某特種車輛輪輞螺栓斷裂原因分析

楊圣俊，路修強

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

0 引言

車輪行駛系統(tǒng)是車輛的重要組成部分，起到支撐全車質(zhì)量、直接緩和路面沖擊，并通過與路面的附著率和摩擦率使車輛有制動和驅(qū)動的作用[1]。輪輞是在車輪上安裝和支撐輪胎的部件，按照結(jié)構(gòu)類型可分為深槽輪輞、平底輪輞、對開式輪輞，其中對開式輪輞多用于重載車輛。某特種車輛使用對開式輪輞，內(nèi)寬外窄的結(jié)構(gòu)，通過均布輪輞夾緊螺栓連接緊固[2]。

該特種車輛在路試試驗時檢查發(fā)現(xiàn)三橋右側(cè)一根輪輞夾緊螺栓斷裂，斷裂位置位于螺桿與螺帽的根部，如圖1所示。針對輪輞夾緊螺栓斷裂問題，通過對螺栓設(shè)計、制造、裝配的分析，來定位輪輞螺栓斷裂的原因。

圖1 夾緊螺栓斷裂

1 輪輞結(jié)構(gòu)介紹

該特種車輛輪輞采用對開式輪輞(如圖2所示)，由內(nèi)輪輞體和外輪輞體兩部分通過輪輞夾緊螺栓連接組成[3]，根據(jù)汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)控制夾緊螺栓的預(yù)緊力矩，確保連接的可靠性。輪輞夾緊螺栓強度等級為10.9級。

圖2 輪輞夾緊螺栓安裝剖視圖

2 原因分析

針對該特種車輛輪輞夾緊螺栓斷裂質(zhì)量問題，分析主要有以下原因：

2.1 設(shè)計強度不滿足要求

通過ANSYS受力分析計算螺栓最大應(yīng)力值為255.36 MPa，如圖3所示，出現(xiàn)在螺栓根部位置。輪輞夾緊螺栓強度為10.9級，查手冊可得螺栓屈服強度為900 MPa。通過計算可得螺栓安全系數(shù)為3.52，適合于2.5～4倍安全系數(shù)的要求[4]，證明該螺栓的設(shè)計強度滿足使用要求。

圖3 輪輞夾緊螺栓受力分析

2.2 材料缺陷

當(dāng)材料表面存在裂紋，在緊固件加工后裂紋沒有去除或在成型過程中導(dǎo)致裂紋的擴展，均會造成緊固件表面裂紋。根據(jù)磁粉探傷出具螺栓的失效分析結(jié)論：斷面未見材料缺陷存在，如圖4所示。

圖4 磁粉探傷

2.3 熱處理硬度不符合要求

輪輞夾緊螺栓強度等級為10.9級。斷裂的輪輞夾緊螺栓的硬度檢測如圖5所示。

圖5 硬度測試

根據(jù)GB 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》中對10.9級螺栓的力學(xué)性能中洛氏硬度要求為HRC 32～39，如表1所示，輪輞夾緊螺栓的調(diào)質(zhì)硬度在力學(xué)性能要求范圍內(nèi)，屬于正常，排除了熱處理硬度不符合要求的原因。

表1 輪輞夾緊螺栓硬度HRC測量結(jié)果

2.4 表面處理不當(dāng)

在表面處理過程中，由于工藝或控制不當(dāng)，導(dǎo)致缺陷時有發(fā)生，主要有氫脆現(xiàn)象。對螺栓斷口進行觀察，無白點裂紋，無氫脆現(xiàn)象。對斷裂螺栓進行檢測分析：夾緊螺栓的斷式為疲勞斷裂，斷面未見材料缺陷存在。輪輞夾緊螺栓是疲勞斷裂，不屬于脆性斷裂，并且螺栓未出現(xiàn)表面氫脆現(xiàn)象。

2.5 螺栓安裝不到位

在安裝輪輞夾緊螺栓時，如果輪輞夾緊螺栓安裝時與輪輞中心有偏角，導(dǎo)致輪輞夾緊螺栓的安裝面沒有與輪輞安裝面貼合，產(chǎn)生一定縫隙，使輪輞夾緊螺栓的頭部產(chǎn)生附加彎矩[6]，使其應(yīng)力集中，在行車過程交變載荷的作用下導(dǎo)致輪輞夾緊螺栓頭部斷裂。復(fù)查裝配現(xiàn)場，用定人、定機、定工序的裝配原則進行生產(chǎn)裝配。輪輞夾緊螺栓安裝不到位是偶發(fā)性裝配失誤造成的，因此螺栓安裝不到位的原因無法排除。

2.6 擰緊力矩過大

螺栓在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下產(chǎn)生緊固作用而承受拉應(yīng)力，如果扭轉(zhuǎn)應(yīng)力過大就會在危險截面處或應(yīng)力集中處萌生微裂紋或細(xì)觀裂紋，太大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力甚至?xí)孤菟òl(fā)生塑性扭斷或脆斷。現(xiàn)場對輪輞夾緊螺栓的擰緊力矩進行復(fù)測，均滿足擰緊力矩要求。

3 機制分析

將失效螺栓置于掃描電鏡下進行觀察，如圖6所示。

圖6 光學(xué)放大鏡照片

源區(qū)及附近擴展區(qū)顏色與斷面其他區(qū)域存在差異，呈灰黑色，銹蝕附著物較其他斷面更多，且在與其他斷面擴展區(qū)交界處可見明顯的止裂弧線。表明該區(qū)域應(yīng)為陳舊損傷區(qū)域，源區(qū)、陳舊損傷區(qū)及其他擴展區(qū)均呈疲勞條帶形貌。

斷裂口宏觀形貌具有放射狀的撕裂棱線，如圖7所示。

圖7 疲勞源區(qū)微觀

擴展區(qū)中的疲勞條帶形貌出現(xiàn)滑移痕跡，解理臺階層狀組織如圖8所示。

圖8 疲勞擴展區(qū)微觀

終斷區(qū)剪切韌窩形貌如圖9所示。

綜合分析認(rèn)為：夾緊螺栓的斷裂模式為疲勞斷裂。

估算輪輞夾緊螺栓不正常安裝狀態(tài)下的最大傾斜角度約為0.87°，通過ANSYS受力分析計算出輪輞夾緊螺栓的最大應(yīng)力1 095 MPa，最大應(yīng)力部位位于螺栓根部圓角處，與失效分析一致。從圖10看出：在施加周期性的交變載荷144次時，螺栓根部出現(xiàn)失效斷裂源。

圖9 疲勞瞬斷區(qū)微觀

圖10 斷裂源區(qū)應(yīng)力和疲勞壽命分析

4 結(jié)論

針對輪輞夾緊螺栓斷裂問題，通過失效主要原因3大方面6個因素進行斷裂分析，利用此模式分析螺栓斷裂問題速度更快、目標(biāo)性更強。

斷裂輪輞夾緊螺栓分析結(jié)果表明：螺栓本身材料和結(jié)構(gòu)足以滿足10.9級強度和硬度要求，斷裂方式主要是螺栓安裝不到位，在預(yù)緊力和橫向推力作用下導(dǎo)致螺栓根部應(yīng)力過大疲勞斷裂。