某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋螺栓斷裂分析與應(yīng)對(duì)措施

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的主軸承蓋螺栓，因裝配工藝欠優(yōu)以及服役過程中長(zhǎng)期承受交變載荷、沖擊載荷，容易發(fā)生疲勞失效。本文用斷口形貌檢查、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、金相檢測(cè)及非金屬夾雜物檢測(cè)等方法，對(duì)受檢斷裂螺栓進(jìn)行了全面分析，認(rèn)為該螺栓失效屬多源疲勞斷裂。其主要原因是汽車長(zhǎng)期過載行駛，使主軸承蓋螺栓在螺紋根部發(fā)生疲勞失效。另外，通過分析裝配工藝和模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：主軸承蓋螺栓；斷裂分析；疲勞失效；裝配工藝；過載行駛

中圖分類號(hào)：U464.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

主軸承蓋螺栓作為發(fā)動(dòng)機(jī)上的五大關(guān)鍵緊固件之一，連接著發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和軸承蓋（圖1）。其作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，能承受曲柄連桿產(chǎn)生的慣性力和氣體爆發(fā)力等復(fù)雜交變載荷，保證主軸承蓋與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體之間密封穩(wěn)固[1]。但是任何零部件的壽命總會(huì)受限于疲勞。長(zhǎng)期服役條件下的主軸承蓋螺栓，會(huì)在某個(gè)或某些高應(yīng)力部位產(chǎn)生損傷并逐漸積累，從而出現(xiàn)裂紋萌生和擴(kuò)展，以至于最后發(fā)生斷裂失效[2]。進(jìn)而，發(fā)動(dòng)機(jī)上的其他部件也會(huì)因此受損甚至報(bào)廢，可能帶來不小的經(jīng)濟(jì)損失以及人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

某已上市重型商用車，其柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的主軸承蓋螺栓出現(xiàn)偶發(fā)性斷裂故障，共計(jì)3 件（圖2）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到相關(guān)故障信息：車輛在行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異響，在維修廠對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)第2 和第3 道主軸蓋螺栓斷裂，而第1 道以及第4 ～ 7 道主軸承蓋正常。進(jìn)一步拆檢1 ～ 6 缸，確定無拉缸、拉瓦現(xiàn)象。該故障汽車的行駛里程在9.0 萬～ 9.5 萬km。追溯該車服役歷史，存在負(fù)荷重、工作強(qiáng)度大的現(xiàn)象，曾有過車輛動(dòng)力不足的故障記錄。

為了查清螺栓斷裂的原因，本文對(duì)斷件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以便采取有效對(duì)策對(duì)癥下藥，另外本文也可作為汽車檢修時(shí)現(xiàn)場(chǎng)快速初判螺栓故障和后續(xù)質(zhì)量問題分析的參考資料，以供行業(yè)技術(shù)人員參考借鑒。

1 試驗(yàn)與分析

該主軸承蓋螺栓的材質(zhì)為 SCM 435 材料， 規(guī)格為M14×118，性能等級(jí)為10.9 級(jí)，表面為錳系磷化并上某一型號(hào)防銹潤(rùn)滑油，摩擦系數(shù)技術(shù)要求為0.08 ～ 0.14。現(xiàn)場(chǎng)裝配采用扭矩轉(zhuǎn)角法，擰緊工藝為115.00 N · m+90°。

1.1 外觀檢查

受檢斷裂螺栓共3 件，每個(gè)斷裂螺栓的斷口均已被機(jī)油嚴(yán)重污染，目視無法看清斷口特征（圖3）。用適量無水酒精，采用超聲波除油法處理試樣30 min。除油后，試樣放在烘箱里烘干10 min。預(yù)處理后的斷口形貌效果如圖4 所示。

目視檢查斷裂螺栓（分別標(biāo)記為1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)），斷口位置分別為：1 號(hào)斷口位于螺紋收尾處；2 號(hào)和3 號(hào)斷口位于與缸體內(nèi)螺紋配合的第一扣螺紋處。3 個(gè)螺栓斷口都有明顯的剪切唇，與螺栓軸向呈約45°。其中1 號(hào)剪切唇處的螺紋相對(duì)于另外2 個(gè)，存在著輕微的橫向受力變形，而斷面剩余區(qū)域相對(duì)比較平整。所有斷面均存在著裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3 個(gè)區(qū)域。另外，斷裂處的螺紋并未出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。

1.2 低倍檢查

采用NV3 體視顯微鏡對(duì)3 個(gè)斷件的斷口進(jìn)行低倍形貌分析。因2 號(hào)和3 號(hào)斷件的斷口形貌相近，可任取其一。

經(jīng)檢查，1 號(hào)斷件的斷裂起始于螺紋牙底（圖5），斷面的剪切唇處呈暗灰色；其余區(qū)域，暗灰色與金屬色以接近1 ：1 的比例并存。1 號(hào)斷件的斷口呈現(xiàn)大量的金屬色，說明該區(qū)域存在橫向位移，發(fā)生過較為頻繁的擠壓摩擦。圖5 中A 區(qū)為裂紋源，B 區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，因斷面間反復(fù)摩擦的作用，貝紋線可見但已不太明顯，從剪切唇與斷面的交界可見貝紋線的大致形狀。C 區(qū)為瞬斷區(qū)，所占面積接近斷面的50%。由瞬斷區(qū)最大可推斷：與2 號(hào)斷件和3 號(hào)斷件相比，1 號(hào)斷件所受軸向力在某一階段有一個(gè)突增。也就是說，1 號(hào)斷件的斷裂可能晚于2 號(hào)和3 號(hào)斷件。

3 號(hào)斷件的斷面形貌顯示清晰（圖6）。同樣，斷裂起始于螺紋牙底部位。A 區(qū)為裂紋源，該區(qū)域可見有明顯的金屬光澤。B區(qū)（B1 和B2）為裂紋擴(kuò)展區(qū)，可見清晰的貝紋線，且貝紋線的間距隨著遠(yuǎn)離裂紋源而明顯增大。B1 區(qū)呈現(xiàn)淺灰色，B2 區(qū)呈現(xiàn)深灰色，且B2 區(qū)的粗糙程度明顯大于B1 區(qū)。C 區(qū)為瞬斷區(qū)。

1.3 電鏡掃描分析

用電鏡對(duì)3 號(hào)斷件的斷口進(jìn)行掃描分析。掃描A 至B1 區(qū)域，存在清晰的貝紋線。貝紋線以多裂紋源A 為中心，以相對(duì)平直的弧形向斷面芯部擴(kuò)展（圖7）。掃描B2 區(qū)域，可見很多韌窩，呈等軸狀（圖8）。掃描C 區(qū)，可見很多大小不一的等軸韌窩（圖9）。

綜上，斷口呈典型的多源疲勞特征，也有表現(xiàn)出一定的韌性，初步判定螺栓的失效為多源疲勞失效。

1.4 化學(xué)成分分析

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法》的檢測(cè)要求，用斯派克直讀光譜儀MAXx09-A 對(duì)斷裂螺栓（1 號(hào)斷件）的化學(xué)成分進(jìn)行分析（表1）。檢測(cè)結(jié)果顯示，斷裂螺栓化學(xué)成分符合Q/BQB 517—2019《冷鐓鋼盤條企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)SCM435 鋼的要求。

1.5 硬度檢測(cè)

用硬度計(jì)對(duì)斷裂螺栓（2 號(hào)斷件）的芯部及表面分別進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。檢測(cè)結(jié)果顯示，斷裂螺栓的硬度符合10.9 級(jí)螺栓的芯部硬度要求。從表芯硬度與要求比對(duì)可知，螺紋處無增碳。

1.6 非金屬夾雜物檢測(cè)

在2 號(hào)斷件靠近斷口的螺紋部分縱向取樣，試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨和拋光后檢查，按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，實(shí)際檢驗(yàn)A 法進(jìn)行評(píng)定級(jí)別（圖10），結(jié)果如表3 所示。檢測(cè)結(jié)果顯示，在螺栓螺紋斷口處，未發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的有害非金屬夾雜物以引起螺栓出現(xiàn)失效。

1.7 金相檢測(cè)

用金相法觀測(cè)斷件（1號(hào)斷件和2 號(hào)斷件）。對(duì)斷裂螺栓螺紋部分縱向沿直徑方向切開，磨拋后檢查。斷件螺紋牙型正常，未見其表面不連續(xù)性缺陷，螺紋牙底以圓弧過渡，螺紋處無折疊、無脫碳， 未發(fā)現(xiàn)螺紋表面存在白色的磷富集層（圖11 和圖12）。斷件螺栓的芯部組織正常，為均勻的回火索氏體組織和極少量的未溶鐵素體，等為1 級(jí)（圖13 和圖14）。

2 裝配工藝分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確保螺紋聯(lián)接的可靠性，僅僅關(guān)注螺栓本身的質(zhì)量還是不夠的。有時(shí)裝配工藝參數(shù)的欠優(yōu)也會(huì)成為螺紋聯(lián)接提前出現(xiàn)失效的重要因素之一。通過追溯該故障發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋螺栓的歷史裝配記錄，可知14 根螺栓當(dāng)時(shí)的擰緊扭矩值（表4）。

由表4 可知，第2 和第3 道主軸承蓋螺栓斷裂。該螺栓的裝配工藝是用扭矩轉(zhuǎn)角法，初始扭矩為115 .00 N · m，后轉(zhuǎn)角90°，對(duì)其的監(jiān)控范圍是180.00 ～ 270.00 N · m。簡(jiǎn)單分析表4 中擰緊扭矩，最小值為216.00 N · m，最大值為238.20 N · m。對(duì)此，認(rèn)為螺栓擰緊扭矩都落在監(jiān)控區(qū)間內(nèi)，一致性也相對(duì)較好。而該批次螺栓在前期研發(fā)驗(yàn)證階段，用超聲波測(cè)軸力法測(cè)得基于實(shí)際裝配條件下的靜態(tài)軸向力值如表5 所示。

表5 中的靜態(tài)軸力值是無法與表4 中的擰緊扭矩一一對(duì)應(yīng)的，但從整體上分析，軸向力和擰緊扭矩的范圍已定，對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)摩擦系數(shù)范圍也就確定了。為了更具說服力，以下通過試驗(yàn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。用摩擦系數(shù)性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)同批次完好螺栓進(jìn)行模擬裝配，試驗(yàn)條件依照國(guó)標(biāo)GB/T 16823.3—2010《緊固件 扭矩- 夾緊力試驗(yàn)》，并按115.00 N · m+90°擰緊。測(cè)試結(jié)果如表6 所示。

表4 中擰緊扭矩的平均值為226.57 N · m，表5 中的靜態(tài)軸向力平均值在91.02 kN。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來看，模擬試驗(yàn)測(cè)定的值能較好地再現(xiàn)實(shí)際狀態(tài)，可以確定現(xiàn)場(chǎng)裝配的實(shí)際摩擦系數(shù)在0.13 左右。但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，按115.00 N · m+90°裝配，螺栓可能存在未入屈服的狀態(tài)（圖15）。

而對(duì)于螺紋聯(lián)接的疲勞壽命而言，超彈性擰緊方式的螺紋聯(lián)接往往優(yōu)于彈性擰緊方式，特別是螺栓處在長(zhǎng)期承受復(fù)雜交變載荷的環(huán)境下。郭衛(wèi)凡等在《螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力與疲勞強(qiáng)度的討論》中提出，可以增大螺栓的預(yù)緊力來減小螺栓聯(lián)接的應(yīng)力幅，從而能提高螺紋聯(lián)接的有效疲勞強(qiáng)度[3]。若不需考慮拆卸后螺栓的重復(fù)使用，則螺紋聯(lián)接產(chǎn)生的預(yù)緊力可以達(dá)到甚至超過螺栓的屈服應(yīng)力。

出于這方面的考慮，不妨在初始扭矩不變的條件下，增大轉(zhuǎn)角幅度，由原先的90°增至120°，再通過用模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證適當(dāng)增大轉(zhuǎn)角的結(jié)果。為了更好地控制試驗(yàn)變量，本試驗(yàn)可與上文的模擬裝配試驗(yàn)共同進(jìn)行。螺栓過屈服后擰緊狀態(tài)曲線如圖16 所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7 所示。

由表7 中可知，轉(zhuǎn)角的增大一方面會(huì)使總扭矩和軸向力的均值都有所增加，但更是為了改善軸力散差，消除個(gè)別樣件未過屈服的狀態(tài)。比較表6 和表7 的數(shù)據(jù)，軸向力的極差由原來的4.65 kN減小至1.63 kN，明顯變小，優(yōu)化了螺栓擰緊狀態(tài)的一致性。另外，優(yōu)化方案可操作性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，也幾乎不帶來成本的增加。

3 斷裂原因分析與結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)，可以認(rèn)定螺栓的斷裂屬于多源疲勞失效。從斷口的形貌分析，目視檢查可見清晰的貝紋線，分布于斷面半徑的1/2 處；斷裂部位位于與缸體內(nèi)螺紋配合的第一扣螺紋處，也就是螺紋受力的第一扣處，該處螺紋承力最大[4]。螺栓疲勞源頭位于螺紋牙底，該部位是螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中最嚴(yán)重的地方[5]。用電鏡分析斷口，發(fā)現(xiàn)存在典型的疲勞輝紋。

對(duì)螺栓斷裂件的檢測(cè)分析，其化學(xué)成分、洛氏硬度以及表芯硬度比對(duì)等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。螺紋表面也未發(fā)現(xiàn)不連續(xù)性缺陷。從金相分析來看，螺紋部分無明顯脫碳，顯微組織正常，也未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的非金屬夾雜物缺陷。基于以上分析，得出螺栓本身的質(zhì)量沒有問題，不是本次斷裂的主要原因。

從該螺栓的服役工況上分析，主軸承蓋螺栓在正常的預(yù)緊狀態(tài)下，主要受軸向拉伸載荷。但批量螺栓在安裝時(shí)若散差過大，個(gè)別螺栓存在彈性區(qū)擰緊，再加上長(zhǎng)期承受曲柄連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力和氣體作用力等復(fù)雜交變載荷作用，以及惡劣環(huán)境下瞬時(shí)沖擊載荷的影響（如在汽車過載行駛情況下經(jīng)常性急加速），易出現(xiàn)提前發(fā)生松動(dòng)和疲勞失效的問題。

4 應(yīng)對(duì)措施

為了有針對(duì)性地改善螺栓的使用壽命，提高螺紋聯(lián)接的疲勞強(qiáng)度。本文提出以下幾點(diǎn)建議。

第一，對(duì)于整車配套（OEM）來說，優(yōu)化裝配工藝，增加轉(zhuǎn)角至120°，使螺栓都能在塑性區(qū)擰緊，軸向預(yù)緊力的分布更加集中。但還未解決的問題是，只憑有限次數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。后續(xù)需要現(xiàn)場(chǎng)裝配的再次驗(yàn)證和對(duì)線上裝配數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期監(jiān)控。

第二，對(duì)汽車維修廠來說，車輛每次運(yùn)行9 萬～ 10 萬km進(jìn)行二級(jí)保養(yǎng)時(shí)，應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋螺栓進(jìn)行檢查，確認(rèn)殘余扭矩和外觀狀態(tài)。對(duì)于殘余扭矩不足，能做到及時(shí)復(fù)擰加固。外觀檢查時(shí)，對(duì)于拆卸下來的螺栓，應(yīng)注意螺栓的頭部、導(dǎo)向部分以及螺紋各處是否有裂紋或凹痕，螺紋的牙齒形狀是否異常。若有異常情況，應(yīng)及時(shí)更換原裝新件。而且，螺栓擰緊因已過屈服點(diǎn)，螺紋已發(fā)生塑性變形，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)維修保養(yǎng)時(shí)，應(yīng)注意該螺栓拆卸后再次使用的次數(shù)不能超過2 次。

5 結(jié)束語

該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的主軸承蓋螺栓失效為多源疲勞斷裂。因個(gè)別螺栓擰緊后位于彈性區(qū)，在高頻振動(dòng)、瞬時(shí)沖擊的長(zhǎng)期作用下，存在預(yù)緊力先衰減后不足的可能，最終導(dǎo)致螺栓的螺紋根部發(fā)生疲勞斷裂。這也反映出車輛長(zhǎng)期超載使用，會(huì)對(duì)主軸承蓋螺栓的壽命帶來較大的負(fù)面影響。

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作者簡(jiǎn)介：

徐立軍，本科，工程師，研究方向?yàn)榫o固件產(chǎn)品的檢測(cè)和失效分析。