螺栓疲勞斷裂的案例分析

在車(chē)輛設(shè)計(jì)開(kāi)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(kāi)發(fā)試驗(yàn)順利進(jìn)行或者解決客戶抱怨,，避免同類(lèi)問(wèn)題的再次發(fā)生,。

今天螺絲君，通過(guò)某車(chē)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(chē)型在執(zhí)行比利時(shí)路的試驗(yàn)中,，車(chē)尾部底盤(pán)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(lèi)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(lèi)螺栓問(wèn)題追溯

 同一個(gè)螺栓,，會(huì)用在不同的車(chē)型上,，也會(huì)用在同一個(gè)車(chē)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(chē)型的耐久試驗(yàn)車(chē)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(méi)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(chē)輛發(fā)生螺栓斷裂時(shí),，**時(shí)間做的應(yīng)該就是追溯車(chē)輛的裝配記錄，查看擰緊標(biāo)識(shí),，排除螺栓沒(méi)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(chē)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(chē)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(méi)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(chē)架安裝面不貼合（如圖2所示）,。 在車(chē)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(chē)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(shū)，不再出現(xiàn)同類(lèi)問(wèn)題,。