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.
关键词:电容支架;螺栓;双向弯曲;疲劳断裂;连接结构
中图分类号:TG１４２.１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０３Ｇ０２１４Ｇ0３
某客车公司生产的长１２ m 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２中,６mm 钢板为电容支架底板,整个支架 通过４个 M８ mm×４０ mm 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.
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１２ mm,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 M８ mm 螺纹孔得 到的.对８mm 直径的螺栓来说,６ mm 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 M８ mm×４０ mm 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.
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