某型汽车悬置螺栓断裂失效分析
2020-01-01徐子鸣程涛
徐子鸣，程涛
（众泰汽车工程研究院，浙江 杭州 310018）
螺纹连接是汽车上最常用的连接方式之一，普通轿车上螺栓的用量大约为4000 个。一旦失效则影响车辆正常使用甚至危及人身安全，也会使用户对品牌的口碑产生不良影响。
螺栓断裂的原因大致有以下几种：（1）螺栓质量问题，材料内有夹杂物，有加工工艺产生的刀痕，螺纹有微裂纹，氢脆；（2）装配问题，连接件与螺栓产生干涉，接触面有油污导致滑动，操作不规范导致预紧力过大或者不均；（3）外在原因，其他部件的振动导致松动；（4）选型问题，螺栓强度不足；（5）环境腐蚀，如辐射、海水、硫化物等。
某型汽车在试验场进行强化道路试验时，发动机右悬置螺栓与螺柱发生断裂，针对该问题开展了各方面的研究与分析工作。
1 故障描述
根据试验员反馈，试验之前车辆检查时发现螺栓预紧力衰减幅度比较大，进行了复紧，强化道路行驶不足300km 即发生了断裂，远未达到强化道路试验完成6000km 里程的要求。螺栓与悬置支架、发动机正时罩盖装配关系如图1 所示，螺栓与两个双头螺柱均发生断裂，断裂位置在螺纹处如图2 所示，有部分螺纹段残留在发动机正时罩盖螺纹孔内部，如图3 所示。悬置支架下边的凸台严重变形，且螺栓与螺柱穿过的通孔内有明显的螺纹压痕，如图4 所示。
图1 装配关系图
图2 断裂螺栓与螺柱
图3 发动机正时罩盖
图4 悬置支架
2 螺栓检测
螺栓与螺柱的检测项目和步骤一样，以1#螺栓为例。
2.1 失效断面分析
1#六角法兰面螺栓断面如图5 所示，左边小半圈呈钟表刻度纹路，有明显宏观疲劳纹，为疲劳断裂。用4%硝酸酒精溶液侵蚀，用扫描电镜观察，500 倍显微组织为回火索氏体，如图6 所示。
图5 1#螺栓断面
图6 螺栓500 倍显微组织
2.2 成分检测
用光电直读光谱仪确定螺栓成分，结果如表1 所示。通过对比发现，螺栓的化学成分符合GB/T 4336-2002 对SCM435 钢成分的技术要求。
表1 螺栓的化学成分
2.3 力学性能检测
2.3.1 硬度试验
对断裂螺栓和抽检螺栓进行硬度检测，结果如表2，满足标准GB/T 228.1-2010 的要求。
2.3.2 金相检测
对螺纹放大100 倍脱碳检测，无增脱碳，满足标准要求，具体检测结果如表3 所示。
2.3.3 拉伸试验
对抽检螺栓进行抗拉强度试验，结果如表4 所示，满足标准GB/T 228.1-2010 要求。
表2 硬度试验结果
表3 金相检测结果
表4 拉伸试验结果
2.4 螺栓检测小结
通过对螺栓及螺柱质量的检测，认为满足标准要求，本次试验产生断裂的根本原因可以排除标准件质量问题。
3 有限元分析
观察悬置支架，2#与3#螺栓孔内有与螺纹产生接触干涉的痕迹。推测断裂发生前螺栓与螺柱产生了松动，振动冲击导致断裂。为了更好地找到松动的原因，应用有限元技术CAE 分析进行了仿真模拟。
3.1 有限元建模
本次分析主要考察悬置支架的应力、应变及接触面之间的摩擦力，忽略螺纹的细节部分，螺栓与壳体之间用节点重合连接在一起。螺帽与悬置支架、悬置支架与壳体之间做接触，接触对编号如图7 所示。
图7 接触对示意图
3.2 边界条件
约束壳体截面123 自由度，在螺栓、螺柱上施加35000N预紧力（等效预紧扭矩70N·m），在悬置支架连接硬点施加载荷。
3.3 分析结果
悬置支架材料为A380， 根据供应商提供的检测数据，屈服强度为164 ～170MPa，各工况的支架应力如表5 所示，已经超过材料屈服强度，预紧后支架应力如图8 所示。
图8 预紧后悬置支架应力
螺栓连接的基本原理是螺杆伸长后的回弹力，使被连接件紧密接触在一起，接触面之间的摩擦力足够大才能保持相对位置固定。接触面上的摩擦力输出如表6 所示。
表5 各工况下应力及应变结果
表6 接触面摩擦力
3.4 结果解析
3.4.1 预紧力衰减
螺栓拧紧后，轴向力衰减导致螺栓松动。螺栓松动可以分为旋转与非旋转松动两类，非旋转松动中被连接件的塑性变形是其中一个重要原因。从悬置支架的应力及应变结果可以看出，支架的塑性变形会导致支架的弹性回弹能力不足，螺栓的伸长量减小（轴向力减小），与试验场反馈螺栓预紧力衰减严重的现象一致。支架的材料屈服强度不足，接触面过小等因素都可能导致预紧力衰减。
3.4.2 接触面滑动
从接触面摩擦力输出结果来看，支架凸台与壳体之间的的接触面承担了绝大部分切向载荷。接触面P5 在纵向工况10、11、22、23 中，摩擦力远小于P4、P6 接触面，说明螺栓布局接近一条直线不合理。
摩擦力的简单公式为F=μ×Fn，μ 为连接件之间的摩擦系数，测得为0.28，Fn 按预紧力未衰减时35000N 计算，得到F=9800N。据试验场反馈，复紧前力矩衰减至30N·m，则F=4200N，工况22 和工况23 中，1#螺栓与3#螺柱均可能滑动。从图4 悬置支架螺栓孔的摩擦痕迹看，3#螺柱的滑动很明显。
4 优化改进
4.1 优化方案
根据实际情况提出了三种改进方案：（1）削平支架下方的凸台，材料改为QT450，如图9；（2）削平支架下方的凸台，材料改为AlSi7Mg0.6；（3）削平支架下方的凸台，增加一个厚度为2mm 三孔垫片，如图10。
4.2 优化结果
图9 悬置直接凸台削平
图10 三孔垫片
以工况10 为例，优化方案结果如表9 所示。优化方案（3）最容易实施，在试验场经过6000km 强化试验后，检测三个螺栓的残余扭矩合格，如表10 所示。考虑到轻量化与最佳防松效果，最终采用了方案（2）并通过了试验验证。
表7 优化方案结果
表8 残余扭矩测量结果
5 结语
本文从断面检查、力学性能检测、工艺检查、有限元模拟等各方面对螺栓断裂原因进行了分析，查明支架的塑性变形导致预紧力衰减严重，在某些工况下使接触面滑动引起螺栓疲劳失效。
有限元分析可以帮助检测接触面的摩擦力，为保证最低的轴向力提供数据支持。
增大接触面、更换材料、增加垫片等优化方案证明可以有效地降低预紧力衰减，阻止螺栓断裂失效的产生。
