关键连接件功能局部失效对产品运行的影响

朱正德

（上海大众动力总成有限公司）

一辆汽车上紧固件（主要为螺栓连接件）的消耗费用，约占整车成本的2.5%，消耗数量占整车基础零部件总数的40%。而在一条装配线上，螺栓连接的装配拧紧工作量约占全部工作量的70%。根据国外相关机构最近公布的数据，在汽车行业中，有近1/4 的维修问题是由螺栓连接失效而引起的，另有12%的新车存在螺栓紧固件紧固程度不符合要求的问题。针对局部连接副失效可能对产品运行产生的影响，文章提出确保与提升产品可靠性的正确途径。

1 螺栓组连接传递扭矩的工作原理

汽车发动机动力输出是通过曲轴法兰与飞轮之间的螺栓组连接传递扭矩的方式来完成的。图1 示出某小排量汽车发动机曲轴法兰被连接部位示意图，从图1中可见，曲轴法兰与飞轮之间采取螺钉连接，即螺栓穿过后者的光孔直接拧入被连接体（曲轴法兰）的螺纹孔中。该组件选用12.9 级的M10×1 高强度螺栓，拧紧工艺采用转角法。6 个螺栓孔在圆周方向呈均匀分布。通过增加螺栓组的数量和加大螺栓尺寸，可以进一步提升扭矩的传递能力。

螺栓在承受工作载荷之前，已受预紧力（F0/N）的作用。一般来说，预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性[1]，而在图1 的情况下，则正是依靠预紧后在曲轴法兰与飞轮接合面间形成的摩擦力，进而产生的摩擦力矩来抵抗螺栓组连接必须承载的扭矩（T/（N·m）），如图2 所示。假如各螺栓的预紧程度相同，即可认为各螺栓的F0相等。事实上，由于采用转角法拧紧，大大提高了F0的控制精度，因此上述假设确实能较好地与实际情况相吻合。由此，各螺栓连接处产生的摩擦力也都相等，并假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处。为确保产品可靠地工作，图1 与图2 中的曲轴法兰与飞轮之间不允许存在相对滑动，而为了阻止相对滑动，就必须满足平衡条件[2]：

式中：f——接合面的摩擦因数；

ri——第i 个螺栓的中心到螺栓组对称中心（形心）的距离，mm；

n——螺栓的数量。

显然，在正常情况下，从图2 可知，各力臂ri均为定值，即式（1）可写成：

式中：D——均布螺栓孔的分布直径，mm。

2 螺栓组连接中局部失效的典型成因

在大批量生产的情况下，承担动力传递任务的螺栓组的连接结构难免出现质量问题。原因既可能是紧固件自身的问题，如热处理、材质、制造精度及涂层变化等[3]，也可能是因为被连接体的加工失当造成。文章以加工失当为例，分析螺栓组连接中局部失效的典型成因。

在加工如图1 所示发动机曲轴法兰上的6 个与飞轮相连的螺孔时，由于其中一把刀崩刃，又没有及时发现，造成了其中一个孔的底孔尺寸偏大，直接导致了加工出的螺纹在齿形上不符合要求。尽管该装配拧紧工序采取转角拧紧法（60 N·m+90°），但在设备上设置的为防止异常现象出现的扭矩监控窗口发现，该螺栓连接的最终拧紧扭矩值下降到超出监控窗口的下限，而且扭矩值的下降是随着加工出底孔的尺寸越来越大而加剧的，开始时只是处于下限合格区一侧，这也表明，正因为螺栓连接中相关件结构强度的削弱才会产生最终拧紧扭矩值的下降。由此得出，由于被连接体（曲轴法兰）自身原因而引起的缺陷将会给螺栓组连接中某一个体带来隐患，可能的后果就是轴向预紧力的不断下降，最终导致这一个体螺栓连接的完全失效。

3 局部失效对螺栓组总成正常运行的影响

3.1 局部失效情况下螺栓组形心的变化

鉴于曲轴法兰/飞轮组件中每个螺栓所受到的切向力与螺栓中心到螺栓组总的螺栓截面形心的垂直距离成正比，而且切向力的方向与其到形心的连线相互垂直。在图1 中，若每个螺栓连接都处于正常状态，总的螺栓截面形心正好与飞轮/曲轴法兰组件的中心重合，故每个螺栓连接承受的切向力相等。一旦由于某种原因，螺栓组连接中的某个个体局部失效甚至完全丧失连接功能时，则总的螺栓组截面形心就将不再与曲轴法兰/飞轮组合的中心重合，致使每个螺栓连接个体的实际受力因其与形心的垂直距离不同而异。针对文章中的螺栓失效实例进行分析计算。

建立坐标系，并命名各螺栓编号（1#～6#），从图2可见，失效螺栓为4#。令螺栓组截面形心在坐标系xoy中对应坐标值为xc，yc。

式中：Jx，Jy——所有螺栓截面的面积对x，y 轴的静矩，mm3；

Ai——任一螺栓的截面积，mm2；

xi，yi——任一螺栓截面中心的坐标，mm。

需指出的是，计算静矩时的螺栓截面积必须是尚能有效运作的承载螺栓，若已完全失效，截面积应取为0。由均布螺栓组的对称分布决定，式（3）中的形心坐标xc=0，由式（3）求得：yc=-6.6 mm。

3.2 个体完全失效状态螺栓组的最大承载切向力

设Pi为第i 号螺栓连接所承受的切向力，它与其中心到螺栓组形心距离（力臂）之间存在的关系，如式（4）和式（5）所示。

式中：r3，5——螺栓组形心到3#和5#2 个螺栓中心的距离，因r3=r5，以r3，5标记，mm。

从式（4）可知，力臂越长，螺栓受到的切向力越大。按式（4）和式（5）的计算结果可知，图2 中3#和5#螺栓是在4#螺栓完全失效情况下距形心最远的2 个螺栓，故P3，P5为最大。

由图2 可知，在各个力臂中，r3=r5，r2=r6，为便于计算，式（5）可表达为：

根据式（3）求得的yc值，可求出对应的ri，进而可按前面假设的因轴向预紧力下降而造成失效的模式，计算出螺栓组中承载最大切向力的螺栓个体所受切向力值（Pmax/N）。计算静矩时，若螺栓局部失效，可以用有效系数k（k＜1）来表述。当k=0，即4#螺栓完全失效时，可以认为此时的r4=0，在这种情况下，rmax=r3，5，按式（6）能得到：

根据式（7）求得：

3.3 螺栓组连接中个体失效对运作可靠性的评估

当k=1 时，即图2 所示的螺栓组连接处于正常工作情况时，各个体螺栓连接均匀受力，此时所受到的切向力为：

当4#螺栓处于完全失效时，可以把其此时受到的Pmax与Pav的比值作为一项评价指标（e），来评估整个螺栓组带来的影响及程度，e 实质上就是产品中螺栓连接的安全系数。e 的表达式为：

对于4#螺栓处于完全失效的状态，将式（8）和式（9）代入式（10），得到此时的e=1.386。

一般情况下，e 值取决于企业在开发与设计时的综合考虑，通常取值范围在1.5～2.0。据此可知，一旦出现其中一个螺栓个体完全失效，在产品设计安全系数较低的情况下，会存在较大的风险和隐患。此时，不仅应该从制造过程中找出问题发生的根源并及时排除，而且如果已有“问题产品”产生，也应设法追回，以绝后患。

4 结论

通过小排量发动机中曲轴法兰/飞轮螺栓组连接局部失效这一典型案例，以及对实际工作中较多出现的，由于轴向预紧力下降而造成失效的模式所进行的定量分析，明确了螺栓组这一关键部件其功能失效的程度与可靠性之间的关系。经深入分析表明：当整个组件中的某一个体螺栓的连接存在失效情况时，会给产品带来一定的风险和隐患，而且会随着该个体螺栓连接的有效系数（k）的减小而增大，并在k=0，也就是其处于完全失效时达到最大。