凸轮轴齿轮拧紧螺栓断裂分析

王春雁 范创 王冬雁 纪静

摘要：通过宏观检查、理化检验、装配螺栓拧紧力矩的计算及调查，确定了某型发动机凸轮轴齿轮拧紧螺栓的断裂原因。结果表明：螺栓装配时拧紧力矩过大，远远超过螺栓最大许用拧紧力矩，使螺栓受到了剪切破坏，发动机高速运转下进而受到振动、拉伸等应力作用下最终导致断裂。

关键词：凸轮轴齿轮拧紧螺栓；拧紧力矩；剪切破坏

The Camshaft Gear Screw Down Zhe Bolt Fracture Analysis

Abstract：Through macro examination,physical and chemical proerties testing，mounting bolt tightening torque calculation and investingation and so on. The results show that，when bolt tightening torque is too big ，far exceed the maximum allowable torque of the bolt，the bolt shear failure，engine under high speed and uibration by tensile stress and eventually lead to frature.

Keywords：the camshsft gear screw down the bolt；tightening torque；shear failure

某型柴油发动机工作30min时，发动机突然停机，后无法启动。对该发动机拆卸后发现凸轮轴齿轮拧紧螺栓全部断裂，螺栓共六个。螺栓规格为M8、10.9级，材料为40Cr钢。为查找螺栓断裂原因，预防断裂再次发生，对该拧紧螺栓进行检验和分析。

1.理化检验

1.1断口宏观检验

六个螺栓均断于距螺栓头部第3、4扣螺纹处，断裂部位有剪切痕迹，有轻微的拉长，断口较平齐，无疲劳痕迹，未见疲劳纹。六个螺栓头部均有与接触面摩擦痕迹，其中5个螺栓磨痕面均较大，大约占总面积的2/3，1个螺栓的磨痕面较小，大约占总面积的1/3，且磨痕面积小的螺栓断口处有碰伤，碰伤处有蓝色磨痕，把此螺栓标为1号，其余5个螺栓依次为2到6号。断口形貌见图1。.

图1

1.2化学成分

钢材的化学成分在很大程度上决定了它的机械性能，因此对六个断裂螺栓进行主要成分的检测，检测结果符合国家标准GB/T3077-1999 ，见表1。

表1断裂螺栓的化学成分（质量分数）

Tab. 1Chemical compositions of the frature (mass) ％

编号 C Si Mn Cr S P

不大于

1 0.41 0.20 0.62 1.01 0.023 0.009

2 0.43 0.18 0.63 1.00 0.021 0.010

3 0.42 0.19 0.65 1.02 0.021 0.009

4 0.42 0.18 0.62 1.02 0.022 0.011

5 0.41 0.18 0.62 1.01 0.021 0.010

6 0.43 0.19 0.61 1.02 0.023 0.010

标准值 0.37~0.44 0.17~0.37 0.50~0.80 0.80~1.10 0.035 0.035

1.3机械性能

1.3.1 钢材的机械性能是重要的质量指标，对断裂螺栓同批购进的螺栓抽取5个螺栓进行拉伸和硬度检测，检测结果符合国家标准GB/T3098.1-2010,检测结果见表2。

表2 螺栓拉伸及硬度检测结果

Tab.2 Results of bolt tensile and hardness test

编号 屈服强度(Rel)Mpa 断裂强度(Rm)Mpa 断裂延伸率(A)% 硬度

HRC 备注

1 995 1080 10.0 33 实测值

2 1025 1130 9.5 35

3 1035 1132 9.0 33

4 1040 1145 9.0 35

5 1033 1137 9.5 36

≥940 ≥1040 ≥9.0 32~39 标准值

1.3.2 对6个断裂螺栓进行硬度检测，硬度为HRC32~36，符合国家标准GB/T3098.1-2010要求。

1.4 金相检测分析，

1.4.1 非金属夹杂物的检测

对失效的断裂螺栓在断口处纵向取样，经过磨、抛制样，然后在Nephot金相显微镜100倍下观察，根据国家标准GB/T10561-2005，断裂螺栓基体的非金属夹杂物级别为A1、B0、C0、D0.5，符合技术要求。

1.4.2 金相显微组织的检测

对断裂螺栓横剖纵剖取样，取样后磨、抛，然后用4%硝酸酒精侵蚀，侵蚀后在Nephot金相显微镜400倍下检测显微组织，组织均为均匀的回火索氏体，是正常的调质组织，见图2。

图2

2.螺栓拧紧力矩

进行螺栓最大许用拧紧力矩的计算：

Tmax=0.12RelAsd [1]

Tmax：最大许用拧紧力矩单位：Nm

Rel：屈服强度 （公称）单位：Mpa

As:螺纹公称应力截面积 单位：mm2

d:螺纹的公称直径单位：mm

As=

螺栓螺纹螺距：P1.25mm

螺栓原始三角形高度H H=0.866P=1.083mm

外螺纹小径d1d1=d-2× H=6.65mm

外螺纹中径= d-2× H=7.19mm

计算直径 = d1- H=6.47mm

As==36.62 mm2

Tmax=0.12RelAsd=0.12×900[2]×36.62×8/1000=31.6Nm

通过计算得出螺栓最大许用拧紧力矩为31.6Nm。

一般实际采用拧紧力矩

T=0.8Tmax=0.8×31.6=25.3 Nm

到现场调查得知操作员工在装配此六个螺栓使用的拧紧力矩为70 Nm，此规格螺栓的最小破坏扭矩为40Nm[3]，装配实际拧紧力矩远远超过了螺栓最大拧紧许用力矩。

3.分析及结论

(1)从宏观检测此六个螺栓不是疲劳断裂。其中1号螺栓头部磨痕面积最小，且断口处有碰伤和磨痕，后5个螺栓头部磨痕面积较大且断口形貌相似，因此判断1号螺栓首先断裂，随后2~6号5个螺栓几乎同时断裂。

(2)螺栓经过化学分析、机械性能、金相检验，螺栓均符合要求，说明此批螺栓质量是合格的。

(3)螺栓断裂的原因之一是拧紧力矩不足或拧紧力矩过大，拧紧力矩不足会导致螺栓松动，进而螺栓会发生疲劳断裂。拧紧力矩过大会使螺栓受到剪切破坏，在高速旋转的振动应力和拉伸应力下很快发生断裂。六个螺栓的装配过程中，实际拧紧力矩远远超过螺栓的拧紧许用力矩，使螺栓受到了剪切应力而被破坏，在随后发动机高速运转过程中又受到了大的振动、拉伸应力最终导致断裂。

4.参考文献

[1] 《机械设计手册》

[2]GB3098.1-2000《緊固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》

[3]GB3098.13-1996《紧固件机械性能 螺栓和螺钉的扭矩实验和破坏扭矩 公称直径1~10mm》