車輪螺栓斷裂分析

郭克剛，李平平，楊勇新

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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生的原因與機理，提出了后期控制該故障發生的有效解決方法。通過本次故障分析，也為同類結構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，對于重型商用車后橋其功用是固聯輪轂、輪邊減殼、制動鼓及輪輞，并通過車輪螺母將車輪輪輞總成固定在后橋上，使車輪實現承載和傳遞動力的作用。車輪螺栓的服役質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而導致，對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緊力不足，導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為ML35CrMo鋼，規格為M22×1.5，性能等級為10.9級，熱處理狀態為調質處理，生產工藝為冷鐓、滾絲、熱處理、表面鍍鋅處理。在車輛行駛約1000余公里時發生了車輪螺栓斷裂，該輪胎共由10根螺栓固定，事故發生時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件裝配結構如圖1所示。

圖1 輪邊結構示意圖

1.1 宏觀和微觀觀察

為了確定車輪螺栓斷裂原因，對車輪螺栓斷口進行宏觀觀察分析，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磨損。車輪螺栓與輪轂過盈配合部分有明顯的微動磨損。

1.1.1電鏡觀察

為了進一步查找車輪螺栓的斷裂原因，采用掃描電鏡 (SEM) 對斷口形貌進行觀察，如圖4～6 所示。

圖4 斷口擴展區

圖5 螺栓表面微動磨損

經電鏡掃描，斷裂區無氫脆、雜質等制造缺陷。

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，螺栓表面微動磨損連通擴展形成大的微裂紋而構成裂紋源，這一裂紋源是在交變載荷作用下由表面向內部擴展而形成。

1.1.2理化分析

出現疲勞輝紋，表明斷裂時螺栓承受的應力較大[1]，最后斷裂面積較小，表明斷裂時螺栓承受的應力較小[2]。基于此沖突，通過對上述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，未見組織異常。化學成分也符合標準要求，見表1所示。螺栓芯部洛氏硬度HRC測定值為34.0、35.0、35.0，檢測結果符合10.9級螺栓要求。

表1 斷裂螺栓的化學成分（質量分數）

2 斷裂原因分析

對于疲勞裂紋擴展區較寬的螺栓（最初斷裂的部分螺栓）斷口，疲勞裂紋擴展區約占整個斷口面積的70%。這表明螺栓在使用過程中承受的應力較小，該螺栓的塑韌性較好，其斷裂性質屬于受力不均，局部存在應力集中，致使螺栓桿部受擠壓與微轉動產生了塑性變形及微動磨損，誘發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展的貝紋狀花樣特征，當疲勞條紋擴展到一定程度，即失穩擴展時發生瞬時斷裂，該斷裂形式為彎曲疲勞斷裂。

經分析，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（擴展區較寬）→單向彎曲疲勞（擴展區較窄）→瞬斷。

經以上分析，車輪螺栓的斷裂為車輪螺栓在驅動及制動工況時受到來自輪輞、輪邊減殼及制動鼓的周向力（車輪螺栓分度圓切線方向的力）在斷裂位置產生的彎曲應力所致。

經以上分析，導致車輪螺栓受到彎曲應力的根本原因為車輪螺母發生了松動。

在車輪螺母松退初期，車輪螺栓與輪邊減殼、制動鼓及輪輞在驅動工況與制動工況的接觸同時僅可能有2～4條螺栓，因此在此斷裂位置將產生遠超過車輪螺栓疲勞極限的彎曲應力，因而出現了車輪螺栓裂紋源的形成。隨著車輛進一步的運行，在交變載荷作用下，螺栓裂紋源處的裂紋不斷擴展、閉合，形成了疲勞裂紋。在交變機械應力的繼續作用下，疲勞裂紋進一步擴展，最終導致螺栓疲勞斷裂，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，擰緊順序錯誤，連接件間存在間隙，震動影響等造成[3]。排除人為操作錯誤及外在因素，其根本原因有：一是防松方法不可靠，二是預緊力不足。對于本文中提到的車輪螺母松退問題，由于該結構已得到市場充分驗證，可排除防松方法不可靠。

基于此，本文著重介紹關于連接件表面不平而引發預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平整。由于零件表面凸點的存在，因此，在安裝好緊固件時，被夾持零件局部小區域將發生永久的塑性變形，該變形主要出現在平面度較差一方。由于凸點的下陷，從而使螺栓的拉伸量縮短，軸力減小，出現螺栓松弛，即下陷松弛，此時在使用過程中將導致實際的螺栓預緊力不足而引發螺母松退。

該下陷松弛的存在，對于重要連接的動載荷而言，需要定期對螺母進行二次復緊，以消除螺紋副的松弛。

3.2 輪輞平面度對螺母松退的影響

國內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，當車輪螺母擰緊時，有相當一部分螺栓軸力用來克服輪輞的彈性變形，強迫輪輞與制動鼓接觸與壓平。在汽車轉彎或側滑等工況時，輪輞的部分面將進一步受到夾緊力，此時輪輞的彈性變形將轉變為塑性變形，原有的彈力衰退，這時螺栓的預緊力因彈力衰退而引發車輪螺母在使用過程中松退。

4 總結

實際使用過程中螺栓對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，并采用準確合理的擰緊力矩及擰緊方法對螺栓螺母的正常服役至關重要。

[1] 賈坤寧,王海東,姜秋月.高強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.金屬的力學性質[M].北京:冶金工業出版社.1982:114.

[3] 張弼偉,許家文.鋼結構高強螺栓松動原因分析及預防措施[J].工程建設,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].機械強度,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

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1671-7988(2018)20-63-03

U466

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1671-7988(2018)20-63-03

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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