某電動(dòng)汽車懸置支架安裝螺栓斷裂的分析與解決

宋子華，曹玲玲，劉愛石

（寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司，浙江 寧波 315336）

引言

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)為整車動(dòng)力源，懸置作為動(dòng)力總成與車身底盤彈性連接的重要組成部分，不僅具有承載動(dòng)力總成重力的功能，還具有隔離驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和高頻噪聲向車體的傳遞，懸置螺紋接頭質(zhì)量的可靠性嚴(yán)重影響整車質(zhì)量。本文就某車型懸置支架安裝螺栓在耐久中的斷裂問題展開分析及解決，為該類問題提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 信息簡述

某新能源電動(dòng)車左懸置支架與驅(qū)動(dòng)電機(jī)由規(guī)格為M12*80，性能等級(jí)為10.9的細(xì)桿螺栓（六角法蘭面帶墊片）連接，被連接件間由一個(gè)摩擦面抵抗橫向載荷，結(jié)構(gòu)如圖1所示。初始設(shè)定擰緊扭矩為110Nm±10Nm，承受外載荷為11667N的橫向載荷。

圖1 螺紋連接結(jié)構(gòu)示意圖

2 螺栓失效分析

螺栓斷裂的直接原因主要有三種：（1）松動(dòng)導(dǎo)致斷裂；（2）過擰或者過載導(dǎo)致斷裂；（3）螺栓質(zhì)量問題導(dǎo)致斷裂，可通過失效件分析進(jìn)行判定。通過對斷裂件長度尺寸進(jìn)行測量，確認(rèn)斷裂面位于支架與電機(jī)配合接觸面處，如圖2所示。

圖2 斷裂位置示意圖

對斷件外觀進(jìn)行分析，斷口附近無明顯縮頸及宏觀塑性變形現(xiàn)象，如圖3所示，排除螺栓過擰或過載斷裂。

圖3 外觀分析示意圖

對斷件宏觀斷口進(jìn)行分析，從宏觀斷口形貌可以看出，斷口由裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)三部分組成，其中裂紋擴(kuò)展區(qū)紋理較平坦，瞬斷區(qū)紋理較粗糙，呈雙向疲勞斷裂特征，如圖4所示。

圖4 宏觀斷口示意圖

對裂紋源微觀斷口形貌進(jìn)行分析，裂紋源區(qū)已發(fā)生擠壓磨損，且未見明顯加工缺陷，如圖5所示。

圖5 微觀斷口（裂紋源）示意圖

對裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀斷口形貌進(jìn)行分析，裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀斷口形貌呈疲勞斷裂特性，如圖6所示。

圖6 微觀斷口（裂紋擴(kuò)展區(qū)）示意圖

對瞬斷區(qū)微觀斷口形貌進(jìn)行分析，瞬斷區(qū)的微觀斷口形貌為韌窩形貌，如圖7所示。

圖7 微觀斷口（瞬斷區(qū)）示意圖

從微觀斷口形貌分析可以得出與宏觀斷口分析一致的結(jié)論，該螺栓呈雙向疲勞斷裂特征。即松動(dòng)后，在外部載荷的作用下，螺栓雙向受力導(dǎo)致的斷裂。

3 螺紋連接系統(tǒng)松動(dòng)分析

在對相配件的質(zhì)量符合性排查中發(fā)現(xiàn)，支架襯套內(nèi)芯結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，在與電機(jī)配合面一側(cè)增加了一層限位鈑金。該連接結(jié)構(gòu)在車輛運(yùn)行時(shí)，由電機(jī)與支架接觸面的摩擦力抵抗外部橫向載荷，由于增加了一層限位鈑金導(dǎo)致接觸面由鋁-鋁接觸變?yōu)榱虽X-鈑金接觸，接觸面摩擦系數(shù)發(fā)生了改變，在同樣的預(yù)緊力下，接觸面摩擦力會(huì)發(fā)生改變。

通過試驗(yàn)對比兩者的摩擦系數(shù)差異，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示，施加30kN正壓力（FN），再從0開始持續(xù)緩慢施加力，直至中間試驗(yàn)件滑動(dòng)，記錄完整試驗(yàn)曲線，試驗(yàn)曲線如圖9所示，從曲線識(shí)別滑移點(diǎn)，對應(yīng)的力值即為滑移力（F）。

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

圖9 試驗(yàn)曲線

通過滑移力和正壓力按下式即可計(jì)算出摩擦系數(shù)。

鋁-鋁接觸面試驗(yàn)樣本5件，計(jì)算摩擦系數(shù)如表1所示。

表1 鋁-鋁接觸面摩擦系數(shù)

鋁-鈑金接觸面試驗(yàn)樣本5件，計(jì)算摩擦系數(shù)如表2所示。

表2 鋁-鈑金接觸面摩擦系數(shù)

從表1和表2對比發(fā)現(xiàn)，鋁-鋁接觸面的摩擦系數(shù)是鋁-鈑金接觸面摩擦系數(shù)的2.3倍，也就是說在同樣的預(yù)緊力下，鋁-鋁接觸面能抵抗橫向力的大小約為鋁-鈑金接觸面的2倍以上。

該結(jié)構(gòu)承受11667N的橫向外載荷，受力面為一個(gè)摩擦面。基于德國標(biāo)準(zhǔn)VDI 2230[1]，按兩種摩擦面均值水平計(jì)算，鋁-鋁接觸面需要的最小預(yù)緊力為33.3kN；鋁-鈑金接觸面需要的最小預(yù)緊力為77.8 kN。

通過超聲波方法測量螺栓預(yù)緊力[2]，該螺紋連接系統(tǒng)在安裝扭矩110Nm±10Nm下預(yù)緊力為40.1kN-63.7kN，大于鋁-鋁接觸面的預(yù)緊力要求，小于鋁-鈑金接觸面的要求，也就是說當(dāng)接觸面為鋁-鋁接觸時(shí)，能抵抗住橫向外載荷，不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)問題，當(dāng)接觸面為鋁-鈑金接觸面時(shí)，該螺紋連接系統(tǒng)無法抵抗橫向外載荷，會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)。

對該螺紋連接系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，取消限位鈑金，在懸置支架上增加限位點(diǎn)，接觸面為鋁-鋁接觸。同樣在110Nm±10Nm的安裝扭矩下，數(shù)輪耐久試驗(yàn)未出現(xiàn)松動(dòng)、異響、斷裂的問題，改善有效。

4 結(jié)語

汽車螺紋連接系統(tǒng)出現(xiàn)螺栓斷裂失效的問題后，可以通過失效分析，確認(rèn)螺栓的失效模式，即松動(dòng)導(dǎo)致斷裂、過擰或者過載導(dǎo)致斷裂、螺栓質(zhì)量問題導(dǎo)致斷裂，再針對性地解決。

作用在汽車螺栓連接系統(tǒng)被連接件上的外載荷，靠被連接件接觸面的摩擦力抵抗，改動(dòng)被連接件的結(jié)構(gòu)時(shí)需要重點(diǎn)分析及驗(yàn)證。