螺栓疲勞斷裂的案例分析

在車輛設(shè)計(jì)開發(fā)和售后實(shí)踐中，發(fā)生任何一個(gè)螺栓斷裂的問(wèn)題，對(duì)于工程師都是一個(gè)緊急事件，必須在極有限的時(shí)間內(nèi)：尋找出問(wèn)題發(fā)生的根本原因即Root Cause，解決問(wèn)題，讓開發(fā)試驗(yàn)順利進(jìn)行或者解決客戶抱怨，避免同類問(wèn)題的再次發(fā)生。

今天螺絲君，通過(guò)某車型油箱箍帶螺栓疲勞斷裂的實(shí)例分析過(guò)程，說(shuō)明當(dāng)螺栓連接失效時(shí)，雖然*后的失效形式表現(xiàn)為螺栓疲勞斷裂，但大多時(shí)候并不是螺栓的質(zhì)量有問(wèn)題，而是裝配過(guò)程中出了差錯(cuò)，使零件間的匹配不好，導(dǎo)致接頭在工作載荷下發(fā)生夾緊力的衰減，引起連接失效。

同時(shí)，提供一個(gè)解決問(wèn)題的思路，當(dāng)疲勞斷裂發(fā)生時(shí)，應(yīng)該從哪幾個(gè)方面著手？

01問(wèn)題描述

2021年12月，某車型在執(zhí)行比利時(shí)路的試驗(yàn)中，車尾部底盤處有咯吱、咯吱異響，檢查發(fā)現(xiàn)油箱箍帶固定螺栓斷裂。

02螺栓斷口分析

 當(dāng)螺栓斷裂的問(wèn)題發(fā)生后，首先，拿到斷裂的螺栓，判斷螺栓斷口的類型：疲勞斷裂，韌性斷裂還是螺栓缺陷斷裂。有經(jīng)驗(yàn)的工程師，可以目視做一個(gè)大致判斷，在等待試驗(yàn)室的斷口分析報(bào)告時(shí)間里，可以著手做原因分析工作。

下圖，是案例中的螺栓斷口電鏡分析圖片,結(jié)論和工程師的經(jīng)驗(yàn)判斷一致:螺栓斷面是疲勞斷裂。

 上圖疲勞斷口形貌，與下圖中的螺栓脆性斷口和螺栓缺陷斷口的形貌有極大區(qū)別。

 03疲勞斷裂原因分析

 01同類螺栓問(wèn)題追溯

 同一個(gè)螺栓，會(huì)用在不同的車型上，也會(huì)用在同一個(gè)車型的不同連接點(diǎn)上，排查問(wèn)題螺栓，一定要追溯先前的問(wèn)題報(bào)告，本案例中，螺栓已經(jīng)使用在35臺(tái)各車型的耐久試驗(yàn)車輛上,全部通過(guò)全程試驗(yàn)，均未出現(xiàn)螺栓斷裂。

工程師可以基本確定：連接點(diǎn)螺栓的設(shè)計(jì)和供應(yīng)商的質(zhì)量問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)不大。

02螺栓設(shè)計(jì)校核

a. 連接螺栓為M10，8.8級(jí)，擰緊扭矩T=40NM，,單個(gè)螺栓的*小軸向緊固力FM=14.5KN。

可根據(jù)下列公式計(jì)算：

T-擰緊力矩；Fm-預(yù)緊力；P-螺距；d2-螺紋中徑；dh-被聯(lián)接件螺栓孔直徑;dw-螺母或者螺栓法蘭的支承直徑;u=摩擦系數(shù)。

 b. 燃油系統(tǒng)總重力G總=717.85N，單個(gè)螺栓受到的重力G=717.85/4≈180N。 c. 單個(gè)螺栓處軸向極限加速度產(chǎn)生的沖擊力：Fz1=（62+9.5+1.75）/4*10*9.8=1794N。 d. 油箱單個(gè)螺栓受到的重力與沖擊力之和為：1794N+180N=1974N2KN。 e. 單個(gè)螺栓提供的橫向摩擦力：Ft=0.15(14.5-2)=1.875KN,按照橫向加速度a=5g計(jì)算，單個(gè)螺栓所受到的橫向力Fa=717.85/4×5=0.9KN，在極限情況下Ft〉Fa。 綜合上述：螺栓及擰緊力矩，可以滿足使用要求。

03螺栓質(zhì)量檢測(cè)

螺栓疲勞斷裂的案例分析

04被連接件的設(shè)計(jì)校核

如果螺栓在連接的時(shí)候,被連接件因?yàn)樵O(shè)計(jì)和制造的原因而沒有穩(wěn)定的緊密接觸，即使暫時(shí)達(dá)到了預(yù)期的扭緊力矩，在有外力沖擊下，連接面很快松動(dòng)，螺栓軸力就會(huì)消失，使連接失效，螺栓的疲勞斷裂很快。 校核螺栓連接處的平面，唯壹的潛在因素是箍帶的彎角，校核箍帶通孔到R角距離：5.40mm，滿足設(shè)計(jì)要求（5±0.5）mm，螺栓邊緣不會(huì)壓到箍帶R角，螺栓法蘭面會(huì)和箍帶平面貼合良好。

05裝配記錄追查

車輛發(fā)生螺栓斷裂時(shí)，**時(shí)間做的應(yīng)該就是追溯車輛的裝配記錄，查看擰緊標(biāo)識(shí)，排除螺栓沒有被擰緊，這個(gè)問(wèn)題發(fā)生的可能性比較小。

但是，在試驗(yàn)過(guò)程中的車輛會(huì)因?yàn)椴煌脑虮活l繁更換零件，很多緊固連接點(diǎn)會(huì)被多次拆卸再裝配，這時(shí)候?qū)υ囼?yàn)車輛的拆裝記錄顯得特別重要。

06 現(xiàn)場(chǎng)排查

螺栓疲勞斷裂的案例分析，當(dāng)設(shè)計(jì)校核，產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)審和裝配追溯完成以后，基本可以判定：被連接沒有被擰緊，或者即使*初擰緊了，也是不穩(wěn)定的連接，現(xiàn)場(chǎng)分析不可避免。 現(xiàn)場(chǎng)分析被連接件，發(fā)現(xiàn)箍帶兩側(cè)磨損情況不一致（如下圖1所示），箍帶與油箱是線-面接觸（非面-面接觸），說(shuō)明油箱緊固面與車架安裝面不貼合（如圖2所示）。 在車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)，箍帶傾斜，螺栓受到外切向力（如圖3所示），連接面就會(huì)失穩(wěn)，造成螺栓軸力消失，連接失效，螺栓很快就會(huì)疲勞螺栓斷裂。

04 *后經(jīng)過(guò)核查，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中拆裝油箱時(shí)，因?yàn)橛拖鋬?nèi)有汽油，和初始裝配條件不一樣，造成了裝配過(guò)程中的裝配困難，使箍帶偏斜錯(cuò)位，油箱緊固面與車架安裝面不貼合，*后造成螺栓疲勞斷裂。

檢查生產(chǎn)線的工裝，確保不會(huì)有潛在風(fēng)險(xiǎn)。

螺栓疲勞斷裂的案例分析，更改試驗(yàn)場(chǎng)裝配作業(yè)指導(dǎo)書，不再出現(xiàn)同類問(wèn)題。