发动机曲轴皮带轮螺栓断裂分析与应对措施

范奇达、徐立军、张文波、应佳舟

（舟山市7412工厂，舟山 316041）

0 引言

发动机运行过程中，曲轴、皮带轮和曲轴链轮是通过它们之间的接触面摩擦力进行力矩传递，进而带动曲轴前端的轮系进行转动。曲轴皮带轮螺栓作为连接曲轴、皮带轮和曲轴链轮的紧固件，其强度对曲轴、皮带轮和曲轴链轮的有效连接起着至关重要的作用。若曲轴皮带轮螺栓提供的夹紧力在曲轴、皮带轮及曲轴链轮之间形成的摩擦力矩，不足以传递它们之间的相对转动力矩，则曲轴、皮带轮和曲轴链轮之间会产生打滑现象，从而造成发动机运行失效[1]。

某款车辆在行驶过程中出现水温故障灯点亮现象，车辆行驶里程为1.1万km。检查发现曲轴皮带轮螺栓断裂，曲轴皮带轮脱落（图1和图2）。螺栓使用材料SCM435，规格为M14×1.5×66.5，强度等级为10.9级，表面采用锌铝涂覆，摩擦系数要求为0.100～0.160。螺栓装配工艺采用扭矩转角法（100.0 N·m+71°），设计的最小预紧力要求≥110 kN。该款车型此前也在不同的市场区域发生过5起曲轴皮带轮螺栓断裂问题，经追溯，这几起断裂的螺栓都处于同一时间段内装配，断裂形式一致。

图1 曲轴皮带轮

图2 曲轴皮带轮螺栓断裂

1 试验与分析

1.1 宏观分析

观察螺栓断口，螺栓沿牙底断裂，裂纹源区位于如图3所示的左下侧。裂面分为2块区域，灰色区为疲劳区域，灰黑色区域为快速断裂区，裂纹扩展方向如图3所示的黄色箭头所指。螺栓头部法兰面有均匀的摩擦痕迹，呈灰黑色。曲轴皮带轮的内孔直径为25.00 mm，螺栓的六角头对边直径为24.00 mm，螺栓受轴力支撑的位置在六角头与法兰之间。曲轴前端面表面粗糙度经测量为Ra2.6，有明显的车刀痕迹。螺栓法兰摩擦面最大直径为40.00 mm，曲轴皮带轮表面未受螺栓法兰摩擦的部位已出现生锈迹象（图4）。

图3 螺栓断口分析

图4 皮带轮表面摩擦痕迹

根据装配示意图分析，曲轴前端面用螺栓紧固链轮和皮带轮，螺栓头部法兰面直接与曲轴皮带轮端面受力连接（图5）。螺栓的断裂位置基本处于未旋合的第1或第2牙位置，也是应力最集中的位置。经调查，曲轴皮带轮出货前，供应商对皮带轮端面已采用金光F20-1润滑油进行防锈，曲轴前端面内螺纹加工后无需进行润滑油防锈，装配过程中都不经过表面特殊处理。

图5 曲轴皮带轮装配示意图

1.2 微观分析（SEM）

螺栓断口形貌如图6所示，也就是SEM分析示意图。对断裂面A1～A3区域进行扫描电镜分析。其中A1区域断口微观形貌为疲劳辉纹特征，根据宏观分析，该区域为裂纹源区，源区存在约10 μm的剪切韧窝，裂纹扩展方向如黄色箭头所指（图7）。A2区域断口微观形貌也为疲劳辉纹特征，裂纹扩展方向如黄色箭头所指（图8）。A3区域断口微观形貌为韧窝特征，黄色箭头是裂纹扩展方向（图9）。

图6 螺栓断口SEM分析示意图

图7 A1区域微观形貌

图8 A2区域微观形貌

图9 A3区域微观形貌

根据图7～图9进行分析，螺栓断口呈典型的多源疲劳特征，也表现出一定的韧性。初步判定螺栓的失效为多源疲劳失效。断裂分析如图10所示，裂纹扩展方向如黄色箭头所示。

图10 螺栓断裂分析示意图

1.3 金相分析

将螺栓纵向剖开进行金相分析，经观察，螺牙边缘未见脱碳、折叠等缺陷（图11）；螺栓芯部金相组织为回火索氏体组织（图12），螺栓的金相组织合格。螺纹处可见清晰的金属流线，说明螺栓是经过热处理后进行滚丝制成，相对搓丝后热处理的制造工艺，提高了疲劳寿命。

图11 螺栓边缘金相组织（25X）

图12 螺栓芯部金相组织（400X）

1.4 硬度检测

用硬度计对断裂螺栓的芯部及表面分别进行硬度测试，测试结果如表1所示。可以看出，断裂螺栓的硬度为38.2HRC，表面硬度为374HV0.3，芯部硬度为370HV0.3，符合10.9级螺栓的芯部硬度要求。且螺栓表面硬度比芯部硬度高4HV0.3，说明在热处理过程中未发生增碳现象。

1.5 化学成分分析

按照GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》的检测要求，用斯派克直读光谱仪MAXx09-A对断裂螺栓的化学成分进行分析，结果如表2所示。可以看出，断裂螺栓的化学成分符合Q/BQB 517—2019《冷镦钢盘条》的企业标准中对SCM435钢的要求。

表2 断裂螺栓的化学成分（质量分数）

1.6 螺栓摩擦系数验证

根据ISO 16047《紧固件-扭矩/夹紧力测试》标准，用德国TEST摩擦系数试验机对同批次曲轴皮带轮螺栓进行摩擦系数检测。在保证螺栓载荷75%的轴力下，测试总摩擦系数值为0.110～0.120，满足图纸技术要求0.100～0.160（表3）。特别需要说明的是，摩擦系数测试用的垫片硬度为58HRC，粗糙度为Ra0.4；测试用的螺母采用无表面处理的10级厚螺母，螺纹精度为6H。

表3 标准状态下螺栓摩擦系数测量值

1.7 超声波轴力验证

螺栓在自由状态下，内部不存在预紧力；而在紧固状态下，由于预紧力的作用，螺栓将发生形变。此时螺栓的变形量ΔL与预紧力F之间具有如下关系[2]。

式中：F为螺栓的预紧力，E为螺栓材质的弹性模量，S为螺栓截面积，ΔL为螺栓的变形量，L为螺栓副的装夹长度。

按照公式（1），螺栓超声波系统可根据ΔL计算出当前螺栓的预紧力F。

螺栓超声波系统发射和接收超声波脉冲电信号，测量并计算发射和回波电信号之间时间差。螺栓在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差为T0；在紧固状态下，螺栓发射和接收电信号之间的时间差为T1。电信号收发时间差与螺栓变形量的关系如下。

式中：v为机械纵波在螺栓内的传播速度。

根据公式（2）可计算出螺栓的变形量ΔL。最终由螺栓超声波系统依据ΔL并结合公式（1），可得到当前状态下螺栓的预紧力。螺栓超声波系统测量原理如图13所示。

图13 螺栓超声波系统测量原理

由于材料弹性模量的变化以及超声波在材料中的飞行速率难以估量，目前采用德国TEST摩擦系数试验机对轴力和超声波飞行时间的关系进行标定。对同批次曲轴皮带轮螺栓装配完后的预紧力进行测量，螺栓实际夹紧长度为26.90 mm。对装配件采用100.00 N·m+71°进行拧紧，最终拧紧扭矩为235.00～251.00 N·m（图14）。螺栓超声波测量的预紧力为117～121 kN。由于最终的螺栓受力情况还处于弹性区域，根据拧紧扭矩及测量出的预紧力之间比值，计算出系统的摩擦系数。摩擦系数计算公式如下。

图14 拧紧曲线（100 N▪m+71°）

式中：T为拧紧扭矩，F为螺栓承受的预紧力，P为螺距（取1.50 mm），μth为螺纹摩擦系数，μb为支撑面摩擦系数，μtot为系统总摩擦系数，d2为螺纹中径（取13.03 mm），Do为螺栓头部外接触直径，Dh为接触面内孔直径，Db为有效接触直径。其中，Do、Dh和Db具有如下关系。

根据拧紧扭矩和测量出的预紧力，可计算出系统的摩擦系数在0.062～0.069（表4）。

表4 预紧力测试值和系统摩擦系数计算值

2 结果与分析

从螺栓的机械性能分析，断裂螺栓的化学成分、硬度、金相组织和摩擦系数等都满足图纸技术要求。从微观断口分析，螺栓是由于服役过程中长期承受较高的交变载荷而发生疲劳失效。

从螺栓的宏观上分析，螺栓拧紧过程中，法兰面直接与皮带轮端面进行摩擦，螺栓的预紧力受皮带轮端面粗糙度和润滑剂影响较大。对同批次螺栓的预紧力进行测试，测得的预紧力为117～121 kN，满足预紧力设计要求（≥110 kN）。目前螺栓在实验室标准状态（即标准垫片在粗糙度Ra0.2～0.8，无油的状态）下测试，可以满足摩擦系统技术要求（0.100～0.160）。现皮带轮表面粗糙度为Ra2.5左右，但系统摩擦系数只有0.062～0.069，说明皮带轮端面的防锈油降低了整个系统摩擦系数，从而满足了设计的最小预紧力[3]。

对皮带轮端面的润滑程度进行预紧力验证，在无油、少油和多油3种状态进行预紧力的比对验证（表5）。通过测试，在端面少油、无油的情况下，无法满足设计最小预紧力110 kN（图15～图17）。此项验证说明整个系统存在着较大的风险，需要考虑皮带轮端面润滑的均匀性、机加工粗糙度的稳定性、储存周期以及气候环境的影响因素。

表5 皮带轮端面不同润滑程度对预紧力的影响

图15 皮带轮端面多油拧紧扭矩-轴力-角度曲线

图16 皮带轮端面无油拧紧扭矩-轴力-角度曲线

3 应对措施

在100 N·m的基础上可适当增加转角至90°，使螺栓提高轴向力至屈服轴力附近，同时可降低应力幅，提高疲劳寿命。螺栓的疲劳松弛或者疲劳断裂与交变应力有关[4]，应力幅是影响预紧螺栓联接副疲劳性能的主要因素之一。试验结果表明，受轴向模拟载荷的预紧螺栓联接副，在最小应力不变的条件下，应力幅越小，连接副越不易发生疲劳破坏。

另外，对皮带轮端面上防锈油的润滑程度进行严格控制，并对储存周期以及气候环境进行严格管控。还可考虑增加皮带轮螺栓的组合垫片，提高螺栓头部法兰刚度，同时降低了曲轴皮带轮端面防锈油粗糙度对系统摩擦系数的影响。

4 结束语

该发动机上曲轴皮带轮螺栓的失效为疲劳断裂[5]。因个别螺栓拧紧后位于弹性区，未满足最小预紧力要求，在高频振动、瞬时冲击的长期作用下，最终使螺栓的螺纹根部发生了疲劳断裂。这也反映出螺栓在预紧力设计过程中，未识别出皮带轮端面防锈油对螺栓预紧力的重大影响。特别对于曲轴皮带轮螺栓，需要明确基于什么样的条件下进行预紧力设计和试验验证，对所需预紧力关联到的系统风险因素都需要严格控制，这样才能保证质量问题不会发生。