导读
作者：董新权１,杨冬梅２(１．东风襄阳旅行车有限公司,襄阳４４０１００;２．湖北省机电研究设计院股份公司,武汉４３００７０)
来源：《理化分析：物理分册》2017年第53卷
摘要：某新能源客车上的电容支架固定螺栓发生批量断裂.通过对断裂螺栓进行宏观观察、 力学性能测试、金相检验、化学成分分析等,分析了其断裂原因.结果表明:螺栓的断裂为双向弯曲 疲劳断裂;发生断裂的主要原因是电容支架与车架连接结构设计不当,导致结构松动,使螺栓受到 弯曲交变应力作用;次要原因是螺纹表面脱碳,降低了螺栓的疲劳强度.
某客车公司生产的长１２m 新能源客车,行驶到８０００km 左右时,电容支架固定螺栓发生批量断裂.螺栓断裂导致电容固定松动,整车电控系统异常,电源切断,整车无法行驶.通过调查了解到,新能源客车一天需要运行２６０km,行驶过程中有５０km 颠簸路况. 根据新能源客车的整体布局设计要求,电容必须安装在客车车身后部,电容质量为１５０kg. 电容是新能源客车主要的零部件构成部分,电容支架固定螺栓是固定电容的主要部件. 电容支架在客车上的安装位置如图１所示,电容支架固定螺栓的安装示意图见图２.
图１ 客车上的电容支架外观
图２中,６mm 钢板为电容支架底板,整个支架通过４个M８mm×４０mm 螺栓(性能等级为８．８级)与车身底架８mm 钢板进行连接;在６mm 钢板与８mm 钢板之间有３mm 地板革和１５mm 竹地板;车身底架８mm 钢板上的螺纹孔,是通过先钻直径６．５mm 的通孔,然后用丝锥攻丝加工出M８mm螺纹孔得到的;最后安装螺栓,将电容支架固定.
为了查明该批螺栓的断裂原因,防止此类问题的再发生,笔者对其进行了理化检验和综合分析.
图２ 电容支架固定螺栓的安装图
１ 理化检验
１．１ 宏观观察
对两件断裂的电容支架固定螺栓进行了分析,这两件断裂的螺栓(图３中的１号、２号)分别是两台客车上的.同时对两件全新未使用的螺栓(图３中的３号、４号)也进行了理化检验,用以与失效螺栓进行比较分析.由于两件断裂螺栓的另一半断口卡在钢板内不易取出,因此无法对另一半进行分析.从断裂的螺栓残件来看,实际测得两件螺栓的断裂位置距端部距离分别为３０,２７ mm. 从结构图上看,螺栓端部距８mm 钢板上部的距离为２７．５mm (查手册可知:平垫厚度为１．５ mm,弹垫厚度为２mm).由此可知螺栓的断裂位置正好位于８mm钢板上边缘附近.
两件断裂螺栓残件头部下方的几扣螺纹可见有磨损和挤压痕迹. 螺栓表面镀锌,无污损,无锈蚀,两件断裂螺栓的断口宏观形貌见图４~５. 螺栓断口平整,断面无肉眼可见夹杂物,断口无陈旧裂纹.断面平整区隐约可见贝壳纹花样的疲劳弧线.疲劳纹从两侧螺纹牙底表面开始向心部扩展至最终断裂区,疲劳区占据整个断口的大部分区域,终断区面积很小,仅在靠近断口边缘处形成窄长的塑性撕裂区,螺栓断口具有双向弯曲疲劳断裂特征[１Ｇ２].
１．２ 力学性能测试
对４件螺栓进行了力学性能测试,结果如表１所示.由结果可知,螺栓的强度和硬度已经超出了GB/T３０９８．１－２０１０«紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱»对８．８级螺栓的技术要求,达到了９．８级的要求.
１．３ 金相检验
对两件断裂螺栓的脱碳层深度和基体显微组织进行了金相检验,结果如表２和图６~７所示.由检验结果可知,螺栓基体的显微组织正常,但全脱碳层的深度不符合GB/T３０９８．１－２０１０的要求.
１．４ 化学成分分析
该螺栓材料为４５钢,依据相应的实施细则和国家标准GB/T２０１２３－２００６,GB/T２２３．５－２００８,GB/T２２３．６３－１９８８及GB/T２２３．５９－２００８,对碳、硫、硅、锰、磷５种元素含量进行分析,结果见表３.从分析结果可见,除了碳、硅元素含量低于技术要求外,其余元素含量均符合技术要求.
１．５ 安装结构分析
从图２可见,电容支架为多层结构,６mm 钢板上的螺栓安装孔直径为１２mm,地板革、竹地板以及８mm 钢板上的螺纹孔,是通过先钻直径６．５mm的通孔,然后用丝锥攻丝加工出M８mm 螺纹孔得到的.对８mm 直径的螺栓来说,６mm 钢板上的螺栓安装孔直径偏大,不利于被固定物的定位及螺
栓紧固.
２ 分析与讨论
从宏观形貌分析结果可知,螺栓断口为疲劳断口,疲劳裂纹从两侧螺纹牙底起源向心部扩展,说明螺栓断裂为双向弯曲疲劳断裂. 金相检验结果显示,螺栓基体显微组织正常,但螺纹表面脱碳明显,全脱碳层深度超出标准要求.螺纹的脱碳会降低螺栓的疲劳强度,缩短螺栓的疲劳寿命[３Ｇ４].
由图２可知,螺栓连接的结构不是刚性结构,其中存在竹地板、地板革等柔性结构.地板革老化和竹地板受潮变形都是不可避免的,因此不能保证螺栓始终处于紧固状况.在车辆行驶过程中,特别是在恶劣的路况条件下,如果没有其他方式定位,仅靠４个M８mm×４０mm 螺栓兼带有定位功能,并不能保证电容支架与车架之间不发生相对位移(或者说螺栓的定位能力不足).如果位移发生,螺栓会受到弯曲交变应力. 电容及电容支架总质量约１５０kg,在车辆运行过程中必定会产生惯性力和振动.在复杂环境作用下,竹地板和地板革会老化变形,导致螺栓松动.螺栓松动又会增加电容和支架的惯性力,当这种振动和惯性力达到螺栓材料的屈服点附近时,就会导致螺栓快速破坏.因此导致螺栓发生疲劳断裂的主要作用力来源于螺栓松动,支架滑移给螺栓施加了弯曲交变应力.
３ 结论及建议
螺栓断裂为双向弯曲疲劳断裂,断裂原因有两点.第一点主要原因为,电容支架与车架连接结构设计不当,非螺栓连接的稳定性结构,无法保证锁紧力矩的稳定维持,导致结构松动;同时电容支架产生滑移,承受后续冲击性脉动载荷时,螺栓会受到弯曲交变应力的作用而发生疲劳断裂. 第二点次要原因为螺纹表面脱碳,降低了螺栓的疲劳强度.
建议整车设计人员进一步改善电容支架与车架的连接结构,结合电动车的发展趋势设计比较小巧的电容,减轻电容自身质量,同时质量部门也要注意检验螺栓的质量.
