后橋螺栓斷裂故障分析

陳剛， 于江， 馬祖國

(極氪汽車(寧波杭州灣新區)有限公司， 浙江 寧波 315000)

后橋螺栓故障模式主要有后橋螺栓斷裂和后橋螺栓滑絲兩種，對車輛的影響較大，直接關系到車輛的正常行駛，防止后橋螺栓斷裂是車輛正常行駛的重要保證。

1 汽車行駛系統簡介

行駛系統分為車橋、車輪、車架和懸架四大主要部分。車橋(又稱車軸)通過懸架與車架(或承載式車身)相連，其兩端安裝車輪。在車架與車橋(車輪)之間傳遞力與力矩的是懸架，而不是車橋。車橋的作用是承受汽車載荷，維持汽車在道路上正常行駛。前置前驅動汽車的前橋為轉向驅動橋，后橋充當支持橋，屬于從動橋，不傳遞動力。后橋承受車輪與車架之間的垂直載荷、縱向的道路阻力、制動力和側向力及這些力所形成的力矩。

轉向節是車橋上的主要零件之一，其作用是承受汽車載荷，支承并帶動車輪繞主銷轉動而使汽車前行。在汽車行駛狀態下，它承受著多變的沖擊載荷，因而要求其具有很高的強度。后橋是斷開式從動橋，與多連桿式獨立懸架相匹配。轉向節分別通過D1、D2螺栓與前束拉桿、橫拉桿連接(見圖1)，通過一顆長螺栓與減振器連接，前速拉桿和橫拉桿的另一端與車橋連接。

圖1 轉向節與拉桿的連接

本文主要針對某車售后反映的后輪定位偏移、車橋螺栓斷裂的故障現象，分析故障原因，研究解決方案。

2 故障現象

某車在一般路面上正常行駛或倒車時，后輪定位發生偏移，產生異常噪聲，在極端行駛條件下車輪與車身干涉，車輛無法繼續正常行駛。路面顛簸時發生該故障的概率更高。將車輛舉升觀察，發現后轉向節D1或D2處螺栓斷裂，前束拉桿或橫拉桿在與轉向節連接處脫開，轉向節帶動后輪發生偏移，導致車輛無法正常行駛。

3 后橋螺栓斷裂原因分析

針對后橋螺栓斷裂的現象，從產品符合性、工藝符合性、客戶駕駛習慣和產品設計等方面進行故障原因分析(見圖2)。螺栓斷裂的直接原因是張力的損失，分析螺栓斷裂的原因也就是分析導致張力損失的原因。

圖2 后橋螺栓斷裂故障原因分析

(1) 產品符合性。1) 螺栓的符合性。首先確定螺栓的金屬冶煉符合性正常。然后對螺栓的化學成分、硬度和關鍵尺寸進行檢測，也都符合要求。 最后對螺栓斷口進行分析，斷口有明顯疲勞特征(見圖3)，疲勞區約占斷口面積的90%。疲勞起源區與最后斷裂區分布在螺栓斷口的兩邊，與最后斷裂區相鄰的螺栓側面有明顯的被摩擦的痕跡，說明該螺栓斷裂屬于剪切應力導致的彎曲疲勞斷裂。2) 相關零件的符合性。檢測轉向節、前束拉桿和橫拉桿的符合性，都滿足要求。

圖3 螺栓斷口處的疲勞特征

(2) 裝配工藝符合性。按照影響產品質量的五大因素即人(制造產品的人員)、機(制造產品所用的設備)、料(制造產品使用的原材料)、法(制造產品采用的方法)、環(產品制造過程中所處環境)，對現場裝配工藝的符合性進行分析。1) 人。工位上員工都有上崗資質；操作工未完全按標準化作業指導書操作；檢查問題車輛的歷史數據，沒有發現任何工廠內返修記錄。2) 機。螺栓力矩伺服機所記錄的力矩、角度等歷史數據都較穩定，未發現異常情況；現場技術員很好地執行了擰緊工藝監控計劃；后橋螺栓沒有降級模式，若出現問題，直接更換擰緊工具，問題車輛在相關時間段沒有更換后橋螺栓的記錄。3) 料。零件的符合性都正常。4) 法。有標準化作業指導書且符合要求，其中包括對螺釘的預擰緊；工藝規定在所有擰緊力矩達到要求前后橋無法移動到下一工位，達到要求后按動移動按鈕方可實現后橋的移動，不會造成缺陷。5) 環。生產節拍變化較大，存在一定影響。

(3) 客戶駕駛習慣。對客戶駕駛車輛的情況進行統計分析，沒有發現任何有共性的不良駕駛習慣。車輛沒有經常在一些特殊狀況道路上行駛，發生螺栓斷裂時也沒有產生車輛碰撞或顛簸。因此，基本可以排除用戶駕駛對后橋螺栓斷裂的影響。

(4) 產品設計。從產品設計的角度來分析，產品的設計定義都沒有問題，都是經過專業驗證的，故產品設計方面的影響可初步排除。

綜上所述，眾多缺陷原因中存在風險的是現場裝配工藝符合性，包括人——操作工、環——生產節拍。為此，進行大量試驗來模擬操作工的不規范操作，結果顯示，施加在螺栓伺服機上的外力傾斜3°會消耗10 N·m的力矩， 導致壓痕(為橫拉桿凸起壓在轉向節上的齒痕)變淺(0.1 mm)、張力減小(10 kN)，壓痕深度為0.30～0.35 mm，與故障件一致。證明人為施加外力擰緊是導致后橋螺栓斷裂的根本原因。

4 改進方案及驗證

將D1、D2處螺栓的擰緊力矩從(70±7) N·m調整為(80±8) N·m(力矩增加14%左右)，同時將單次擰緊方式調整為雙重擰緊，彌補人為施加外力導致的殘余力矩的丟失，保證裝配的可靠性。

螺栓擰緊力矩增大，可能會因力矩過大產生滑絲或帶來其他無法預料的問題。力矩增加可能會受到材料、尺寸等因素的綜合影響，但經過臺架耐久性和整車耐久性驗證，10 N·m的力矩增幅完全不會造成上述負面影響。不過這一結論的前提是必須嚴格按操作工藝來執行，特別是在售后，螺栓的擰緊必須是在將車輛模擬成滿載狀態(橫拉桿頂至水平)時進行，如果這一步沒有做好，D1、D2螺栓還會有滑絲的風險，行駛中仍存在斷裂風險。