發(fā)動機點火線圈固定螺栓斷裂失效分析

柯勝藍 張少甫 張曉俊

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 前言

螺栓廣泛應(yīng)用在汽車零部件連接，但在實際生產(chǎn)、制造和裝配過程中，各種異常因素會導(dǎo)致螺栓連接出現(xiàn)如內(nèi)螺紋滑牙[1]和螺栓斷裂等失效。螺栓斷裂是最常見的一種失效，常見的螺栓斷裂形式有疲勞斷裂[2-3]、脆性斷裂[4-5]、應(yīng)力腐蝕斷裂[6-7]、蠕變斷裂[8]。而導(dǎo)致螺栓斷裂的原因一般有疲勞載荷、剪切載荷和拉伸載荷等，常見的斷口有疲勞斷口、韌性斷口、剪切斷口。

發(fā)動機點火線圈的功能是將12 V的低壓電轉(zhuǎn)化為15～20 kV 高壓電，高壓電通過火花塞變成高壓電火花點燃可燃混合氣體[9]。點火線圈固定螺栓是將點火線圈固定在發(fā)動機缸體上，通過擰緊從而夾緊點火線圈，防止在振動載荷下點火線圈的脫落。按照VDI 2862 對擰緊點的等級的分類（主要分為KAT A、KAT B、KAT C 類），該擰緊點的擰緊等級為KAT B，即擰緊如出現(xiàn)失效，會導(dǎo)致汽車出現(xiàn)拋錨等功能性失效。此外，發(fā)動機點火線圈是個耗損件，汽車每行駛一定的里程數(shù)就需要更換。更換時，需先擰松固定螺栓，更換火花塞后重新擰緊固定螺栓。

2 問題描述

某車輛在路試至50 000 km 準備進行火花塞拆裝時，第4 缸點火線圈固定螺栓底部斷裂，其它3缸點火線圈固定螺栓正常。失效螺栓有明顯的扭曲變形，且斷裂在鋁缸蓋孔內(nèi)，斷裂位置在第10 顆螺牙處，螺栓共43 顆牙。失效螺栓和其它缸拆下來的螺栓如圖1b 所示。

通過信息調(diào)研，該車輛在20 000 km和40 000 km均更換過火花塞，斷裂發(fā)生在第3次更換火花塞時，每次更換火花塞時仍采用原螺栓進行擰緊。該螺栓為自攻螺栓，等級為8.8級，尺寸為M6×45，螺栓主要作用是將點火線圈固定在未預(yù)制螺紋的鋁制缸蓋上，螺栓在第4 缸的裝配的位置如圖1a 所示。該螺栓的擰緊工藝為扭矩法，扭矩為11 N·m。

圖1 點火線圈固定螺栓的裝配位置和斷裂失效螺栓

3 測試分析

3.1 斷口分析

采用徠卡DMS1000 型體式顯微鏡對失效的螺栓進行宏觀斷口分析，宏觀斷口如圖2a 所示，斷口呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)方向，推測螺栓斷裂前受到扭轉(zhuǎn)力。采用蔡司EVO MA25 型掃描電子顯微鏡（SEM）對失效的螺栓進行微觀斷口分析，微觀斷口如圖2b 所示，失效件斷口為典型的塑性斷口，呈順時針方向剪切韌窩，結(jié)合失效螺栓有明顯的扭曲變形，推測螺栓是受扭轉(zhuǎn)力過載而導(dǎo)致的斷裂。

圖2 失效件斷口分析

3.2 顯微金相和硬度分析

該螺栓的材料為寶鋼SWRCH40K，通過調(diào)制熱處理達到8.8 級的強度。根據(jù)ISO 898-1，該螺栓的硬度250～320 HV10。

采用蔡司Axiovert 200MAT 型對失效件進行金相檢驗，檢驗的結(jié)果顯示失效螺栓的主要組織為回火索氏體，組織正常，金相圖片如圖3 所示。

圖3 失效螺栓金相

采用Wilson UH750 型萬能硬度機對失效螺栓的心部進行硬度測試，測試的結(jié)果為290～298 HV10。符合8.8 級螺栓強度要求，詳細測試結(jié)果如表1 所示。

表1 失效螺栓硬度 HV10

3.3 模擬裝配分析

為進一步確認失效的原因，實驗室設(shè)計了如下實驗，a（實際零件上擰至失效）、b（實際零件上重復(fù)擰緊6 次）、c（將螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂）和d（將螺栓擰在螺母上至斷裂）4 種模擬裝配實驗，如表2 所示。模擬裝配的采用的設(shè)備為Schatz 5413-4504，傳感器量程為50 N·m。

表2 失效模式假設(shè)與模擬裝配

a.實際零件上模擬裝配擰緊至失效。模擬裝配的裝置圖如圖4a 所示，螺栓直接擰在發(fā)動機殼體的螺紋孔上至失效。擰至16 N·m 后開始失效，螺栓無損壞，未出現(xiàn)扭曲和斷裂現(xiàn)象（圖4b），模擬擰至失效的擰緊曲線如圖4c 所示，失效模式為鋁缸體內(nèi)螺紋滑牙。這說明按照正常情況進行擰緊，即使擰至失效，該螺栓也不會發(fā)生斷裂。

圖4 實際零件上擰緊至失效模擬裝配實驗

b.實際零件重復(fù)擰緊6 次。模擬裝配實驗的裝置和圖4a 相同，按照設(shè)計的工藝扭矩擰至11 N·m，再擰松。重復(fù)6 次，取出螺栓，螺栓的狀態(tài)如圖5a所示，螺栓未出現(xiàn)扭曲或斷裂等失效。模擬裝配曲線如圖5b 所示，曲線未出現(xiàn)屈服或扭矩掉落等現(xiàn)象。這說明按照11 N·m 正常重復(fù)多次擰緊，螺栓也不會出現(xiàn)斷裂等失效。

圖5 實際零件上重復(fù)擰緊模擬裝配實驗

c.將螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂。將螺栓一端夾在臺虎鉗上，讓螺栓的擰緊時無法自由伸長，此時螺栓只承受切應(yīng)力。螺栓擰至斷裂失效的裝置如圖6a 所示，模擬裝配曲線如圖6b 所示，螺栓在擰至12 N·m 時出現(xiàn)屈服，擰至14 N·m 時出現(xiàn)斷裂。

圖6 將螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂模擬裝配實驗

d.將螺栓擰在螺母上至斷裂。為讓模擬螺栓在裝配過程中拉斷，實驗室設(shè)計將螺栓穿過鋼墊片，擰在高強度等級的螺母上（等級為10 級），擰至失效后，螺栓出現(xiàn)斷裂。實驗裝置如圖7a 所示，斷裂的螺栓如圖7b 所示，模擬裝配的曲線如圖7c 所示。螺栓在擰至13 N·m 開始屈服，擰至15 N·m 左右斷裂。

圖7 將螺栓擰在螺母上至斷裂模擬裝配實驗

4 分析和討論

根據(jù)失效螺栓的硬度和心部金相測試結(jié)果，螺栓的強度符合設(shè)計要求。

模擬裝配的a 實驗結(jié)果表明螺栓在鋁缸體上正常擰緊時不會出現(xiàn)斷裂。當擰至較高的扭矩時，即使鋁缸體內(nèi)螺紋出現(xiàn)滑牙，螺栓也不會出現(xiàn)斷裂。模擬裝配的b 實驗結(jié)果表明按照設(shè)計的工藝扭矩多次重復(fù)裝配，螺栓也不會出現(xiàn)斷裂。

模擬裝配實驗c 和模擬裝配實驗d 的測試過程中，螺栓均出現(xiàn)斷裂。因此，對比這2 種狀態(tài)的螺栓斷口和失效件的斷口。宏觀斷口的對比如圖8 所示，通過對比發(fā)現(xiàn)，失效件斷口和模擬裝配c實驗的擰斷斷口較相似。

圖8 宏觀斷口對比

微觀斷口的對比如圖9 所示，失效件和模擬裝配c 實驗的擰斷斷口的韌窩均呈一定方向性，相似性較高，均主要受扭轉(zhuǎn)剪切載荷而斷裂。模擬裝配d 實驗的螺栓斷口主要呈軸向韌窩，與主要受扭轉(zhuǎn)剪切載荷失效件斷口差異較大。這說明d 實驗的螺栓主要承受拉伸載荷而斷裂。

圖9 微觀斷口對比

通過宏觀斷口和微觀斷口的對比分析，確定失效件主要承受扭矩載荷而導(dǎo)致的斷裂，實驗室進一步對點火線圈固定螺栓的擰緊過程進行了調(diào)研。相關(guān)部門反饋，該螺栓拆裝后，未采用定扭矩扳手進行擰緊，而是直至擰不動為止。40 000 km 更換第2 次更換火花塞時，螺紋孔已出現(xiàn)輕度滑牙。螺紋孔滑牙會導(dǎo)致螺栓擰緊時無法自由向下運動。此時，繼續(xù)擰緊時，螺栓會主要承受扭轉(zhuǎn)載荷，同時未采用定值扭力扳手，可能會導(dǎo)致螺栓承受過擰的載荷，使得螺栓產(chǎn)生不可逆的剪切塑性變形或微裂紋，最終導(dǎo)致螺栓在路試中斷裂。

因此，斷裂原因很可能發(fā)生在第2 次更換火花塞時，螺栓沒有正常擰入（內(nèi)螺紋已損傷或螺栓傾斜擰入），以致擰緊扭矩高于扭斷扭矩14 N·m，進而導(dǎo)致螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂。

5 結(jié)論

a.點火線圈固定螺栓主要承受剪切載荷而斷裂，其斷口呈順時針方向剪切韌窩。

b.通過模擬裝配對比分析，失效的點火線圈固定螺栓宏觀和微觀斷口與該螺栓純扭轉(zhuǎn)（狀態(tài)）的斷口最為相似，這也進一步說明螺栓的斷裂模式為扭轉(zhuǎn)（剪切應(yīng)力）斷裂失效。

c.點火線圈固定螺栓斷裂的可能原因為第二次40 000 km 更換火花塞時，螺栓沒有正常擰入（內(nèi)螺紋已損傷或螺栓傾斜擰入），且擰緊扭矩高于螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂扭矩14 N·m，進而導(dǎo)致螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂。