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汽車螺栓緊固過程中、后失效情況,案例分析



發布時間:2019/12/19 14:18:11 點擊次數:220次

螺栓緊固件是汽車部件連接的主要零部件,其使用性能也是非常重要的。就像現在現在還有很多車輛因為螺栓缺陷,螺母可能脫落等原因會被召回,可見汽車上的螺栓、螺母緊固連接是有多重要,這樣的問題一旦發生很可能會造成事故。因此,為了讓大家對螺栓失效有更多的了解,中華標準件網根據了解,分享有關螺栓失效形式及原因,還通過汽車前懸架與車身連接螺栓失效的案例來做分析。

螺栓在緊固過程中容易發生的失效

1、螺栓發生頸縮斷裂

這里特指螺栓在裝配過程中的斷裂,需要和使用后的斷裂或延遲斷裂區分開。當操作工人緊固施加的扭矩過大或螺栓、螺母與接觸面上沾染了有潤滑作用的物質,這種現象比較容易發生。

2、螺栓被扭斷(斷裂時螺栓無)

這是一種在緊固過程中發生的螺栓斷裂現象,斷口-般比較平滑,類似于剪切斷裂。這種現象一般是因為零件異;蜓b配失誤造成扭矩未能有效轉化為軸向力,過大的扭矩完全被螺栓本體承受,超出了螺栓所能承受的最大破壞扭矩所造成。

3、螺紋失效(一般稱為滑牙或爛牙)

在裝配過程中緊固螺栓時,螺栓或螺母的嚙合部分全部或部分螺牙從本體上脫落,而不是以上描述的螺栓斷裂。這一現象被稱為螺紋失效,-般也稱為滑牙或爛牙。

4、被聯接部件的塑性變形或壓潰

這是在螺栓軸向預緊力作用下,被聯接部件發生的塑性變形、塑性翹曲或壓潰現象。

5、螺栓初始預緊力不足

這指的是緊固后的螺栓聯接副中的預緊力未能達到設計預期最終發生失效的現象。當緊固過程中未能按照要求施加扭矩,螺紋因為某種原因咬死或螺栓螺母因為摩擦系數控制不佳時,這種現象容易發生。

螺栓在緊固過程后的常見失效

1、螺栓靜態斷裂

這是一個非正常大載荷作用在運轉的機器上時突然發生的損壞。當出乎意料的大載荷作用在機器上時這種現象容易發生。

2、螺栓疲勞斷裂

疲勞斷裂是一種小于螺栓抗拉強度的載荷多次循環作用后發生,是在循環載荷作用下,多次疲勞損傷累積造成的損壞。當載荷大于一定極限值且重復多次發生時,易發生這種現象。

3、螺栓氫脆

螺栓緊固后,某個時間螺栓會突然斷裂,甚至放置在陳列室中未經觸碰或不受任何載荷的情況下都會發生。大多數學者認為是材料或零件的加工過程中滲入到金屬中的氫原子破壞了金屬內部的晶格,造成了金屬的內應力集中,因此也被稱作為氫脆。

4、螺栓和被聯接件的應力腐蝕開裂

這是一種和氫脆相似的現象,許多材料在拉伸應力和腐蝕性環境這2個條件"下將會發生,甚至在被聯接件沒有任何外載的情況下也會發生。在高的拉伸應力和該材料所特有的腐蝕性環境這2個條件下,裂紋得以擴展。

5、被聯接件分離

由于作用在被聯接件上的拉伸載荷大于螺栓的軸向預緊力時,導致被聯接件彼此分離。在受到外載荷后的被聯接件發生分離可能會導致聯接失效和螺栓的疲勞斷裂。

6、被聯接件相對滑動

由于螺栓的預緊力僅能提供抗衡軸向的外載荷,螺紋聯接對于切向的載荷必須要依賴于螺栓和被聯接件之間應預緊力而產生的摩擦力來抗衡;瑒赢a生的相對位移會引發螺栓的旋轉松動,如果滑動多次反復發生,會因為磨損而產生非旋轉松動或者疲勞斷裂。

7、螺栓松動

由于螺栓的緊固本質.上說就是在螺栓上施加軸向預緊力,因此當緊固后這種軸向預緊力下降導致螺紋連接各種功能水平的下降,甚至完全喪失功能的情況被稱之為螺栓的松動。

列舉:汽車前懸架與車身連接螺栓失效案例

失效案例來源:眾所周知,整車路試是整車廠在新車型開發階段的一個重要的設計驗證工作,本文討論的失效案例正是來自于-款新車型的路試。由于路試的目的是在較短的時間內,讓試驗車輛經受相當于其正常使用生命周期的使用強度,整個路試過程需挑選世界各地典型的路面狀況。

發生問題的車輛是在強化試驗道路( EVP )試車時前部底盤發現異響,EVP試驗路段全長2.616 km,包括車輛使用過程中有可能遇到的多種特種路面(例如:比利時路、坑洼路、搓板路和鐵餅路等)。這種道路試車強度高,載荷大,遠高于-般用戶的使用路況條件。

失效車輛底盤檢查:由于轎車都是承載式車身結構,所以底盤的前后懸架并非一個整體,需要通過與車身聯接來傳遞所承受的來自路面的沖擊載荷。而通常前部底盤稱之為前懸架總成,主要由減振器、轉向節、制動器、副車架、轉向機、傳動軸控制臂、穩定桿和耦合桿等部件組成。而前懸掛與車身聯接主要是靠減振器頂端的螺栓和副車架與車身縱梁的4顆螺栓聯接,如圖1中的紅圈所示。

圖1轎車底盤前副車架構造示意圖

經過對失效車輛的拆解檢查,前懸架所有螺紋聯接點的扭矩符合平時檢驗扭矩范圍要求。進一步拆解發現副車架與車身連接部位的接觸面有錯位摩擦的痕跡,初步估計異響正是來源于此。

但該處的螺栓并無任何異常,螺栓緊固后的頭部劃線也保持完好,并無旋轉松動的跡象。

軸向力不足的原因排查

上文具體介紹了螺紋連接失效的各種類型,既然是在路試階段發現的問題,根據上文對螺紋失效類型的分類可以看到這屬于被聯接件的滑動,由于螺栓的預緊力僅能提供抗衡軸向的外載荷,螺紋聯接對于切向的載荷必須要依賴于螺栓和被聯接件之間應預緊力而產生的摩擦力來抗衡。當切向力大于摩擦力時,螺紋連接的穩定性會被破壞,被聯接件之間產生相對滑動。因此這一失效的核心原因還是螺栓的軸向預緊力不足,那么究竟是什么原因造成的軸向力不足呢?

1、螺栓、螺母零件質量分析

從螺栓硬度、抗拉強度及摩擦系數試驗結果可看到,螺栓的硬度為HRC 35.3、36.1、 35.2,抗拉強度1120~1133 MPa,摩擦系數0.12~0.13,這里的幾個主要性能指標均符合零件設計的要求。即可以排除因為零件質量問題引發的失效失效,需要重新考慮分析方向。

2、緊固過程問題分析

 

圖2為前懸掛與車身聯接裝配的示意圖,德國原設計給定的裝配工藝為扭矩一轉角法控制: 100 Nm+90°,從緊固過程的角度考慮排查以下幾個方面:

1)未按照設計緊固參數緊固——車間實際采用電動帶監控的緊固設備緊固,全緊固過程監控并保存,參數、轉速等完全符合要求;

2)由于零件質量偏差,緊固結果不合格一設備設定緊固合格窗口為156~219 Nm,失效車輛最終緊固扭矩為196 Nm,為一次緊固合格;

3)項目階段車因返工等操作造成螺栓松動檢查隨車跟蹤卡無返工記錄,且螺栓頭部的劃線完整無錯位,更進一步證明了螺栓緊固后無旋轉松動,僅為被聯接件滑動或分離;

4)后續項目車輛跟蹤發現,該失效情況非個案,同批次40%項目車有同樣的問題,且后續全過程跟蹤的車輛也有同樣問題爆發.

以上信息的匯總可以初步排除裝配過程不可靠引發的失效,只能從設計的角度入手。該車型底盤零件完全沿用自一批量生產車型,雖然新車型軸距加長了,車身進行了較大改動,動力總成部分進行了更新,但對于底盤部分基本維持原設計。

因此,從底盤角度看無論是零件還是緊固工藝設計都與批量車型-致,由于資源的問題暫時并不能調用批量車型作為對比,所以只能做一個大膽的假設, 由于車身軸距加長整車質量的加重改變了前懸架的負重而達到了原螺紋聯接設計的臨界點而造成了該缺陷。

由于該新車型大的結構設計已經基本定型,對現有的結構件再進行設計更改非常困難,因此只能嘗試在現有的結構上,通過緊固工藝優化來充分利用現有的螺紋聯接副利用率以嘗試解決該失效。

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