韋耀華

摘 要：本文針對(duì)公司某車(chē)型自動(dòng)張緊輪螺栓斷裂問(wèn)題，通過(guò)緊固件質(zhì)量檢測(cè) ，模擬裝配分析，SEM、金相檢測(cè)，硬度檢測(cè)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(lèi)號(hào)：TH131 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

張緊輪用于汽車(chē)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(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全平穩(wěn)性。某汽車(chē)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(wèn)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(chē)質(zhì)量。對(duì)張緊輪螺栓進(jìn)行了相應(yīng)的檢測(cè)。

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(lái)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(guó)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(guò)扭矩夾緊力試驗(yàn)測(cè)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(cè)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(mǎn)足使用要求。將零件按照車(chē)間50N·m的擰緊扭矩進(jìn)行模擬裝配試驗(yàn)，測(cè)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(mǎn)足使用。

3.螺栓質(zhì)量檢測(cè)

為了驗(yàn)證是否是螺栓本身質(zhì)量問(wèn)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(méi)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(guò)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(wú)明顯塑性變形，表明螺栓不是由過(guò)載引起的，該螺栓存在較長(zhǎng)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(cè)SEM

（1）對(duì)斷裂的螺栓、裝配張緊輪后擰下來(lái)的螺栓以及未裝配過(guò)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(cè)

將本次斷裂的螺栓，裝配后拆卸下來(lái)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(cè)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(wú)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(zhǎng)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(guò)的新螺栓及裝配張緊輪拆卸下來(lái)的螺栓做金相檢測(cè)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(cè)，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(cè)

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(guò)的螺栓以及新螺栓進(jìn)行硬度檢測(cè)，相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，所有狀態(tài)螺栓的硬度均合格。（測(cè)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(jiàn)表2。

6.疲勞檢測(cè)

對(duì)該批次的未使用過(guò)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(jiàn)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(wàn)次發(fā)生斷裂，遠(yuǎn)低于500萬(wàn)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(wàn)次時(shí)發(fā)生斷裂，遠(yuǎn)低于500萬(wàn)次的螺栓疲勞試驗(yàn)要求。endprint

通過(guò)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(cè)

綜合以上計(jì)算及檢測(cè)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(xiàn)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(shuō)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(cè)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(guò)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。可以通過(guò)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(cè)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(cè)，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(chē)技術(shù)，2009（12）：13-22.

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