發動機凸輪軸正時帶輪緊固螺栓斷裂原因分析

(上海汽車集團股份有限公司 商用車技術中心，上海 200438)

汽車發動機是由眾多零部件通過焊接、鉚接、粘接或螺紋連接等方式裝配而成的機器，其中螺紋連接所占比例最大。一臺發動機含有300～500個螺栓(釘)，30%的螺栓位于發動機的重要位置，因此螺栓本身的制造質量和裝配質量直接影響發動機的使用性能。某發動機臺架耐久試驗(800 h動態臺架耐久試驗)進行至545 h時，凸輪軸正時帶輪緊固螺栓發生斷裂。該螺栓材料為28B2鋼，生產工藝為調質處理后螺紋成型，性能等級為10.9級，規格為M12 mm×1.25 mm×80 mm，夾緊長度為64 mm。為了查明該螺栓的斷裂原因，避免類似失效的再次發生，筆者對其進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，可見其無明顯塑性變形，斷口位于距法蘭面第49～50節螺紋間，部分螺紋磨損嚴重。實際測得斷口至螺栓法蘭面的距離為64 mm，說明斷裂位置在螺栓夾緊處的螺紋旋合部位。

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured bolt

1.2 化學成分分析

對螺栓取樣，使用SPECTRO MAXx06型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。可見螺栓的各元素含量均符合廠家內部標準對28B2鋼的成分要求。

表1 斷裂螺栓的化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Chemical composition analysis results of fractured bolt (mass fraction) %

1.3 硬度測試

使用Wilson R574型洛氏硬度計對螺栓的螺紋端心部位置進行硬度測試，測試結果為38.1, 38.3, 38.3 HRC，可見螺栓的硬度符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》中10.9級螺栓洛氏硬度為32～39 HRC的要求。

1.4 金相檢驗

對斷裂螺栓取樣，使用Zeiss Axio Imager M2m型光學顯微鏡進行金相檢驗，結果如圖2所示。可見螺栓的心部組織正常，為回火索氏體[1-2]，螺紋表面無脫碳現象，螺紋牙底光滑，無尖角、缺口和裂紋等。

圖2 斷裂螺栓的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of fractured bolt: a) thread heart; b) thread surface; c) thread root

1.5 斷口分析

將螺栓斷口清洗干凈后，使用Zeiss EVO18型掃描電子顯微鏡進行微觀形貌觀察，斷口整體形貌如圖3所示，將斷口標記為A～F共6個區域。裂紋源位于螺紋牙底A區域處，有若干起源點，如圖4a)所示；B，C，D區域可見疲勞輝紋和大致平行的二次裂紋，具有疲勞斷裂特征[3-5]，如圖4b)～d)所示；E和F區域可見韌窩形貌，如圖4e)和圖4f)所示。

圖3 螺栓斷口整體形貌Fig.3 Overall morphology of bolt fracture

2 分析與討論

螺栓發生疲勞的原因一般有兩個方面：①螺栓本身存在制造缺陷(材料裂紋、熱處理裂紋、加工缺陷等)，在使用過程中螺栓受到振動作用，該缺陷成為疲勞源，最終導致斷裂；②裝配過程中螺栓未擰緊或螺栓未達到設計要求的預緊力，在使用過程中螺栓松動引起疲勞斷裂[6]。上述理化檢驗結果表明，該螺栓的制造質量沒有問題，因此排除第一方面的因素。

該凸輪軸正時帶輪緊固螺栓設計要求的預緊力應不小于65 kN，裝配工藝采用扭矩法(110 N·m)。由于扭矩裝配方法中摩擦因數對螺栓預緊力的影響很大，取3根同批次螺栓進行摩擦因數試驗，結果分別為0.12，0.11，0.11，均在企業內控要求(0.08～0.14)內，因此排除摩擦因數不穩定導致螺栓預緊力偏差大的情況。

通過超聲波技術進一步驗證110 N·m扭矩的裝配工藝能否達到螺栓預緊力要求。超聲波測試螺栓軸力是一種間接測試方法，其基本原理為聲彈性理論。螺栓在擰緊過程中自身會伸長，同時產生軸向力，超聲波從螺栓一端傳向另一端再反射回來會形成時間差，該時間差恰好與伸長量成正比，在彈性范圍內根據胡克定律就可以得出螺栓軸力與超聲波時間差的正比關系[7]。取若干同批次螺栓，使用MC950數采儀和摩擦因數試驗臺獲得螺栓軸力與超聲波時間差的關系曲線，結果如圖5所示。隨機抽取一臺組裝中的發動機，對110 N·m扭矩裝配工藝擰緊后的凸輪軸正時帶輪緊固螺栓進行軸力測試，測試結果僅為50 kN。因此該螺栓的斷裂原因為未緊固到設計要求的預緊力，這導致其在使用過程中出現松動，最終造成疲勞斷裂。

圖4 螺栓斷口A-F區域形貌Fig.4 Morphology of area A-F of bolt fracture

圖5 螺栓軸力與超聲波時間差關系曲線Fig.5 Correlation curve between bolt axial force and ultrasonic time difference

3 結論及建議

該凸輪軸正時帶輪緊固螺栓的斷裂模式為疲勞斷裂。螺栓未緊固到設計要求的預緊力，導致螺栓在使用過程中出現松動，松動的螺栓受到交變應力的作用在凸輪軸內部不斷振動，于螺栓夾緊處的螺紋旋合部位萌生裂紋，最終發生疲勞斷裂。

建議重新制定凸輪軸正時帶輪緊固螺栓的裝配工藝，必要時可采用扭矩轉角法，以確保螺栓被緊固到設計要求的預緊力。