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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.通過對斷裂螺栓進行宏觀觀察、 力學(xué)性能測試、金相檢驗、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)計不當,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度.

    某客車公司生產(chǎn)的長１２m 新能源客車,行駛到８０００km 左右時,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１　客車上的電容支架外觀

　　圖２中,６mm 鋼板為電容支架底板,整個支架通過４個M８mm×４０mm 螺栓(性能等級為８．８級)與車身底架８mm 鋼板進行連接;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,筆者對其進行了理化檢驗和綜合分析.

圖２　電容支架固定螺栓的安裝圖

１　理化檢驗

１．１　宏觀觀察

    對兩件斷裂的電容支架固定螺栓進行了分析,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.同時對兩件全新未使用的螺栓(圖３中的３號、４號)也進行了理化檢驗,用以與失效螺栓進行比較分析.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行分析.從斷裂的螺栓殘件來看,實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展至最終斷裂區(qū),疲勞區(qū)占據(jù)整個斷口的大部分區(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,螺栓的強度和硬度已經(jīng)超出了GB/T３０９８．１－２０１０«緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱»對８．８級螺栓的技術(shù)要求,達到了９．８級的要求.

１．３　金相檢驗

    對兩件斷裂螺栓的脫碳層深度和基體顯微組織進行了金相檢驗,結(jié)果如表２和圖６~７所示.由檢驗結(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)的實施細則和國家標準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１２mm,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M８mm 螺紋孔得到的.對８mm 直徑的螺栓來說,６mm 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展,說明螺栓斷裂為雙向彎曲疲勞斷裂. 金相檢驗結(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準要求.螺紋的脫碳會降低螺栓的疲勞強度,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M８mm×４０mm 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,當這種振動和慣性力達到螺栓材料的屈服點附近時,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.第一點主要原因為,電容支架與車架連接結(jié)構(gòu)設(shè)計不當,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;同時電容支架產(chǎn)生滑移,承受后續(xù)沖擊性脈動載荷時,螺栓會受到彎曲交變應(yīng)力的作用而發(fā)生疲勞斷裂. 第二點次要原因為螺紋表面脫碳,降低了螺栓的疲勞強度.

    建議整車設(shè)計人員進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)計比較小巧的電容,減輕電容自身質(zhì)量,同時質(zhì)量部門也要注意檢驗螺栓的質(zhì)量.