分享：发动机凸轮轴正时带轮紧固螺栓断裂原因分析

摘 要:某汽车发动机凸轮轴正时带轮紧固螺栓在台架耐久试验中发生断裂.通过宏观检验、 化学成分分析、硬度测试、金相检验以及断口分析等方法对螺栓的断裂原因进行了分析.结果表 明:该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,导致其在使用过程中发 生松动,在交变应力作用下螺栓螺纹旋合部位萌生裂纹,最终导致螺栓发生疲劳断裂. 

关键词:凸轮轴正时带轮;螺栓;疲劳断裂;预紧力 

中图分类号:TG１１５                       文献标志码:B              文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ００４１Ｇ０３

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(８００h动态台架 耐久试验)进行至５４５h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 M１２mm×１．２５mm×８０mm,夹紧长度为６４mm. 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６４mm,说明断裂位置在螺栓夹紧处的螺纹 旋合部位.

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.

１．３ 硬度测试 

使用 WilsonR５７４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/T３０９８．１－ 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３２~３９HRC的要求. 

１．４ 金相检验 

对 断 裂 螺 栓 取 样,使 用 Zeiss AxioImager 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[１Ｇ２], 螺纹表面无脱碳现象,螺纹牙底光滑,无尖角、缺口 和裂纹等.

１．５ 断口分析 

将螺栓断口清洗干净后,使用ZeissEVO１８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[３Ｇ５],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. 

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６５kN,装配工艺采用扭矩法(１１０N??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１１０N??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１１０N??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５０kN.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.

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.

参考文献: 

[１] 李炯辉．金属材料金相图谱(上下册)[M]．北京:机械 工业出版社,２０１６． 

[２] 任颂赞,叶俭,陈德华．金相分析原理及技术[M]．上 海:上海科学技术文献出版社,２０１３．

[３] 张栋,钟培道．失效分析[M]．北京:国防工业出版社, ２００４． 

[４] 袁峰,靳宝宏,门菲．发动机连杆螺栓断裂原因分析 [J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(１１):８３３Ｇ８３６． 

[５] 付洋洋．高铁道岔夹杆螺栓断裂原因分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１８,５４(１):７４Ｇ７７． 

[６] 包锡桂．某挖掘机高强螺栓断裂原因分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１７,５３(３):２０４Ｇ２０７． 

[７] 贾金龙,王彩梅,李太为,等．安装至屈服螺栓残余轴 力超声波测试方法研究[J]．机械工程与技术,２０１８,７ (４):２４５Ｇ２５１． 

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 56卷 > 1期 (pp:41-43)>