凸輪軸齒輪擰緊螺栓斷裂分析

王春雁 范創 王冬雁 紀靜

摘要：通過宏觀檢查、理化檢驗、裝配螺栓擰緊力矩的計算及調查，確定了某型發動機凸輪軸齒輪擰緊螺栓的斷裂原因。結果表明：螺栓裝配時擰緊力矩過大，遠遠超過螺栓最大許用擰緊力矩，使螺栓受到了剪切破壞，發動機高速運轉下進而受到振動、拉伸等應力作用下最終導致斷裂。

關鍵詞：凸輪軸齒輪擰緊螺栓；擰緊力矩；剪切破壞

The Camshaft Gear Screw Down Zhe Bolt Fracture Analysis

Abstract：Through macro examination,physical and chemical proerties testing，mounting bolt tightening torque calculation and investingation and so on. The results show that，when bolt tightening torque is too big ，far exceed the maximum allowable torque of the bolt，the bolt shear failure，engine under high speed and uibration by tensile stress and eventually lead to frature.

Keywords：the camshsft gear screw down the bolt；tightening torque；shear failure

某型柴油發動機工作30min時，發動機突然停機，后無法啟動。對該發動機拆卸后發現凸輪軸齒輪擰緊螺栓全部斷裂，螺栓共六個。螺栓規格為M8、10.9級，材料為40Cr鋼。為查找螺栓斷裂原因，預防斷裂再次發生，對該擰緊螺栓進行檢驗和分析。

1.理化檢驗

1.1斷口宏觀檢驗

六個螺栓均斷于距螺栓頭部第3、4扣螺紋處，斷裂部位有剪切痕跡，有輕微的拉長，斷口較平齊，無疲勞痕跡，未見疲勞紋。六個螺栓頭部均有與接觸面摩擦痕跡，其中5個螺栓磨痕面均較大，大約占總面積的2/3，1個螺栓的磨痕面較小，大約占總面積的1/3，且磨痕面積小的螺栓斷口處有碰傷，碰傷處有藍色磨痕，把此螺栓標為1號，其余5個螺栓依次為2到6號。斷口形貌見圖1。.

圖1

1.2化學成分

鋼材的化學成分在很大程度上決定了它的機械性能，因此對六個斷裂螺栓進行主要成分的檢測，檢測結果符合國家標準GB/T3077-1999 ，見表1。

表1斷裂螺栓的化學成分（質量分數）

Tab. 1Chemical compositions of the frature (mass) ％

編號 C Si Mn Cr S P

不大于

1 0.41 0.20 0.62 1.01 0.023 0.009

2 0.43 0.18 0.63 1.00 0.021 0.010

3 0.42 0.19 0.65 1.02 0.021 0.009

4 0.42 0.18 0.62 1.02 0.022 0.011

5 0.41 0.18 0.62 1.01 0.021 0.010

6 0.43 0.19 0.61 1.02 0.023 0.010

標準值 0.37~0.44 0.17~0.37 0.50~0.80 0.80~1.10 0.035 0.035

1.3機械性能

1.3.1 鋼材的機械性能是重要的質量指標，對斷裂螺栓同批購進的螺栓抽取5個螺栓進行拉伸和硬度檢測，檢測結果符合國家標準GB/T3098.1-2010,檢測結果見表2。

表2 螺栓拉伸及硬度檢測結果

Tab.2 Results of bolt tensile and hardness test

編號 屈服強度(Rel)Mpa 斷裂強度(Rm)Mpa 斷裂延伸率(A)% 硬度

HRC 備注

1 995 1080 10.0 33 實測值

2 1025 1130 9.5 35

3 1035 1132 9.0 33

4 1040 1145 9.0 35

5 1033 1137 9.5 36

≥940 ≥1040 ≥9.0 32~39 標準值

1.3.2 對6個斷裂螺栓進行硬度檢測，硬度為HRC32~36，符合國家標準GB/T3098.1-2010要求。

1.4 金相檢測分析，

1.4.1 非金屬夾雜物的檢測

對失效的斷裂螺栓在斷口處縱向取樣，經過磨、拋制樣，然后在Nephot金相顯微鏡100倍下觀察，根據國家標準GB/T10561-2005，斷裂螺栓基體的非金屬夾雜物級別為A1、B0、C0、D0.5，符合技術要求。

1.4.2 金相顯微組織的檢測

對斷裂螺栓橫剖縱剖取樣，取樣后磨、拋，然后用4%硝酸酒精侵蝕，侵蝕后在Nephot金相顯微鏡400倍下檢測顯微組織，組織均為均勻的回火索氏體，是正常的調質組織，見圖2。

圖2

2.螺栓擰緊力矩

進行螺栓最大許用擰緊力矩的計算：

Tmax=0.12RelAsd [1]

Tmax：最大許用擰緊力矩單位：Nm

Rel：屈服強度 （公稱）單位：Mpa

As:螺紋公稱應力截面積 單位：mm2

d:螺紋的公稱直徑單位：mm

As=

螺栓螺紋螺距：P1.25mm

螺栓原始三角形高度H H=0.866P=1.083mm

外螺紋小徑d1d1=d-2× H=6.65mm

外螺紋中徑= d-2× H=7.19mm

計算直徑 = d1- H=6.47mm

As==36.62 mm2

Tmax=0.12RelAsd=0.12×900[2]×36.62×8/1000=31.6Nm

通過計算得出螺栓最大許用擰緊力矩為31.6Nm。

一般實際采用擰緊力矩

T=0.8Tmax=0.8×31.6=25.3 Nm

到現場調查得知操作員工在裝配此六個螺栓使用的擰緊力矩為70 Nm，此規格螺栓的最小破壞扭矩為40Nm[3]，裝配實際擰緊力矩遠遠超過了螺栓最大擰緊許用力矩。

3.分析及結論

(1)從宏觀檢測此六個螺栓不是疲勞斷裂。其中1號螺栓頭部磨痕面積最小，且斷口處有碰傷和磨痕，后5個螺栓頭部磨痕面積較大且斷口形貌相似，因此判斷1號螺栓首先斷裂，隨后2~6號5個螺栓幾乎同時斷裂。

(2)螺栓經過化學分析、機械性能、金相檢驗，螺栓均符合要求，說明此批螺栓質量是合格的。

(3)螺栓斷裂的原因之一是擰緊力矩不足或擰緊力矩過大，擰緊力矩不足會導致螺栓松動，進而螺栓會發生疲勞斷裂。擰緊力矩過大會使螺栓受到剪切破壞，在高速旋轉的振動應力和拉伸應力下很快發生斷裂。六個螺栓的裝配過程中，實際擰緊力矩遠遠超過螺栓的擰緊許用力矩，使螺栓受到了剪切應力而被破壞，在隨后發動機高速運轉過程中又受到了大的振動、拉伸應力最終導致斷裂。

4.參考文獻

[1] 《機械設計手冊》

[2]GB3098.1-2000《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》

[3]GB3098.13-1996《緊固件機械性能 螺栓和螺釘的扭矩實驗和破壞扭矩 公稱直徑1~10mm》