摘 要:某汽車發動機凸輪軸正時帶輪緊固螺栓在臺架耐久試驗中發生斷裂.通過宏觀檢驗、 化學成分分析、硬度測試、金相檢驗以及斷口分析等方法對螺栓的斷裂原因進行了分析.結果表 明:該緊固螺栓的斷裂模式為疲勞斷裂;螺栓未緊固到設計要求的預緊力,導致其在使用過程中發 生松動,在交變應力作用下螺栓螺紋旋合部位萌生裂紋,最終導致螺栓發生疲勞斷裂. 

關鍵詞:凸輪軸正時帶輪;螺栓;疲勞斷裂;預緊力 

中圖分類號:TG１１５                       文獻標志碼:B              文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ００４１Ｇ０３

汽車發動機是由眾多零部件通過焊接、鉚接、粘 接或螺紋連接等方式裝配而成的機器,其中螺紋連 接所占比例最大.一臺發動機含有３００~５００個螺 栓(釘),３０％的螺栓位于發動機的重要位置,因此螺 栓本身的制造質量和裝配質量直接影響發動機的使 用性能.某發動機臺架耐久試驗(８００h動態臺架 耐久試驗)進行至５４５h時,凸輪軸正時帶輪緊固螺 栓發生斷裂.該螺栓材料為２８B２鋼,生產工藝為 調質處理后螺紋成型,性能等級為１０．９級,規格為 M１２mm×１．２５mm×８０mm,夾緊長度為６４mm. 為了查明該螺栓的斷裂原因,避免類似失效的再次 發生,筆者對其進行了檢驗和分析.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢驗 

斷裂螺栓宏觀形貌如圖１所示,可見其無明顯 塑性變形,斷口位于距法蘭面第４９~５０節螺紋間, 部分螺紋磨損嚴重.實際測得斷口至螺栓法蘭面的 距離為６４mm,說明斷裂位置在螺栓夾緊處的螺紋 旋合部位.

１．２ 化學成分分析

對螺栓取樣,使用SPECTRO MAXx０６型直讀 光譜儀進行化學成分分析,結果如表１所示.可見 螺栓的各元素含量均符合廠家內部標準對２８B２鋼 的成分要求.

１．３ 硬度測試 

使用 WilsonR５７４型洛氏硬度計對螺栓的螺紋 端心部位置進行硬度測試,測試結果為３８．１,３８．３, ３８．３ HRC,可見螺栓的硬 度 符 合 GB/T３０９８．１－ ２０１０«緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱»中１０．９級 螺栓洛氏硬度為３２~３９HRC的要求. 

１．４ 金相檢驗 

對 斷 裂 螺 栓 取 樣,使 用 Zeiss AxioImager M２m 型光學顯微鏡進行金相檢驗,結果如圖 ２ 所 示.可見螺栓的心部組織正常,為回火索氏體[１Ｇ２], 螺紋表面無脫碳現象,螺紋牙底光滑,無尖角、缺口 和裂紋等.

１．５ 斷口分析 

將螺栓斷口清洗干凈后,使用ZeissEVO１８型掃 描電子顯微鏡進行微觀形貌觀察,斷口整體形貌如圖 ３所示,將斷口標記為 A~F共６個區域.裂紋源位 于螺紋牙底 A區域處,有若干起源點,如圖４a)所示; B,C,D區域可見疲勞輝紋和大致平行的二次裂紋,具 有疲勞斷裂特征[３Ｇ５],如圖４b)~d)所示;E和 F區域 可見韌窩形貌,如圖４e)和圖４f)所示. 

２ 分析與討論 

螺栓發生疲勞的原因一般有兩個方面:①螺栓 本身存在制造缺陷(材料裂紋、熱處理裂紋、加工缺 陷等),在使用過程中螺栓受到振動作用,該缺陷成為疲勞源,最終導致斷裂;②裝配過程中螺栓未擰緊 或螺栓未達到設計要求的預緊力,在使用過程中螺 栓松動引起疲勞斷裂[６].上述理化檢驗結果表明, 該螺栓的制造質量沒有問題,因此排除第一方面的 因素. 

該凸輪軸正時帶輪緊固螺栓設計要求的預緊力 應不小于６５kN,裝配工藝采用扭矩法(１１０N??m). 由于扭矩裝配方法中摩擦因數對螺栓預緊力的影響 很大,取３根同批次螺栓進行摩擦因數試驗,結果分 別為０．１２,０．１１,０．１１,均 在 企 業 內 控 要 求 (０．０８~ ０．１４)內,因此排除摩擦因數不穩定導致螺栓預緊力 偏差大的情況.

通過超聲波技術進一步驗證１１０N??m 扭矩的 裝配工藝能否達到螺栓預緊力要求.超聲波測試螺 栓軸力是一種間接測試方法,其基本原理為聲彈性 理論.螺栓在擰緊過程中自身會伸長,同時產生軸 向力,超聲波從螺栓一端傳向另一端再反射回來會 形成時間差,該時間差恰好與伸長量成正比,在彈性 范圍內根據胡克定律就可以得出螺栓軸力與超聲波 時間差 的 正 比 關 系[７].取 若 干 同 批 次 螺 栓,使 用 MC９５０數采儀和摩擦因數試驗臺獲得螺栓軸力與 超 聲波時間差的關系曲線,結果如圖５所示.隨機抽取一臺組裝中的發動機,對１１０N??m 扭矩裝配工藝 擰緊后的凸輪軸正時帶輪緊固螺栓進行軸力測試, 測試結果僅為５０kN.因此該螺栓的斷裂原因為未 緊固到設計要求的預緊力,這導致其在使用過程中 出現松動,最終造成疲勞斷裂.

３ 結論及建議 

該凸輪軸正時帶輪緊固螺栓的斷裂模式為疲勞 斷裂.螺栓未緊固到設計要求的預緊力,導致螺栓 在 使用過程中出現松動,松動的螺栓受到交變應力 的作用在凸輪軸內部不斷振動,于螺栓夾緊處的螺 紋旋合部位萌生裂紋,最終發生疲勞斷裂. 

建議重新制定凸輪軸正時帶輪緊固螺栓的 裝配工藝,必要時可采用扭矩轉角法,以確保螺栓被 緊固到設計要求的預緊力.

參考文獻: 

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<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 56卷 > 1期 (pp:41-43)>