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        微車自動(dòng)張緊輪緊固螺栓斷裂分析

        2017-09-28 08:27:08韋耀華
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2017年21期
        關(guān)鍵詞:螺栓

        韋耀華

        摘 要:本文針對(duì)公司某車型自動(dòng)張緊輪螺栓斷裂問題,通過緊固件質(zhì)量檢測 ,模擬裝配分析,SEM、金相檢測,硬度檢測等理化分析,發(fā)現(xiàn)張緊輪螺栓螺牙附近初始的微裂紋是造成螺栓斷裂的誘因,此外被連接件的平面度超出規(guī)定要求,也是造成螺栓最終斷裂的原因。

        關(guān)鍵詞:張緊輪;螺栓;微裂紋;平面度

        中圖分類號(hào):TH131 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        張緊輪用于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的皮帶張緊裝置,主要由固定殼體、張緊臂、輪體、扭簧、滾動(dòng)軸承等組成,如圖1所示為張緊輪的示意圖及實(shí)物圖,張緊輪能根據(jù)皮帶的不同松緊程度自動(dòng)調(diào)整張緊力,其工作狀態(tài)直接影響汽車傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全平穩(wěn)性。某汽車生產(chǎn)企業(yè)自2015年3月份,遇到多例自動(dòng)張緊輪緊固螺栓斷裂問題。表1為其中兩例張緊輪螺栓斷裂的售后信息。圖2為斷裂螺栓樣件。張緊輪螺栓規(guī)格為M10x1.25x75六角法蘭面螺栓,強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí),材料為SCM435,硬度要求為32-39HRC。為了找出造成螺栓斷裂的原因,提高整車質(zhì)量。對(duì)張緊輪螺栓進(jìn)行了相應(yīng)的檢測。

        1.斷裂零件整體外觀檢查

        首先從外觀觀察張緊輪緊固螺栓斷裂情況,如圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)所示張緊輪螺栓斷裂處均位于螺紋旋合第一牙位置處,螺桿部分和螺牙部分有明顯磨痕,螺桿根部具有擠壓痕跡。初步驗(yàn)證是由于預(yù)緊力不足導(dǎo)致螺栓松動(dòng)。

        2.理論計(jì)算

        張緊輪受主要外力來源為皮帶給張緊輪的力,其最大值為1230N,如圖4所示,將此力等效轉(zhuǎn)換為作用在o點(diǎn)(螺栓處)的徑向力F徑向和轉(zhuǎn)矩M:

        螺栓處受到的力F徑向=1230N,轉(zhuǎn)矩M=67.65N·m

        連接面之間的夾緊力要保障,張緊輪在F徑向力作用下不發(fā)生滑移,在轉(zhuǎn)矩M作用下不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

        按照不滑移條件確定

        在橫向力FPH的作用下,連接結(jié)合面間可能產(chǎn)生滑移。為防止滑移,其結(jié)合面間的摩擦力必須大于橫向載荷,該摩擦力由剩余預(yù)緊力產(chǎn)生,并考慮軸向力FPV對(duì)預(yù)緊力的影響,得出被連接件不滑移的條件為:

        綜合上面兩個(gè)計(jì)算結(jié)果,兩者較大的為螺栓需要提供的最小預(yù)緊力為23.5kN。

        根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》中扭矩計(jì)算公式T=KFD,扭矩系數(shù)K經(jīng)過扭矩夾緊力試驗(yàn)測得為0.17,則張緊輪螺栓緊固所需要的最小扭矩:

        TMIN=KF0D=0.17×23.5×10=40N·m

        最大扭矩由螺栓的屈服扭矩確定,經(jīng)螺栓實(shí)測為100N·m,即張緊輪緊固螺栓擰緊時(shí)所需要的最小扭矩為40N.m,螺栓能承受的最大扭矩為100N·m。張緊輪螺栓的設(shè)計(jì)扭矩為45-55N·m滿足使用要求。將零件按照車間50N·m的擰緊扭矩進(jìn)行模擬裝配試驗(yàn),測得螺栓的軸向夾緊力大于30kN,大于設(shè)計(jì)要求的最小加緊23.5kN的要求,能滿足使用。

        3.螺栓質(zhì)量檢測

        為了驗(yàn)證是否是螺栓本身質(zhì)量問題造成的螺栓斷裂,進(jìn)行了以下試驗(yàn)驗(yàn)證。

        3.1螺栓斷口分析(SEM)

        將斷口置于掃描電鏡下觀察,圖5是裂紋源區(qū)低倍形貌,斷裂截面是整體性的,斷口比較平整,沒有縮頸現(xiàn)象,螺栓發(fā)生了疲勞斷裂,白色箭頭是裂紋發(fā)展方向。疲勞源區(qū)占螺栓斷面圓周的1/2以上。對(duì)疲勞源區(qū)進(jìn)行放大如圖6(a)、圖6 (b)發(fā)現(xiàn),該區(qū)域具有“疲勞輝紋”的形貌特征,螺牙根部具有裂紋缺陷,該裂紋缺陷是疲勞源;對(duì)疲勞過度區(qū)如圖6(c)放大發(fā)現(xiàn),該區(qū)域具有“疲勞輝紋”的形貌特征。終斷區(qū)如圖6(d)具有韌窩的形貌特征。綜合上述斷口SEM分析,斷口附近無明顯塑性變形,表明螺栓不是由過載引起的,該螺栓存在較長的裂紋缺陷,該裂紋缺陷處受到應(yīng)力集中,是疲勞源區(qū),在外界載荷狀況下進(jìn)一步擴(kuò)展。

        3.2表面質(zhì)量檢測SEM

        (1)對(duì)斷裂的螺栓、裝配張緊輪后擰下來的螺栓以及未裝配過的新螺栓,進(jìn)行表面放大觀察,如圖7所示,3種螺栓均存在不同程度的初始裂紋、折疊紋等缺陷。螺栓螺牙表面質(zhì)量差。

        4.金相檢測

        將本次斷裂的螺栓,裝配后拆卸下來的螺栓,未使用的新螺栓制成金相試驗(yàn),在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。結(jié)果如圖8所示。

        (a)斷裂的螺栓

        螺栓金相檢測發(fā)現(xiàn)螺牙邊緣有裂紋,螺栓芯部是鐵素體與粒狀碳化物的機(jī)械混合物,即回火索氏體如圖8所示(c)且整體較為均勻,表面無明顯的脫碳和滲碳現(xiàn)象,屬于正常的調(diào)質(zhì)組織。但多處螺紋尖端發(fā)現(xiàn)細(xì)長微裂紋;綜合觀察新螺栓金相組織合格,但螺牙邊緣具有初始裂紋。

        (b)接著對(duì)為使用過的新螺栓及裝配張緊輪拆卸下來的螺栓做金相檢測如圖9、圖10所示,發(fā)現(xiàn)與斷裂螺栓一樣,螺栓芯部組織為回火索氏體,組織較為均勻,但在螺紋牙邊緣具有初始裂紋缺陷。

        綜上金相檢測,3種螺栓金相組織合格但是螺牙邊緣有微裂紋,微裂紋也許是導(dǎo)致緊固螺栓斷裂的原因。

        5.硬度檢測

        根據(jù)《GBT 3098.1-2010 緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》查得 10.9級(jí)螺栓硬度要求為32HRC~39HRC。

        本次試驗(yàn)對(duì)斷裂的螺栓、裝配使用過的螺栓以及新螺栓進(jìn)行硬度檢測,相關(guān)檢測數(shù)據(jù)見表2,所有狀態(tài)螺栓的硬度均合格。(測試其洛氏硬度,載荷1471N保載15s,結(jié)果顯示,斷裂螺栓的平均硬度值為 ,符合技術(shù)要求的32-39HRC。相關(guān)參數(shù)見表2。

        6.疲勞檢測

        對(duì)該批次的未使用過的新螺栓按照疲勞試驗(yàn)要求GB/T13682,對(duì)樣件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表3):(1)試驗(yàn)1 按照軸向力30kN,應(yīng)力幅3kN、頻率60Hz對(duì)張緊輪螺栓進(jìn)行軸向疲勞試驗(yàn),螺栓在44.88萬次發(fā)生斷裂,遠(yuǎn)低于500萬次的螺栓疲勞試驗(yàn)要求。(2)試驗(yàn)2 按照軸向力30kN、應(yīng)力幅2.5kN、頻率60Hz進(jìn)行軸向疲勞試驗(yàn)。螺栓在68.97萬次時(shí)發(fā)生斷裂,遠(yuǎn)低于500萬次的螺栓疲勞試驗(yàn)要求。endprint

        通過疲勞試驗(yàn),可以判定這批次螺栓不符合螺栓疲勞試驗(yàn)要求,疲勞試驗(yàn)斷裂樣件如圖11所示。

        7.張緊輪平面度檢測

        綜合以上計(jì)算及檢測數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)張緊輪螺栓的扭矩設(shè)定,金相組織、硬度等都符合要求,但是螺栓表面質(zhì)量較差,螺栓的疲勞壽命也低于要求值。初步判定是螺栓螺牙的微裂紋導(dǎo)致螺栓應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞斷裂。

        為了進(jìn)一步探究是否還有其他原因?qū)е戮o固螺栓斷裂,對(duì)模擬裝配后拆卸下的張緊輪進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)張緊輪螺栓法蘭面與張緊輪中間套筒之間有明顯摩擦痕跡,螺栓法蘭與張緊輪接觸面之間有摩擦鐵屑如圖12、圖13所示。螺栓的預(yù)緊力此時(shí)主要作用在張緊輪中間套筒上,螺栓與張緊輪套筒接觸面之間是線接觸而不是面接觸,接觸面較小,螺栓防松性能差,加速螺栓疲勞斷裂。此外張緊輪與鋁支架連接面上有被壓潰的壓痕如圖14、圖15所示,說明張緊輪連接面平面度不足,經(jīng)質(zhì)量部抽查兩件平面度分別為0.275與0.24,遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的平面度0.1的設(shè)計(jì)要求。

        結(jié)論

        綜合上面檢測試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),張緊輪緊固螺栓的扭矩設(shè)定,金相組織、硬度等指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。造成張緊輪緊固螺栓斷裂因素主要有兩個(gè),一是張緊輪緊固螺栓的表面質(zhì)量不好,有初始微裂紋及折疊紋等缺陷很可能是在搓絲階段工藝控制不當(dāng),調(diào)制處理時(shí)冷加工產(chǎn)生的微裂紋在淬火應(yīng)力作用下進(jìn)一步擴(kuò)展造成。這些缺陷是疲勞源,導(dǎo)致張緊輪受力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中,降低使用壽命,螺栓的疲勞試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。另外一個(gè)原因是該批次張緊輪的平面度不足,平面度大于設(shè)計(jì)要求,造成螺栓的應(yīng)力幅過大,同時(shí)平面度不足,在材料被壓潰產(chǎn)生壓痕后,會(huì)造成螺栓扭矩衰減,導(dǎo)致緊固件松脫,加速了螺栓的疲勞斷裂??梢酝ㄟ^改善螺栓冷加工工藝,增加冷加工后螺栓的抽檢,進(jìn)行分析觀測是否有微裂紋等缺陷產(chǎn)生,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。另外對(duì)張緊輪平面度進(jìn)行檢測,改善張緊輪表面加工工藝,提高張緊輪平面質(zhì)量等措施,避免張緊輪螺栓疲勞斷裂的發(fā)生。

        參考文獻(xiàn)

        [1]GB/T 16823.2-1997,螺紋緊固件緊固通則[S].

        [2]沈大茲.螺栓擰緊技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立[J].輕型汽車技術(shù),2009(12):13-22.

        [3]GB/T 16823.3-2010,螺紋緊固件緊固通則[S].endprint

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