螺栓紧固件是汽车部件连接的主要零部件,其使用性能也是非常重要的。就像现在现在还有很多车辆因为螺栓缺陷,螺母可能脱落等原因会被召回,可见汽车上的螺栓、螺母紧固连接是有多重要,这样的问题一旦发生很可能会造成事故。因此,为了让大家对螺栓失效有更多的了解,中华标准件网根据了解,分享有关螺栓失效形式及原因,还通过汽车前悬架与车身连接螺栓失效的案例来做分析。
螺栓在紧固过程中容易发生的失效
1、螺栓发生颈缩断裂
这里特指螺栓在装配过程中的断裂,需要和使用后的断裂或延迟断裂区分开。当操作工人紧固施加的扭矩过大或螺栓、螺母与接触面上沾染了有润滑作用的物质,这种现象比较容易发生。
2、螺栓被扭断(断裂时螺栓无颈缩)
这是一种在紧固过程中发生的螺栓断裂现象,断口-般比较平滑,类似于剪切断裂。这种现象一般是因为零件异常或装配失误造成扭矩未能有效转化为轴向力,过大的扭矩完全被螺栓本体承受,超出了螺栓所能承受的最大破坏扭矩所造成。
3、螺纹失效(一般称为滑牙或烂牙)
在装配过程中紧固螺栓时,螺栓或螺母的啮合部分全部或部分螺牙从本体上脱落,而不是以上描述的螺栓断裂。这一现象被称为螺纹失效,-般也称为滑牙或烂牙。
4、被联接部件的塑性变形或压溃
这是在螺栓轴向预紧力作用下,被联接部件发生的塑性变形、塑性翘曲或压溃现象。
5、螺栓初始预紧力不足
这指的是紧固后的螺栓联接副中的预紧力未能达到设计预期最终发生失效的现象。当紧固过程中未能按照要求施加扭矩,螺纹因为某种原因咬死或螺栓螺母因为摩擦系数控制不佳时,这种现象容易发生。
螺栓在紧固过程后的常见失效
1、螺栓静态断裂
这是一个非正常大载荷作用在运转的机器上时突然发生的损坏。当出乎意料的大载荷作用在机器上时这种现象容易发生。
2、螺栓疲劳断裂
疲劳断裂是一种小于螺栓抗拉强度的载荷多次循环作用后发生,是在循环载荷作用下,多次疲劳损伤累积造成的损坏。当载荷大于一定极限值且重复多次发生时,易发生这种现象。
3、螺栓氢脆
螺栓紧固后,某个时间螺栓会突然断裂,甚至放置在陈列室中未经触碰或不受任何载荷的情况下都会发生。大多数学者认为是材料或零件的加工过程中渗入到金属中的氢原子破坏了金属内部的晶格,造成了金属的内应力集中,因此也被称作为氢脆。
4、螺栓和被联接件的应力腐蚀开裂
这是一种和氢脆相似的现象,许多材料在拉伸应力和腐蚀性环境这2个条件"下将会发生,甚至在被联接件没有任何外载的情况下也会发生。在高的拉伸应力和该材料所特有的腐蚀性环境这2个条件下,裂纹得以扩展。
5、被联接件分离
由于作用在被联接件上的拉伸载荷大于螺栓的轴向预紧力时,导致被联接件彼此分离。在受到外载荷后的被联接件发生分离可能会导致联接失效和螺栓的疲劳断裂。
6、被联接件相对滑动
由于螺栓的预紧力仅能提供抗衡轴向的外载荷,螺纹联接对于切向的载荷必须要依赖于螺栓和被联接件之间应预紧力而产生的摩擦力来抗衡。滑动产生的相对位移会引发螺栓的旋转松动,如果滑动多次反复发生,会因为磨损而产生非旋转松动或者疲劳断裂。
7、螺栓松动
由于螺栓的紧固本质.上说就是在螺栓上施加轴向预紧力,因此当紧固后这种轴向预紧力下降导致螺纹连接各种功能水平的下降,甚至完全丧失功能的情况被称之为螺栓的松动。
列举:汽车前悬架与车身连接螺栓失效案例
失效案例来源:众所周知,整车路试是整车厂在新车型开发阶段的一个重要的设计验证工作,本文讨论的失效案例正是来自于-款新车型的路试。由于路试的目的是在较短的时间内,让试验车辆经受相当于其正常使用生命周期的使用强度,整个路试过程需挑选世界各地典型的路面状况。
发生问题的车辆是在强化试验道路( EVP )试车时前部底盘发现异响,EVP试验路段全长2.616 km,包括车辆使用过程中有可能遇到的多种特种路面(例如:比利时路、坑洼路、搓板路和铁饼路等)。这种道路试车强度高,载荷大,远高于-般用户的使用路况条件。
失效车辆底盘检查:由于轿车都是承载式车身结构,所以底盘的前后悬架并非一个整体,需要通过与车身联接来传递所承受的来自路面的冲击载荷。而通常前部底盘称之为前悬架总成,主要由减振器、转向节、制动器、副车架、转向机、传动轴控制臂、稳定杆和耦合杆等部件组成。而前悬挂与车身联接主要是靠减振器顶端的螺栓和副车架与车身纵梁的4颗螺栓联接,如图1中的红圈所示。
图1轿车底盘前副车架构造示意图
经过对失效车辆的拆解检查,前悬架所有螺纹联接点的扭矩符合平时检验扭矩范围要求。进一步拆解发现副车架与车身连接部位的接触面有错位摩擦的痕迹,初步估计异响正是来源于此。
但该处的螺栓并无任何异常,螺栓紧固后的头部划线也保持完好,并无旋转松动的迹象。
轴向力不足的原因排查
上文具体介绍了螺纹连接失效的各种类型,既然是在路试阶段发现的问题,根据上文对螺纹失效类型的分类可以看到这属于被联接件的滑动,由于螺栓的预紧力仅能提供抗衡轴向的外载荷,螺纹联接对于切向的载荷必须要依赖于螺栓和被联接件之间应预紧力而产生的摩擦力来抗衡。当切向力大于摩擦力时,螺纹连接的稳定性会被破坏,被联接件之间产生相对滑动。因此这一失效的核心原因还是螺栓的轴向预紧力不足,那么究竟是什么原因造成的轴向力不足呢?
1、螺栓、螺母零件质量分析
从螺栓硬度、抗拉强度及摩擦系数试验结果可看到,螺栓的硬度为HRC 35.3、36.1、 35.2,抗拉强度1120~1133 MPa,摩擦系数0.12~0.13,这里的几个主要性能指标均符合零件设计的要求。即可以排除因为零件质量问题引发的失效失效,需要重新考虑分析方向。
2、紧固过程问题分析
图2为前悬挂与车身联接装配的示意图,德国原设计给定的装配工艺为扭矩一转角法控制: 100 Nm+90°,从紧固过程的角度考虑排查以下几个方面:
1)未按照设计紧固参数紧固——车间实际采用电动带监控的紧固设备紧固,全紧固过程监控并保存,参数、转速等完全符合要求;
2)由于零件质量偏差,紧固结果不合格一设备设定紧固合格窗口为156~219 Nm,失效车辆最终紧固扭矩为196 Nm,为一次紧固合格;
3)项目阶段车因返工等操作造成螺栓松动检查随车跟踪卡无返工记录,且螺栓头部的划线完整无错位,更进一步证明了螺栓紧固后无旋转松动,仅为被联接件滑动或分离;
4)后续项目车辆跟踪发现,该失效情况非个案,同批次40%项目车有同样的问题,且后续全过程跟踪的车辆也有同样问题爆发.
以上信息的汇总可以初步排除装配过程不可靠引发的失效,只能从设计的角度入手。该车型底盘零件完全沿用自一批量生产车型,虽然新车型轴距加长了,车身进行了较大改动,动力总成部分进行了更新,但对于底盘部分基本维持原设计。
因此,从底盘角度看无论是零件还是紧固工艺设计都与批量车型-致,由于资源的问题暂时并不能调用批量车型作为对比,所以只能做一个大胆的假设, 由于车身轴距加长整车质量的加重改变了前悬架的负重而达到了原螺纹联接设计的临界点而造成了该缺陷。
由于该新车型大的结构设计已经基本定型,对现有的结构件再进行设计更改非常困难,因此只能尝试在现有的结构上,通过紧固工艺优化来充分利用现有的螺纹联接副利用率以尝试解决该失效。
