新能源客車電容支架安裝螺栓的斷裂原因分析

董新權, 楊冬梅(. 東風襄陽旅行車有限公司, 襄陽 44000; . 湖北省機電研究設計院股份公司, 武漢 430070)

新能源客車電容支架安裝螺栓的斷裂原因分析

董新權1, 楊冬梅2
(1. 東風襄陽旅行車有限公司, 襄陽 440100; 2. 湖北省機電研究設計院股份公司, 武漢 430070)

某新能源客車上的電容支架固定螺栓發生批量斷裂。通過對斷裂螺栓進行宏觀觀察、力學性能測試、金相檢驗、化學成分分析等，分析了其斷裂原因。結果表明：螺栓的斷裂為雙向彎曲疲勞斷裂；發生斷裂的主要原因是電容支架與車架連接結構設計不當，導致結構松動，使螺栓受到彎曲交變應力作用；次要原因是螺紋表面脫碳，降低了螺栓的疲勞強度。

電容支架；螺栓；雙向彎曲；疲勞斷裂；連接結構

某客車公司生產的長12 m新能源客車，行駛到8 000 km左右時，電容支架固定螺栓發生批量斷裂。螺栓斷裂導致電容固定松動，整車電控系統異常，電源切斷，整車無法行駛。

通過調查了解到，新能源客車一天需要運行260 km，行駛過程中有50 km顛簸路況。根據新能源客車的整體布局設計要求，電容必須安裝在客車車身后部，電容質量為150 kg。電容是新能源客車主要的零部件構成部分，電容支架固定螺栓是固定電容的主要部件。電容支架在客車上的安裝位置如圖1所示，電容支架固定螺栓的安裝示意圖見圖2。

圖1 客車上的電容支架外觀Fig.1 Appearance of the capacitor bracket of a passenger bus

圖2 電容支架固定螺栓的安裝圖Fig.2 Installation drawing of the fixed bolts of the capacitor bracket

圖2中，6 mm鋼板為電容支架底板，整個支架通過4個M8 mm×40 mm螺栓(性能等級為8.8級)與車身底架8 mm鋼板進行連接；在6 mm鋼板與8 mm鋼板之間有3 mm地板革和15 mm竹地板；車身底架8 mm鋼板上的螺紋孔，是通過先鉆直徑6.5 mm的通孔，然后用絲錐攻絲加工出M8 mm螺紋孔得到的；最后安裝螺栓，將電容支架固定。

為了查明該批螺栓的斷裂原因，防止此類問題的再發生，筆者對其進行了理化檢驗和綜合分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對兩件斷裂的電容支架固定螺栓進行了分析，這兩件斷裂的螺栓(圖3中的1號、2號)分別是兩臺客車上的。同時對兩件全新未使用的螺栓(圖3中的3號、4號)也進行了理化檢驗，用以與失效螺栓進行比較分析。由于兩件斷裂螺栓的另一半斷口卡在鋼板內不易取出，因此無法對另一半進行分析。從斷裂的螺栓殘件來看，實際測得兩件螺栓的斷裂位置距端部距離分別為30，27 mm。從結構圖上看，螺栓端部距8 mm鋼板上部的距離為27.5 mm(查手冊可知：平墊厚度為1.5 mm，彈墊厚度為2 mm)。由此可知螺栓的斷裂位置正好位于8 mm鋼板上邊緣附近。

圖3 4件螺栓的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the four bolts

兩件斷裂螺栓殘件頭部下方的幾扣螺紋可見有磨損和擠壓痕跡。螺栓表面鍍鋅，無污損，無銹蝕，兩件斷裂螺栓的斷口宏觀形貌見圖4～5。螺栓斷口平整，斷面無肉眼可見夾雜物，斷口無陳舊裂紋。斷面平整區隱約可見貝殼紋花樣的疲勞弧線。疲勞紋從兩側螺紋牙底表面開始向心部擴展至最終斷裂區，疲勞區占據整個斷口的大部分區域，終斷區面積很小，僅在靠近斷口邊緣處形成窄長的塑性撕裂區，螺栓斷口具有雙向彎曲疲勞斷裂特征[1-2]。

圖4 1號螺栓斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of the bolt 1

圖5 2號螺栓斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of the bolt 2

1.2 力學性能測試

對4件螺栓進行了力學性能測試，結果如表1所示。由結果可知，螺栓的強度和硬度已經超出了GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對8.8級螺栓的技術要求，達到了9.8級的要求。

表1 螺栓的力學性能測試結果Tab.1 Testing results of mechanical properties of the bolts

1.3 金相檢驗

對兩件斷裂螺栓的脫碳層深度和基體顯微組織進行了金相檢驗，結果如表2和圖6～7所示。由檢驗結果可知，螺栓基體的顯微組織正常，但全脫碳層的深度不符合GB/T 3098.1-2010的要求。

表2 斷裂螺栓的金相檢驗結果Tab.2 Metallographic examination results of the fractured bolts

圖6 1號螺紋脫碳形貌 50×Fig.6 Decarburization morphology at the screw of the bolt 1

圖7 1號螺栓基體顯微組織形貌 400×Fig.7 Microstructure morphology of matrix of the bolt 1

1.4 化學成分分析

該螺栓材料為45鋼，依據相應的實施細則和國家標準GB/T 20123-2006，GB/T 223.5-2008， GB/T 223.63-1988及GB/T 223.59-2008，對碳、硫、硅、錳、磷5種元素含量進行分析，結果見表3。從分析結果可見，除了碳、硅元素含量低于技術要求外，其余元素含量均符合技術要求。

表3 螺栓的化學成分(質量分數)Tab.3 Chemical compositions of the bolts (mass fraction) %

1.5 安裝結構分析

從圖2可見，電容支架為多層結構，6 mm鋼板上的螺栓安裝孔直徑為12 mm，地板革、竹地板以及8 mm鋼板上的螺紋孔，是通過先鉆直徑6.5 mm的通孔，然后用絲錐攻絲加工出M8 mm螺紋孔得到的。對8 mm直徑的螺栓來說，6 mm鋼板上的螺栓安裝孔直徑偏大，不利于被固定物的定位及螺栓緊固。

2 分析與討論

從宏觀形貌分析結果可知，螺栓斷口為疲勞斷口，疲勞裂紋從兩側螺紋牙底起源向心部擴展，說明螺栓斷裂為雙向彎曲疲勞斷裂。金相檢驗結果顯示，螺栓基體顯微組織正常，但螺紋表面脫碳明顯，全脫碳層深度超出標準要求。螺紋的脫碳會降低螺栓的疲勞強度，縮短螺栓的疲勞壽命[3-4]。

由圖2可知，螺栓連接的結構不是剛性結構，其中存在竹地板、地板革等柔性結構。地板革老化和竹地板受潮變形都是不可避免的，因此不能保證螺栓始終處于緊固狀況。在車輛行駛過程中，特別是在惡劣的路況條件下，如果沒有其他方式定位，僅靠4個M8 mm×40 mm螺栓兼帶有定位功能，并不能保證電容支架與車架之間不發生相對位移(或者說螺栓的定位能力不足)。如果位移發生，螺栓會受到彎曲交變應力。電容及電容支架總質量約150 kg，在車輛運行過程中必定會產生慣性力和振動。在復雜環境作用下，竹地板和地板革會老化變形，導致螺栓松動。螺栓松動又會增加電容和支架的慣性力，當這種振動和慣性力達到螺栓材料的屈服點附近時，就會導致螺栓快速破壞。因此導致螺栓發生疲勞斷裂的主要作用力來源于螺栓松動，支架滑移給螺栓施加了彎曲交變應力。

3 結論及建議

螺栓斷裂為雙向彎曲疲勞斷裂，斷裂原因有兩點。第一點主要原因為，電容支架與車架連接結構設計不當，非螺栓連接的穩定性結構，無法保證鎖緊力矩的穩定維持，導致結構松動；同時電容支架產生滑移，承受后續沖擊性脈動載荷時，螺栓會受到彎曲交變應力的作用而發生疲勞斷裂。第二點次要原因為螺紋表面脫碳，降低了螺栓的疲勞強度。

建議整車設計人員進一步改善電容支架與車架的連接結構，結合電動車的發展趨勢設計比較小巧的電容，減輕電容自身質量，同時質量部門也要注意檢驗螺栓的質量。

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Analysis on Fracture Reasons of the Capacitor Bracket Bolts of a New Energy Bus

DONG Xin-quan1, YANG Dong-mei2
(1. Dongfeng Xiangyang Touring Car Co., Ltd., Xiangyang 440100, China; 2. Hubei Mechanical and Electrical Research and Design Institute Co., Ltd., Wuhan 430070, China)

The capacitor bracket bolts of a new energy bus fractured. The fracture reasons of the bolts were analyzed by means of macroscopic observation, mechanical property testing, metallographic examination, chemical composition analysis, and so on. The results show that: the fracture mechanism of the bolts was biaxial bending fatigue fracture; the main reason of the fracture was that the design of the joint between the capacitor bracket and the frame was improper, which caused the loose structure and the bending alternating stress to the bolts; the minor reason was the decarburization on the surface of the screws, which decreased the fatigue strength of the bolts.

capacitor bracket; bolt; biaxial bending; fatigue fracture; joining structure

2016-06-14

董新權(1977-)，男，工程師，主要從事汽車制造工作，70675512@qq.com。

10.11973/lhjy-wl201703016

TG142.1

B

1001-4012(2017)03-0214-03