基于故障樹方法的重型汽車橫梁連接鉚釘斷裂問題分析及改進措施

宋曉波 安光樂

關鍵詞：故障樹;橫梁連接鉚釘;斷裂;改進

0 引言

重型汽車縱梁與橫梁的連接以螺栓連接、鉚接和焊接等形式為主，其中螺栓連接作為一種可拆連接，因其安裝與拆卸方便等特點，在特種汽車中應用廣泛。而鉚接作為一種工藝簡單、成本低廉的連接方式，在縱梁與橫梁的連接中也承擔著重要的角色。

在某重型汽車的加載試驗中，發生了支腿橫梁與縱梁連接處鉚釘斷裂事件。作為承擔重要任務的載體，重型汽車一旦在執行任務中發生如此嚴重問題，后果十分危險。本文針對重型汽車橫梁連接鉚釘斷裂問題，運用故障樹分析方法，進行故障原因的排查與定位，并制定了解決措施。

1 故障分析

1.1 故障描述

某重型汽車裝配完成后，進行加載試驗。對支腿實施整車滿載舉升試驗時，支腿橫梁與縱梁連接處的鉚釘發生了斷裂。經排查，單側的2 處鉚釘斷裂，橫梁與縱梁之間的接合面張開。

1.2 問題定位

以橫梁連接鉚釘斷裂為頂事件，建立故障樹如圖1 所示。根據故障樹，對橫梁連接鉚釘斷裂各因素進行分析。

1.2.1 X11——鉚釘與螺栓安裝先后順序不符合工序文件要求

根據車架制作工序文件的要求，應首先使用鉚釘將縱梁與橫梁連接，經檢驗鉚接質量可靠后，再進行螺接。經查現場操作記錄，該工序流程與工序文件一致，故此因素可排除。

1.2.2 X12——鉚釘制作過程不符合工藝要求

按照熱鉚操作規程的要求，穿釘、頂釘和鉚接均有嚴格的工藝流程。經查工作現場記錄，以上流程均符合工藝文件規定，故此因素可排除。

1.2.3 X21——鉚釘材料不符合要求

所用鉚釘材料為Q235 鋼。斷裂鉚釘從外觀、硬度、金相組織及化學成分進行理化檢驗，檢驗結果符合Q235 材料指標，故此因素可排除。

1.2.4 X22——鉚釘孔大小不符合要求

選用鉚釘直徑為15.0 mm，設計鉚釘孔尺寸為φ14.3 mm，自由公差。經查檢驗記錄，鉚釘孔實際加工尺寸為φ14.2 mm，符合公差要求。故此因素可排除。

1.2.5 X23——鉚接質量不符合要求

根據檢驗工藝文件要求，鉚接后需檢驗：鉚釘與母材貼合緊密;鉚釘頭無裂紋、無凹坑，中心與鉚釘桿同軸，邊緣完整。檢查檢驗記錄，鉚接完成后，以上項目均符合文件要求。故此因素可排除。

1.2.6 X31——頻繁變應力導致疲勞

經查看斷裂鉚釘，斷面出現在接合面處，痕跡較為光滑，并無疲勞弧線、疲勞條帶特征。由此可判斷斷裂性質并非疲勞斷裂，而是過載剪斷。故此因素可排除。

1.2.7 X32——支腿舉升試驗流程不符合要求

支腿舉升試驗規程中規定，試驗時應使左右兩側同時支起，避免單側受載嚴重。經查現場記錄，試驗流程與規定一致。故此因素可排除。

1.2.8 X41——縱梁與橫梁連接結構剛度與強度設計不足

此處結構為重型汽車縱梁與橫梁連接的典型結構，對于一般場合，其強度及剛度足夠滿足使用要求。由于此橫梁外接支腿，支腿實施舉升工作時，相當于車輛一半重量加載于支腿橫梁處，因此此處縱梁受扭轉嚴重，會使橫梁產生較大變形，進一步使連接件受過大載荷。故此因素難以排除[1]。綜上分析，由于“X41——縱梁與橫梁連接結構剛度與強度設計不足”因素的影響，鉚釘受到過大的剪切載荷，發生了過載剪斷。

2 結構及受力分析

橫梁上部使用鉚釘通過加強梁與縱梁上翼面連接，下部使用鉚釘和普通螺栓通過加強梁與縱梁下翼面連接[2]。對橫梁局部建模。建立橫梁、兩個支腿支架及兩段縱梁的模型，其中橫梁與縱梁靠橫梁上下平面左右布置的24 個φ15 鉚釘和8 個M16 普通螺栓進行連接，其余兩根橫梁與縱梁間以焊接形式模擬[3]。

根據支腿舉升試驗時的實際情況，兩支腿支點為縱梁向外740.0 mm 處，左右對稱，各承受豎直向上力125 000 N（圖2）。

經計算，鉚釘所受應力力414 MPa，超過鉚釘材料Q235 的屈服極限235 MPa。另外查看變形結果，發現此處橫梁發生嚴重的扭轉變形。

此計算結果與前文中確定的問題原因一致，表明該連接設計強度、剛度不足，橫梁變形較嚴重、鉚釘承受剪切載荷過大，導致鉚釘在結合面處發生斷裂破壞。

3 改進措施

考慮支腿舉升工況下，縱梁扭轉變形大，鉚釘受橫向力較大，因此對該處結構進行改進。改進措施如下（圖3）。

（1）將該處兩支腿支架的底部安裝板連為一體，以分擔橫向受力。

（2）將橫梁設計為箱形梁結構，并對該處縱梁上翼面與橫梁連接處進行加強，增強局部剛度，減小該處局部變形。

（3）將該處橫梁與縱梁連接使用的左右各4 個M16 普通螺栓更換為M16 鉸制孔用螺栓，使螺栓分擔一部分剪切載荷。對改進后的結構進行仿真計算，結果顯示，改進后鉚釘所受應力由414 MPa 降低至177 MPa，符合安全使用要求。因此以上改進措施能夠改善局部結構受力及變形情況，可以解決橫梁連接鉚釘斷裂問題。

4 結束語

本文利用故障樹方法結合有限元仿真手段，對橫梁連接鉚釘斷裂問題展開了分析，最終定位原因為縱梁與橫梁連接結構的強度、剛度設計不足導致鉚釘過載剪斷。通過增大結構的局部剛度與連接強度，最終解決了問題。