某型汽車懸置螺栓斷裂失效分析

徐子鳴，程濤

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

螺紋連接是汽車上最常用的連接方式之一，普通轎車上螺栓的用量大約為4000 個。一旦失效則影響車輛正常使用甚至危及人身安全，也會使用戶對品牌的口碑產生不良影響。

螺栓斷裂的原因大致有以下幾種：（1）螺栓質量問題，材料內有夾雜物，有加工工藝產生的刀痕，螺紋有微裂紋，氫脆；（2）裝配問題，連接件與螺栓產生干涉，接觸面有油污導致滑動，操作不規范導致預緊力過大或者不均；（3）外在原因，其他部件的振動導致松動；（4）選型問題，螺栓強度不足；（5）環境腐蝕，如輻射、海水、硫化物等。

某型汽車在試驗場進行強化道路試驗時，發動機右懸置螺栓與螺柱發生斷裂，針對該問題開展了各方面的研究與分析工作。

1 故障描述

根據試驗員反饋，試驗之前車輛檢查時發現螺栓預緊力衰減幅度比較大，進行了復緊，強化道路行駛不足300km 即發生了斷裂，遠未達到強化道路試驗完成6000km 里程的要求。螺栓與懸置支架、發動機正時罩蓋裝配關系如圖1 所示，螺栓與兩個雙頭螺柱均發生斷裂，斷裂位置在螺紋處如圖2 所示，有部分螺紋段殘留在發動機正時罩蓋螺紋孔內部，如圖3 所示。懸置支架下邊的凸臺嚴重變形，且螺栓與螺柱穿過的通孔內有明顯的螺紋壓痕，如圖4 所示。

圖1 裝配關系圖

圖2 斷裂螺栓與螺柱

圖3 發動機正時罩蓋

圖4 懸置支架

2 螺栓檢測

螺栓與螺柱的檢測項目和步驟一樣，以1#螺栓為例。

2.1 失效斷面分析

1#六角法蘭面螺栓斷面如圖5 所示，左邊小半圈呈鐘表刻度紋路，有明顯宏觀疲勞紋，為疲勞斷裂。用4%硝酸酒精溶液侵蝕，用掃描電鏡觀察，500 倍顯微組織為回火索氏體，如圖6 所示。

圖5 1#螺栓斷面

圖6 螺栓500 倍顯微組織

2.2 成分檢測

用光電直讀光譜儀確定螺栓成分，結果如表1 所示。通過對比發現，螺栓的化學成分符合GB/T 4336-2002 對SCM435 鋼成分的技術要求。

表1 螺栓的化學成分

2.3 力學性能檢測

2.3.1 硬度試驗

對斷裂螺栓和抽檢螺栓進行硬度檢測，結果如表2，滿足標準GB/T 228.1-2010 的要求。

2.3.2 金相檢測

對螺紋放大100 倍脫碳檢測，無增脫碳，滿足標準要求，具體檢測結果如表3 所示。

2.3.3 拉伸試驗

對抽檢螺栓進行抗拉強度試驗，結果如表4 所示，滿足標準GB/T 228.1-2010 要求。

表2 硬度試驗結果

表3 金相檢測結果

表4 拉伸試驗結果

2.4 螺栓檢測小結

通過對螺栓及螺柱質量的檢測，認為滿足標準要求，本次試驗產生斷裂的根本原因可以排除標準件質量問題。

3 有限元分析

觀察懸置支架，2#與3#螺栓孔內有與螺紋產生接觸干涉的痕跡。推測斷裂發生前螺栓與螺柱產生了松動，振動沖擊導致斷裂。為了更好地找到松動的原因，應用有限元技術CAE 分析進行了仿真模擬。

3.1 有限元建模

本次分析主要考察懸置支架的應力、應變及接觸面之間的摩擦力，忽略螺紋的細節部分，螺栓與殼體之間用節點重合連接在一起。螺帽與懸置支架、懸置支架與殼體之間做接觸，接觸對編號如圖7 所示。

圖7 接觸對示意圖

3.2 邊界條件

約束殼體截面123 自由度，在螺栓、螺柱上施加35000N預緊力（等效預緊扭矩70N·m），在懸置支架連接硬點施加載荷。

3.3 分析結果

懸置支架材料為A380， 根據供應商提供的檢測數據，屈服強度為164 ～170MPa，各工況的支架應力如表5 所示，已經超過材料屈服強度，預緊后支架應力如圖8 所示。

圖8 預緊后懸置支架應力

螺栓連接的基本原理是螺桿伸長后的回彈力，使被連接件緊密接觸在一起，接觸面之間的摩擦力足夠大才能保持相對位置固定。接觸面上的摩擦力輸出如表6 所示。

表5 各工況下應力及應變結果

表6 接觸面摩擦力

3.4 結果解析

3.4.1 預緊力衰減

螺栓擰緊后，軸向力衰減導致螺栓松動。螺栓松動可以分為旋轉與非旋轉松動兩類，非旋轉松動中被連接件的塑性變形是其中一個重要原因。從懸置支架的應力及應變結果可以看出，支架的塑性變形會導致支架的彈性回彈能力不足，螺栓的伸長量減小（軸向力減小），與試驗場反饋螺栓預緊力衰減嚴重的現象一致。支架的材料屈服強度不足，接觸面過小等因素都可能導致預緊力衰減。

3.4.2 接觸面滑動

從接觸面摩擦力輸出結果來看，支架凸臺與殼體之間的的接觸面承擔了絕大部分切向載荷。接觸面P5 在縱向工況10、11、22、23 中，摩擦力遠小于P4、P6 接觸面，說明螺栓布局接近一條直線不合理。

摩擦力的簡單公式為F=μ×Fn，μ 為連接件之間的摩擦系數，測得為0.28，Fn 按預緊力未衰減時35000N 計算，得到F=9800N。據試驗場反饋，復緊前力矩衰減至30N·m，則F=4200N，工況22 和工況23 中，1#螺栓與3#螺柱均可能滑動。從圖4 懸置支架螺栓孔的摩擦痕跡看，3#螺柱的滑動很明顯。

4 優化改進

4.1 優化方案

根據實際情況提出了三種改進方案：（1）削平支架下方的凸臺，材料改為QT450，如圖9；（2）削平支架下方的凸臺，材料改為AlSi7Mg0.6；（3）削平支架下方的凸臺，增加一個厚度為2mm 三孔墊片，如圖10。

4.2 優化結果

圖9 懸置直接凸臺削平

圖10 三孔墊片

以工況10 為例，優化方案結果如表9 所示。優化方案（3）最容易實施，在試驗場經過6000km 強化試驗后，檢測三個螺栓的殘余扭矩合格，如表10 所示。考慮到輕量化與最佳防松效果，最終采用了方案（2）并通過了試驗驗證。

表7 優化方案結果

表8 殘余扭矩測量結果

5 結語

本文從斷面檢查、力學性能檢測、工藝檢查、有限元模擬等各方面對螺栓斷裂原因進行了分析，查明支架的塑性變形導致預緊力衰減嚴重，在某些工況下使接觸面滑動引起螺栓疲勞失效。

有限元分析可以幫助檢測接觸面的摩擦力，為保證最低的軸向力提供數據支持。

增大接觸面、更換材料、增加墊片等優化方案證明可以有效地降低預緊力衰減，阻止螺栓斷裂失效的產生。