)力較小[2]?；诖藳_突，通過對(duì)上述2#螺栓斷口的成分、金相組織、硬度等方面分析，其車輪螺栓的組織為淬火高溫回火后的索氏體組織，金屬流線分布及夾雜物分布均未見異常，晶粒大小適當(dāng)，未見組織異常。化學(xué)成分也符合標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1所示。螺栓芯部洛氏硬度HRC測定值為34.0、35.0、35.0，檢測結(jié)果符合10.9級(jí)螺栓要求。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2 斷裂原因分析

對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)較寬的螺栓（最初斷裂的部分螺栓）斷口，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)斷口面積的70%。這表明螺栓在使用過程中承受的應(yīng)力較小，該螺栓的塑韌性較好，其斷裂性質(zhì)屬于受力不均，局部存在應(yīng)力集中，致使螺栓桿部受擠壓與微轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生了塑性變形及微動(dòng)磨損，誘發(fā)了螺栓表面磨損裂紋及斷口裂紋源的萌生。

車輪螺栓斷口有從裂紋源向螺栓徑向逐漸擴(kuò)展的貝紋狀花樣特征，當(dāng)疲勞條紋擴(kuò)展到一定程度，即失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)發(fā)生瞬時(shí)斷裂，該斷裂形式為彎曲疲勞斷裂。

經(jīng)分析，車輪螺栓的斷裂為依次斷裂，具體為：雙向彎曲疲勞→單向彎曲疲勞（擴(kuò)展區(qū)較寬）→單向彎曲疲勞（擴(kuò)展區(qū)較窄）→瞬斷。

經(jīng)以上分析，車輪螺栓的斷裂為車輪螺栓在驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)工況時(shí)受到來自輪輞、輪邊減殼及制動(dòng)鼓的周向力（車輪螺栓分度圓切線方向的力）在斷裂位置產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力所致。

經(jīng)以上分析，導(dǎo)致車輪螺栓受到彎曲應(yīng)力的根本原因?yàn)檐囕喡菽赴l(fā)生了松動(dòng)。

在車輪螺母松退初期，車輪螺栓與輪邊減殼、制動(dòng)鼓及輪輞在驅(qū)動(dòng)工況與制動(dòng)工況的接觸同時(shí)僅可能有2～4條螺栓，因此在此斷裂位置將產(chǎn)生遠(yuǎn)超過車輪螺栓疲勞極限的彎曲應(yīng)力，因而出現(xiàn)了車輪螺栓裂紋源的形成。隨著車輛進(jìn)一步的運(yùn)行，在交變載荷作用下，螺栓裂紋源處的裂紋不斷擴(kuò)展、閉合，形成了疲勞裂紋。在交變機(jī)械應(yīng)力的繼續(xù)作用下，疲勞裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂，并依次斷裂。

3 車輪螺母松退原因分析

螺母松退通常由于初始擰緊力矩不足，螺栓、連接件的污損，擰緊順序錯(cuò)誤，連接件間存在間隙，震動(dòng)影響等造成[3]。排除人為操作錯(cuò)誤及外在因素，其根本原因有：一是防松方法不可靠，二是預(yù)緊力不足。對(duì)于本文中提到的車輪螺母松退問題，由于該結(jié)構(gòu)已得到市場充分驗(yàn)證，可排除防松方法不可靠。

基于此，本文著重介紹關(guān)于連接件表面不平而引發(fā)預(yù)緊力不足造成車輪螺母松退的問題。

3.1 連接件的下陷松弛[4]

由于緊固件與被夾持零件之間的擠壓面不可能絕對(duì)平整。由于零件表面凸點(diǎn)的存在，因此，在安裝好緊固件時(shí)，被夾持零件局部小區(qū)域?qū)l(fā)生永久的塑性變形，該變形主要出現(xiàn)在平面度較差一方。由于凸點(diǎn)的下陷，從而使螺栓的拉伸量縮短，軸力減小，出現(xiàn)螺栓松弛，即下陷松弛，此時(shí)在使用過程中將導(dǎo)致實(shí)際的螺栓預(yù)緊力不足而引發(fā)螺母松退。

該下陷松弛的存在，對(duì)于重要連接的動(dòng)載荷而言，需要定期對(duì)螺母進(jìn)行二次復(fù)緊，以消除螺紋副的松弛。

3.2 輪輞平面度對(duì)螺母松退的影響

國內(nèi)部分車企要求輪輞平面度為0.4mm，而國外要求輪輞平面度為0.2mm。因輪輞不平，當(dāng)車輪螺母擰緊時(shí)，有相當(dāng)一部分螺栓軸力用來克服輪輞的彈性變形，強(qiáng)迫輪輞與制動(dòng)鼓接觸與壓平。在汽車轉(zhuǎn)彎或側(cè)滑等工況時(shí)，輪輞的部分面將進(jìn)一步受到夾緊力，此時(shí)輪輞的彈性變形將轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危械膹椓λネ?，這時(shí)螺栓的預(yù)緊力因彈力衰退而引發(fā)車輪螺母在使用過程中松退。

4 總結(jié)

實(shí)際使用過程中螺栓對(duì)輪輞等零部件的夾緊力不足是車輪螺栓斷裂的根本原因。

輪輞平面度不合格、使用后車輪螺母不復(fù)緊是造成車輪螺栓失效的主要原因。

有效的控制螺紋副扭矩系數(shù)，并采用準(zhǔn)確合理的擰緊力矩及擰緊方法對(duì)螺栓螺母的正常服役至關(guān)重要。

[1] 賈坤寧,王海東,姜秋月.高強(qiáng)度橋梁鋼焊接接頭疲勞性能的研究[J].金屬熱處理,2009,34:48-51.

[2] 何肇基.金屬的力學(xué)性質(zhì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社.1982:114.

[3] 張弼偉,許家文.鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓松動(dòng)原因分析及預(yù)防措施[J].工程建設(shè),2016,48（3）:64-67.

[4] 錢海挺,饒麗芳,韓愈琪.車輪螺栓夾緊力的影響因素分析[J].機(jī)械強(qiáng)度,2015,37(3): 440-444.

Analysis of Wheel Bolt Fracture

Guo Kegang, Li Pingping, Yang Yongxin

( Shaanxi Hande Cheqiao Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710021 )

Through the analysis of the fault problem of the wheel bolt of the rear bridge of a commercial vehicle, the causes and mechanism of the fault of the wheel bolt are found out, and an effective solution for controlling the failure is put forward. Through the fault analysis, it also provides some ideas for the fault analysis and solution of the similar structure.

wheel bolts; Bending fatigue; Tighten torque

A

1671-7988(2018)20-63-03

U466

A

1671-7988(2018)20-63-03

U466

郭克剛，就職于陜西漢德車橋有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.022