发动机凸轮轴正时带轮紧固螺栓断裂原因分析

(上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心，上海 200438)

汽车发动机是由众多零部件通过焊接、铆接、粘接或螺纹连接等方式装配而成的机器，其中螺纹连接所占比例最大。一台发动机含有300～500个螺栓(钉)，30%的螺栓位于发动机的重要位置，因此螺栓本身的制造质量和装配质量直接影响发动机的使用性能。某发动机台架耐久试验(800 h动态台架耐久试验)进行至545 h时，凸轮轴正时带轮紧固螺栓发生断裂。该螺栓材料为28B2钢，生产工艺为调质处理后螺纹成型，性能等级为10.9级，规格为M12 mm×1.25 mm×80 mm，夹紧长度为64 mm。为了查明该螺栓的断裂原因，避免类似失效的再次发生，笔者对其进行了检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观检验

断裂螺栓宏观形貌如图1所示，可见其无明显塑性变形，断口位于距法兰面第49～50节螺纹间，部分螺纹磨损严重。实际测得断口至螺栓法兰面的距离为64 mm，说明断裂位置在螺栓夹紧处的螺纹旋合部位。

图1 断裂螺栓的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fractured bolt

1.2 化学成分分析

对螺栓取样，使用SPECTRO MAXx06型直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。可见螺栓的各元素含量均符合厂家内部标准对28B2钢的成分要求。

表1 断裂螺栓的化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Chemical composition analysis results of fractured bolt (mass fraction) %

1.3 硬度测试

使用Wilson R574型洛氏硬度计对螺栓的螺纹端心部位置进行硬度测试，测试结果为38.1, 38.3, 38.3 HRC，可见螺栓的硬度符合GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》中10.9级螺栓洛氏硬度为32～39 HRC的要求。

1.4 金相检验

对断裂螺栓取样，使用Zeiss Axio Imager M2m型光学显微镜进行金相检验，结果如图2所示。可见螺栓的心部组织正常，为回火索氏体[1-2]，螺纹表面无脱碳现象，螺纹牙底光滑，无尖角、缺口和裂纹等。

图2 断裂螺栓的显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of fractured bolt: a) thread heart; b) thread surface; c) thread root

1.5 断口分析

将螺栓断口清洗干净后，使用Zeiss EVO18型扫描电子显微镜进行微观形貌观察，断口整体形貌如图3所示，将断口标记为A～F共6个区域。裂纹源位于螺纹牙底A区域处，有若干起源点，如图4a)所示；B，C，D区域可见疲劳辉纹和大致平行的二次裂纹，具有疲劳断裂特征[3-5]，如图4b)～d)所示；E和F区域可见韧窝形貌，如图4e)和图4f)所示。

图3 螺栓断口整体形貌Fig.3 Overall morphology of bolt fracture

2 分析与讨论

螺栓发生疲劳的原因一般有两个方面：①螺栓本身存在制造缺陷(材料裂纹、热处理裂纹、加工缺陷等)，在使用过程中螺栓受到振动作用，该缺陷成为疲劳源，最终导致断裂；②装配过程中螺栓未拧紧或螺栓未达到设计要求的预紧力，在使用过程中螺栓松动引起疲劳断裂[6]。上述理化检验结果表明，该螺栓的制造质量没有问题，因此排除第一方面的因素。

该凸轮轴正时带轮紧固螺栓设计要求的预紧力应不小于65 kN，装配工艺采用扭矩法(110 N·m)。由于扭矩装配方法中摩擦因数对螺栓预紧力的影响很大，取3根同批次螺栓进行摩擦因数试验，结果分别为0.12，0.11，0.11，均在企业内控要求(0.08～0.14)内，因此排除摩擦因数不稳定导致螺栓预紧力偏差大的情况。

通过超声波技术进一步验证110 N·m扭矩的装配工艺能否达到螺栓预紧力要求。超声波测试螺栓轴力是一种间接测试方法，其基本原理为声弹性理论。螺栓在拧紧过程中自身会伸长，同时产生轴向力，超声波从螺栓一端传向另一端再反射回来会形成时间差，该时间差恰好与伸长量成正比，在弹性范围内根据胡克定律就可以得出螺栓轴力与超声波时间差的正比关系[7]。取若干同批次螺栓，使用MC950数采仪和摩擦因数试验台获得螺栓轴力与超声波时间差的关系曲线，结果如图5所示。随机抽取一台组装中的发动机，对110 N·m扭矩装配工艺拧紧后的凸轮轴正时带轮紧固螺栓进行轴力测试，测试结果仅为50 kN。因此该螺栓的断裂原因为未紧固到设计要求的预紧力，这导致其在使用过程中出现松动，最终造成疲劳断裂。

图4 螺栓断口A-F区域形貌Fig.4 Morphology of area A-F of bolt fracture

图5 螺栓轴力与超声波时间差关系曲线Fig.5 Correlation curve between bolt axial force and ultrasonic time difference

3 结论及建议

该凸轮轴正时带轮紧固螺栓的断裂模式为疲劳断裂。螺栓未紧固到设计要求的预紧力，导致螺栓在使用过程中出现松动，松动的螺栓受到交变应力的作用在凸轮轴内部不断振动，于螺栓夹紧处的螺纹旋合部位萌生裂纹，最终发生疲劳断裂。

建议重新制定凸轮轴正时带轮紧固螺栓的装配工艺，必要时可采用扭矩转角法，以确保螺栓被紧固到设计要求的预紧力。