摘 要:某新能源客車上的電容支架固定螺栓發(fā)生批量斷裂.通過對斷裂螺栓進(jìn)行宏觀觀察、 力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析等,分析了其斷裂原因.結(jié)果表明:螺栓的斷裂為雙向彎曲 疲勞斷裂;發(fā)生斷裂的主要原因是電容支架與車架連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松動,使螺栓受到 彎曲交變應(yīng)力作用;次要原因是螺紋表面脫碳,降低了螺栓的疲勞強(qiáng)度.

  關(guān)鍵詞:電容支架;螺栓;雙向彎曲;疲勞斷裂;連接結(jié)構(gòu) 

中圖分類號:TG１４２.１               文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B              文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０３Ｇ０２１４Ｇ0３

某客車公司生產(chǎn)的長１２ m 新能源客車,行駛 到８０００km 左右時(shí),電容支架固定螺栓發(fā)生批量斷 裂.螺栓斷裂導(dǎo)致電容固定松動,整車電控系統(tǒng)異 常,電源切斷,整車無法行駛. 

通過調(diào)查 了 解 到,新 能 源 客 車 一 天 需 要 運(yùn) 行 ２６０km,行駛過程中有５０km 顛簸路況.根據(jù)新 能源客車的 整 體 布 局 設(shè) 計(jì) 要 求,電 容 必 須 安 裝 在 客車車身 后 部,電 容 質(zhì) 量 為 １５０kg.電 容 是 新 能 源客車主要 的 零 部 件 構(gòu) 成 部 分,電 容 支 架 固 定 螺 栓是固定電容的主要部件.電容支架在客車上的 安裝位置如 圖 １ 所 示,電 容 支 架 固 定 螺 栓 的 安 裝 示意圖見圖２.

圖２中,６mm 鋼板為電容支架底板,整個(gè)支架 通過４個(gè) M８ mm×４０ mm 螺栓(性能等級為８．８ 級)與車身底架８mm 鋼板進(jìn)行連接;在６mm 鋼板 與８mm 鋼板之間有３mm 地板革和１５mm 竹地 板;車身底架８mm 鋼板上的螺紋孔,是通過先鉆直 徑６．５mm 的通孔,然后用絲錐攻絲加工出 M８mm螺紋孔得到的;最后安裝螺栓,將電容支架固定. 

為了查明該批螺栓的斷裂原因,防止此類問題 的再發(fā)生,筆者對其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和綜合分析.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀觀察 

對兩件斷裂的電容支架固定螺栓進(jìn)行了分析, 這兩件斷裂的螺栓(圖３中的１號、２號)分別是兩 臺客車上的.同時(shí)對兩件全新未使用的螺栓(圖３ 中的３號、４號)也進(jìn)行了理化檢驗(yàn),用以與失效螺 栓進(jìn)行比較分析.由于兩件斷裂螺栓的另一半斷口 卡在鋼板內(nèi)不易取出,因此無法對另一半進(jìn)行分析. 從斷裂的螺栓殘件來看,實(shí)際測得兩件螺栓的斷裂 位置距端 部 距 離 分 別 為 ３０,２７ mm.從 結(jié) 構(gòu) 圖 上 看,螺栓端部距８mm 鋼板上部的距離為２７．５mm (查手 冊 可 知:平 墊 厚 度 為 １．５ mm,彈 墊 厚 度 為 ２mm).由此可知螺栓的斷裂位置正好位于８mm 鋼板上邊緣附近.

兩件斷裂螺栓殘件頭部下方的幾扣螺紋可見 有磨損和擠壓痕跡.螺栓表面鍍鋅,無污損,無銹 蝕,兩件斷裂螺栓的斷口宏觀形貌見圖４~５.螺 栓斷口平整,斷面無肉眼可見夾雜物,斷口無陳舊 裂紋.斷面平整區(qū)隱約可見貝殼紋花樣的疲勞弧 線.疲勞紋從兩側(cè)螺紋牙底表面開始向心部擴(kuò)展 至最終斷裂 區(qū),疲 勞 區(qū) 占 據(jù) 整 個(gè) 斷 口 的 大 部 分 區(qū)域,終斷區(qū)面積很小,僅在靠近斷口邊緣處形成窄 長的塑性撕 裂 區(qū),螺 栓 斷 口 具 有 雙 向 彎 曲 疲 勞 斷 裂特征[１Ｇ２].

１．２ 力學(xué)性能測試 

對４件螺栓進(jìn)行了力學(xué)性能測試,結(jié)果如表１ 所示.由結(jié)果可知,螺栓的強(qiáng)度和硬度已經(jīng)超出了 GB/T３０９８．１－２０１０«緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和 螺柱»對 ８．８ 級螺栓的技術(shù)要求,達(dá)到了 ９．８ 級的 要求. 

１．３ 金相檢驗(yàn) 

對兩件斷裂螺栓的脫碳層深度和基體顯微組織 進(jìn)行了金相檢驗(yàn),結(jié)果如表２和圖６~７所示.由檢 驗(yàn)結(jié)果可知,螺栓基體的顯微組織正常,但全脫碳層 的深度不符合 GB/T３０９８．１－２０１０的要求.

１．４ 化學(xué)成分分析 

該螺栓材料為４５鋼,依據(jù)相應(yīng)的實(shí)施細(xì)則和國 家標(biāo) 準(zhǔn) GB/T２０１２３－２００６,GB/T２２３．５－２００８, GB/T２２３．６３－１９８８及 GB/T２２３．５９－２００８,對碳、 硫、硅、錳、磷５種元素含量進(jìn)行分析,結(jié)果見表３. 從分析結(jié)果可見,除了碳、硅元素含量低于技術(shù)要求 外,其余元素含量均符合技術(shù)要求. 

１．５ 安裝結(jié)構(gòu)分析 

從圖２可見,電容支架為多層結(jié)構(gòu),６mm 鋼板 上的螺栓安裝孔直徑為１２ mm,地板革、竹地板以及８mm 鋼板上的螺紋孔,是通過先鉆直徑６．５mm 的通孔,然后用絲錐攻絲加工出 M８ mm 螺紋孔得 到的.對８mm 直徑的螺栓來說,６ mm 鋼板上的 螺栓安裝孔直徑偏大,不利于被固定物的定位及螺 栓緊固. 

２ 分析與討論 

從宏觀形貌分析結(jié)果可知,螺栓斷口為疲勞斷 口,疲勞裂紋從兩側(cè)螺紋牙底起源向心部擴(kuò)展,說明 螺栓斷裂為雙向彎曲疲勞斷裂.金相檢驗(yàn)結(jié)果顯 示,螺栓基體顯微組織正常,但螺紋表面脫碳明顯, 全脫碳層深度超出標(biāo)準(zhǔn)要求.螺紋的脫碳會降低螺 栓的疲勞強(qiáng)度,縮短螺栓的疲勞壽命[３Ｇ４].

由圖２可知,螺栓連接的結(jié)構(gòu)不是剛性結(jié)構(gòu),其 中存在竹地板、地板革等柔性結(jié)構(gòu).地板革老化和 竹地板受潮變形都是不可避免的,因此不能保證螺 栓始終處于緊固狀況.在車輛行駛過程中,特別是 在惡劣的路況條件下,如果沒有其他方式定位,僅靠 ４個(gè) M８ mm×４０ mm 螺栓兼帶有定位功能,并不 能保證電容支架與車架之間不發(fā)生相對位移(或者 說螺栓的定位能力不足).如果位移發(fā)生,螺栓會受 到 彎 曲 交 變 應(yīng) 力. 電 容 及 電 容 支 架 總 質(zhì) 量 約 １５０kg,在車輛運(yùn)行過程中必定會產(chǎn)生慣性力和振 動.在復(fù)雜環(huán)境作用下,竹地板和地板革會老化變 形,導(dǎo)致螺栓松動.螺栓松動又會增加電容和支架 的慣性力,當(dāng)這種振動和慣性力達(dá)到螺栓材料的屈 服點(diǎn)附近時(shí),就會導(dǎo)致螺栓快速破壞.因此導(dǎo)致螺 栓發(fā)生疲勞斷裂的主要作用力來源于螺栓松動,支 架滑移給螺栓施加了彎曲交變應(yīng)力.

３ 結(jié)論及建議

 螺栓斷裂 為 雙 向 彎 曲 疲 勞 斷 裂,斷 裂 原 因 有 兩點(diǎn).第一 點(diǎn) 主 要 原 因 為,電 容 支 架 與 車 架 連 接 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng),非螺栓連接的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu),無法保 證鎖緊力矩的穩(wěn)定維持,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松動;同時(shí)電容 支架產(chǎn)生滑移,承受后續(xù)沖擊性脈動載荷時(shí),螺栓 會受到彎曲交變應(yīng)力的作用而發(fā)生疲勞斷裂.第 二點(diǎn)次要原 因 為 螺 紋 表 面 脫 碳,降 低 了 螺 栓 的 疲 勞強(qiáng)度. 

建議整車設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步改善電容支架與車架 的連接結(jié)構(gòu),結(jié)合電動車的發(fā)展趨勢設(shè)計(jì)比較小巧 的電容,減輕電容自身質(zhì)量,同時(shí)質(zhì)量部門也要注意 檢驗(yàn)螺栓的質(zhì)量. 

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<文章來源  > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 53卷 > 3期 (pp:214-216)>