微车自动张紧轮紧固螺栓断裂分析

韦耀华

摘 要：本文针对公司某车型自动张紧轮螺栓断裂问题，通过紧固件质量检测 ，模拟装配分析，SEM、金相检测，硬度检测等理化分析，发现张紧轮螺栓螺牙附近初始的微裂纹是造成螺栓断裂的诱因，此外被连接件的平面度超出规定要求，也是造成螺栓最终断裂的原因。

关键词：张紧轮；螺栓；微裂纹；平面度

中图分类号：TH131 文献标识码：A

张紧轮用于汽车传动系统的皮带张紧装置，主要由固定壳体、张紧臂、轮体、扭簧、滚动轴承等组成，如图1所示为张紧轮的示意图及实物图，张紧轮能根据皮带的不同松紧程度自动调整张紧力，其工作状态直接影响汽车传动系统运行的安全平稳性。某汽车生产企业自2015年3月份，遇到多例自动张紧轮紧固螺栓断裂问题。表1为其中两例张紧轮螺栓断裂的售后信息。图2为断裂螺栓样件。张紧轮螺栓规格为M10x1.25x75六角法兰面螺栓，强度等级为10.9级，材料为SCM435，硬度要求为32-39HRC。为了找出造成螺栓断裂的原因，提高整车质量。对张紧轮螺栓进行了相应的检测。

1.断裂零件整体外观检查

首先从外观观察张紧轮紧固螺栓断裂情况，如图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）所示张紧轮螺栓断裂处均位于螺纹旋合第一牙位置处，螺杆部分和螺牙部分有明显磨痕，螺杆根部具有挤压痕迹。初步验证是由于预紧力不足导致螺栓松动。

2.理论计算

张紧轮受主要外力来源为皮带给张紧轮的力，其最大值为1230N，如图4所示，将此力等效转换为作用在o点（螺栓处）的径向力F径向和转矩M：

螺栓处受到的力F径向=1230N，转矩M=67.65N·m

连接面之间的夹紧力要保障，张紧轮在F径向力作用下不发生滑移，在转矩M作用下不发生转动。

按照不滑移条件确定

在横向力FPH的作用下，连接结合面间可能产生滑移。为防止滑移，其结合面间的摩擦力必须大于横向载荷，该摩擦力由剩余预紧力产生，并考虑轴向力FPV对预紧力的影响，得出被连接件不滑移的条件为：

综合上面两个计算结果，两者较大的为螺栓需要提供的最小预紧力为23.5kN。

根据国家标准 GB/T 16823.2-1997《螺纹紧固件紧固通则》中扭矩计算公式T=KFD，扭矩系数K经过扭矩夹紧力试验测得为0.17，则张紧轮螺栓紧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确定，经螺栓实测为100N·m，即张紧轮紧固螺栓拧紧时所需要的最小扭矩为40N.m，螺栓能承受的最大扭矩为100N·m。张紧轮螺栓的设计扭矩为45-55N·m满足使用要求。将零件按照车间50N·m的拧紧扭矩进行模拟装配试验，测得螺栓的轴向夹紧力大于30kN，大于设计要求的最小加紧23.5kN的要求，能满足使用。

3.螺栓質量检测

为了验证是否是螺栓本身质量问题造成的螺栓断裂，进行了以下试验验证。

3.1螺栓断口分析（SEM）

将断口置于扫描电镜下观察，图5是裂纹源区低倍形貌，断裂截面是整体性的，断口比较平整，没有缩颈现象，螺栓发生了疲劳断裂，白色箭头是裂纹发展方向。疲劳源区占螺栓断面圆周的1/2以上。对疲劳源区进行放大如图6（a）、图6 （b）发现，该区域具有“疲劳辉纹”的形貌特征，螺牙根部具有裂纹缺陷，该裂纹缺陷是疲劳源；对疲劳过度区如图6（c）放大发现，该区域具有“疲劳辉纹”的形貌特征。终断区如图6（d）具有韧窝的形貌特征。综合上述断口SEM分析，断口附近无明显塑性变形，表明螺栓不是由过载引起的，该螺栓存在较长的裂纹缺陷，该裂纹缺陷处受到应力集中，是疲劳源区，在外界载荷状况下进一步扩展。

3.2表面质量检测SEM

（1）对断裂的螺栓、装配张紧轮后拧下来的螺栓以及未装配过的新螺栓，进行表面放大观察，如图7所示，3种螺栓均存在不同程度的初始裂纹、折叠纹等缺陷。螺栓螺牙表面质量差。

4.金相检测

将本次断裂的螺栓，装配后拆卸下来的螺栓，未使用的新螺栓制成金相试验，在光学显微镜下进行观察。结果如图8所示。

（a）断裂的螺栓

螺栓金相检测发现螺牙边缘有裂纹，螺栓芯部是铁素体与粒状碳化物的机械混合物，即回火索氏体如图8所示（c）且整体较为均匀，表面无明显的脱碳和渗碳现象，属于正常的调质组织。但多处螺纹尖端发现细长微裂纹；综合观察新螺栓金相组织合格，但螺牙边缘具有初始裂纹。

（b）接着对为使用过的新螺栓及装配张紧轮拆卸下来的螺栓做金相检测如图9、图10所示，发现与断裂螺栓一样，螺栓芯部组织为回火索氏体，组织较为均匀，但在螺纹牙边缘具有初始裂纹缺陷。

综上金相检测，3种螺栓金相组织合格但是螺牙边缘有微裂纹，微裂纹也许是导致紧固螺栓断裂的原因。

5.硬度检测

根据《GBT 3098.1-2010 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》查得 10.9级螺栓硬度要求为32HRC～39HRC。

本次试验对断裂的螺栓、装配使用过的螺栓以及新螺栓进行硬度检测，相关检测数据见表2，所有状态螺栓的硬度均合格。（测试其洛氏硬度，载荷1471N保载15s，结果显示，断裂螺栓的平均硬度值为 ，符合技术要求的32-39HRC。相关参数见表2。

6.疲劳检测

对该批次的未使用过的新螺栓按照疲劳试验要求GB/T13682，对样件进行疲劳试验。实验结果（见表3）：（1）试验1 按照轴向力30kN，应力幅3kN、频率60Hz对张紧轮螺栓进行轴向疲劳试验，螺栓在44.88万次发生断裂，远低于500万次的螺栓疲劳试验要求。（2）试验2 按照轴向力30kN、应力幅2.5kN、频率60Hz进行轴向疲劳试验。螺栓在68.97万次时发生断裂，远低于500万次的螺栓疲劳试验要求。endprint

通过疲劳试验，可以判定这批次螺栓不符合螺栓疲劳试验要求，疲劳试验断裂样件如图11所示。

7.张紧轮平面度检测

综合以上计算及检测数据，可以发现张紧轮螺栓的扭矩设定，金相组织、硬度等都符合要求，但是螺栓表面质量较差，螺栓的疲劳寿命也低于要求值。初步判定是螺栓螺牙的微裂纹导致螺栓应力集中产生疲劳断裂。

为了进一步探究是否还有其他原因导致紧固螺栓断裂，对模拟装配后拆卸下的张紧轮进行观察，发现张紧轮螺栓法兰面与张紧轮中间套筒之间有明显摩擦痕迹，螺栓法兰与张紧轮接触面之间有摩擦铁屑如图12、图13所示。螺栓的预紧力此时主要作用在张紧轮中间套筒上，螺栓与张紧轮套筒接触面之间是线接触而不是面接触，接触面較小，螺栓防松性能差，加速螺栓疲劳断裂。此外张紧轮与铝支架连接面上有被压溃的压痕如图14、图15所示，说明张紧轮连接面平面度不足，经质量部抽查两件平面度分别为0.275与0.24，远大于设计要求的平面度0.1的设计要求。

结论

综合上面检测试验及计算结果发现，张紧轮紧固螺栓的扭矩设定，金相组织、硬度等指标符合设计要求。造成张紧轮紧固螺栓断裂因素主要有两个，一是张紧轮紧固螺栓的表面质量不好，有初始微裂纹及折叠纹等缺陷很可能是在搓丝阶段工艺控制不当，调制处理时冷加工产生的微裂纹在淬火应力作用下进一步扩展造成。这些缺陷是疲劳源，导致张紧轮受力时产生应力集中，降低使用寿命，螺栓的疲劳试验也验证了这一点。另外一个原因是该批次张紧轮的平面度不足，平面度大于设计要求，造成螺栓的应力幅过大，同时平面度不足，在材料被压溃产生压痕后，会造成螺栓扭矩衰减，导致紧固件松脱，加速了螺栓的疲劳断裂。可以通过改善螺栓冷加工工艺，增加冷加工后螺栓的抽检，进行分析观测是否有微裂纹等缺陷产生，以便及时发现和处理。另外对张紧轮平面度进行检测，改善张紧轮表面加工工艺，提高张紧轮平面质量等措施，避免张紧轮螺栓疲劳断裂的发生。

参考文献

[1]GB/T 16823.2-1997，螺纹紧固件紧固通则[S].

[2]沈大兹.螺栓拧紧技术及相关标准的建立[J].轻型汽车技术，2009（12）：13-22.

[3]GB/T 16823.3-2010，螺纹紧固件紧固通则[S].endprint