某特種車輛輪輞螺栓斷裂原因分析

楊圣俊，路修強

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

0 引言

車輪行駛系統是車輛的重要組成部分，起到支撐全車質量、直接緩和路面沖擊，并通過與路面的附著率和摩擦率使車輛有制動和驅動的作用[1]。輪輞是在車輪上安裝和支撐輪胎的部件，按照結構類型可分為深槽輪輞、平底輪輞、對開式輪輞，其中對開式輪輞多用于重載車輛。某特種車輛使用對開式輪輞，內寬外窄的結構，通過均布輪輞夾緊螺栓連接緊固[2]。

該特種車輛在路試試驗時檢查發現三橋右側一根輪輞夾緊螺栓斷裂，斷裂位置位于螺桿與螺帽的根部，如圖1所示。針對輪輞夾緊螺栓斷裂問題，通過對螺栓設計、制造、裝配的分析，來定位輪輞螺栓斷裂的原因。

圖1 夾緊螺栓斷裂

1 輪輞結構介紹

該特種車輛輪輞采用對開式輪輞(如圖2所示)，由內輪輞體和外輪輞體兩部分通過輪輞夾緊螺栓連接組成[3]，根據汽車相關標準控制夾緊螺栓的預緊力矩，確保連接的可靠性。輪輞夾緊螺栓強度等級為10.9級。

圖2 輪輞夾緊螺栓安裝剖視圖

2 原因分析

針對該特種車輛輪輞夾緊螺栓斷裂質量問題，分析主要有以下原因：

2.1 設計強度不滿足要求

通過ANSYS受力分析計算螺栓最大應力值為255.36 MPa，如圖3所示，出現在螺栓根部位置。輪輞夾緊螺栓強度為10.9級，查手冊可得螺栓屈服強度為900 MPa。通過計算可得螺栓安全系數為3.52，適合于2.5～4倍安全系數的要求[4]，證明該螺栓的設計強度滿足使用要求。

圖3 輪輞夾緊螺栓受力分析

2.2 材料缺陷

當材料表面存在裂紋，在緊固件加工后裂紋沒有去除或在成型過程中導致裂紋的擴展，均會造成緊固件表面裂紋。根據磁粉探傷出具螺栓的失效分析結論：斷面未見材料缺陷存在，如圖4所示。

圖4 磁粉探傷

2.3 熱處理硬度不符合要求

輪輞夾緊螺栓強度等級為10.9級。斷裂的輪輞夾緊螺栓的硬度檢測如圖5所示。

圖5 硬度測試

根據GB 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》中對10.9級螺栓的力學性能中洛氏硬度要求為HRC 32～39，如表1所示，輪輞夾緊螺栓的調質硬度在力學性能要求范圍內，屬于正常，排除了熱處理硬度不符合要求的原因。

表1 輪輞夾緊螺栓硬度HRC測量結果

2.4 表面處理不當

在表面處理過程中，由于工藝或控制不當，導致缺陷時有發生，主要有氫脆現象。對螺栓斷口進行觀察，無白點裂紋，無氫脆現象。對斷裂螺栓進行檢測分析：夾緊螺栓的斷式為疲勞斷裂，斷面未見材料缺陷存在。輪輞夾緊螺栓是疲勞斷裂，不屬于脆性斷裂，并且螺栓未出現表面氫脆現象。

2.5 螺栓安裝不到位

在安裝輪輞夾緊螺栓時，如果輪輞夾緊螺栓安裝時與輪輞中心有偏角，導致輪輞夾緊螺栓的安裝面沒有與輪輞安裝面貼合，產生一定縫隙，使輪輞夾緊螺栓的頭部產生附加彎矩[6]，使其應力集中，在行車過程交變載荷的作用下導致輪輞夾緊螺栓頭部斷裂。復查裝配現場，用定人、定機、定工序的裝配原則進行生產裝配。輪輞夾緊螺栓安裝不到位是偶發性裝配失誤造成的，因此螺栓安裝不到位的原因無法排除。

2.6 擰緊力矩過大

螺栓在扭轉應力作用下產生緊固作用而承受拉應力，如果扭轉應力過大就會在危險截面處或應力集中處萌生微裂紋或細觀裂紋，太大扭轉應力甚至會使螺栓發生塑性扭斷或脆斷。現場對輪輞夾緊螺栓的擰緊力矩進行復測，均滿足擰緊力矩要求。

3 機制分析

將失效螺栓置于掃描電鏡下進行觀察，如圖6所示。

圖6 光學放大鏡照片

源區及附近擴展區顏色與斷面其他區域存在差異，呈灰黑色，銹蝕附著物較其他斷面更多，且在與其他斷面擴展區交界處可見明顯的止裂弧線。表明該區域應為陳舊損傷區域，源區、陳舊損傷區及其他擴展區均呈疲勞條帶形貌。

斷裂口宏觀形貌具有放射狀的撕裂棱線，如圖7所示。

圖7 疲勞源區微觀

擴展區中的疲勞條帶形貌出現滑移痕跡，解理臺階層狀組織如圖8所示。

圖8 疲勞擴展區微觀

終斷區剪切韌窩形貌如圖9所示。

綜合分析認為：夾緊螺栓的斷裂模式為疲勞斷裂。

估算輪輞夾緊螺栓不正常安裝狀態下的最大傾斜角度約為0.87°，通過ANSYS受力分析計算出輪輞夾緊螺栓的最大應力1 095 MPa，最大應力部位位于螺栓根部圓角處，與失效分析一致。從圖10看出：在施加周期性的交變載荷144次時，螺栓根部出現失效斷裂源。

圖9 疲勞瞬斷區微觀

圖10 斷裂源區應力和疲勞壽命分析

4 結論

針對輪輞夾緊螺栓斷裂問題，通過失效主要原因3大方面6個因素進行斷裂分析，利用此模式分析螺栓斷裂問題速度更快、目標性更強。

斷裂輪輞夾緊螺栓分析結果表明：螺栓本身材料和結構足以滿足10.9級強度和硬度要求，斷裂方式主要是螺栓安裝不到位，在預緊力和橫向推力作用下導致螺栓根部應力過大疲勞斷裂。