范奇達(dá) 徐立軍 張文波 應(yīng)佳舟

摘要：發(fā)動機(jī)上的曲軸皮帶輪螺栓，服役過程中長期承受較高的交變載荷而發(fā)生疲勞失效。本文用斷口宏觀分析、微觀（SEM）分析、金相分析、硬度檢測、化學(xué)成分分析、摩擦系數(shù)驗(yàn)證、超聲波軸力驗(yàn)證檢測等方法對受檢斷裂螺栓和同批次螺栓進(jìn)行了全面分析，認(rèn)為該螺栓的預(yù)緊力受皮帶輪端面防銹油對系統(tǒng)摩擦系數(shù)的影響，導(dǎo)致個(gè)別螺栓預(yù)緊力不足而發(fā)生疲勞失效。另外，通過分析裝配工藝和預(yù)緊力的穩(wěn)定控制，提出了優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：曲軸皮帶輪螺栓；斷裂分析；疲勞；預(yù)緊力；防銹油

中圖分類號：U464.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪是通過它們之間的接觸面摩擦力進(jìn)行力矩傳遞，進(jìn)而帶動曲軸前端的輪系進(jìn)行轉(zhuǎn)動。曲軸皮帶輪螺栓作為連接曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪的緊固件，其強(qiáng)度對曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪的有效連接起著至關(guān)重要的作用。若曲軸皮帶輪螺栓提供的夾緊力在曲軸、皮帶輪及曲軸鏈輪之間形成的摩擦力矩，不足以傳遞它們之間的相對轉(zhuǎn)動力矩，則曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪之間會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，從而造成發(fā)動機(jī)運(yùn)行失效[1]。

某款車輛在行駛過程中出現(xiàn)水溫故障燈點(diǎn)亮現(xiàn)象，車輛行駛里程為1.1 萬km。檢查發(fā)現(xiàn)曲軸皮帶輪螺栓斷裂，曲軸皮帶輪脫落（圖1 和圖2）。螺栓使用材料SCM435，規(guī)格為M14×1.5×66.5， 強(qiáng)度等級為10.9 級， 表面采用鋅鋁涂覆，摩擦系數(shù)要求為0.100 ～ 0.160。螺栓裝配工藝采用扭矩轉(zhuǎn)角法（100.0 N · m+71°），設(shè)計(jì)的最小預(yù)緊力要求≥ 110 kN。該款車型此前也在不同的市場區(qū)域發(fā)生過5 起曲軸皮帶輪螺栓斷裂問題，經(jīng)追溯，這幾起斷裂的螺栓都處于同一時(shí)間段內(nèi)裝配，斷裂形式一致。

1 試驗(yàn)與分析

1.1 宏觀分析

觀察螺栓斷口，螺栓沿牙底斷裂，裂紋源區(qū)位于如圖3 所示的左下側(cè)。裂面分為2 塊區(qū)域，灰色區(qū)為疲勞區(qū)域，灰黑色區(qū)域?yàn)榭焖贁嗔褏^(qū)，裂紋擴(kuò)展方向如圖3 所示的黃色箭頭所指。螺栓頭部法蘭面有均勻的摩擦痕跡，呈灰黑色。曲軸皮帶輪的內(nèi)孔直徑為25.00 mm，螺栓的六角頭對邊直徑為24.00 mm，螺栓受軸力支撐的位置在六角頭與法蘭之間。曲軸前端面表面粗糙度經(jīng)測量為Ra2.6，有明顯的車刀痕跡。螺栓法蘭摩擦面最大直徑為40.00 mm，曲軸皮帶輪表面未受螺栓法蘭摩擦的部位已出現(xiàn)生銹跡象（圖4）。

根據(jù)裝配示意圖分析，曲軸前端面用螺栓緊固鏈輪和皮帶輪，螺栓頭部法蘭面直接與曲軸皮帶輪端面受力連接（圖5）。螺栓的斷裂位置基本處于未旋合的第1 或第2 牙位置，也是應(yīng)力最集中的位置。經(jīng)調(diào)查，曲軸皮帶輪出貨前，供應(yīng)商對皮帶輪端面已采用金光F20-1 潤滑油進(jìn)行防銹，曲軸前端面內(nèi)螺紋加工后無需進(jìn)行潤滑油防銹，裝配過程中都不經(jīng)過表面特殊處理。

1.2 微觀分析（SEM）

螺栓斷口形貌如圖6 所示，也就是SEM 分析示意圖。對斷裂面A1 ～ A3 區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡分析。其中A1 區(qū)域斷口微觀形貌為疲勞輝紋特征，根據(jù)宏觀分析，該區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū)，源區(qū)存在約10 μm 的剪切韌窩，裂紋擴(kuò)展方向如黃色箭頭所指（ 圖7）。A2區(qū)域斷口微觀形貌也為疲勞輝紋特征，裂紋擴(kuò)展方向如黃色箭頭所指（圖8）。A3 區(qū)域斷口微觀形貌為韌窩特征，黃色箭頭是裂紋擴(kuò)展方向（圖9）。

根據(jù)圖7 ～圖9 進(jìn)行分析，螺栓斷口呈典型的多源疲勞特征，也表現(xiàn)出一定的韌性。初步判定螺栓的失效為多源疲勞失效。斷裂分析如圖10 所示，裂紋擴(kuò)展方向如黃色箭頭所示。

1.3 金相分析

將螺栓縱向剖開進(jìn)行金相分析，經(jīng)觀察，螺牙邊緣未見脫碳、折疊等缺陷（圖11）；螺栓芯部金相組織為回火索氏體組織（ 圖12），螺栓的金相組織合格。螺紋處可見清晰的金屬流線，說明螺栓是經(jīng)過熱處理后進(jìn)行滾絲制成，相對搓絲后熱處理的制造工藝，提高了疲勞壽命。

1.4 硬度檢測

用硬度計(jì)對斷裂螺栓的芯部及表面分別進(jìn)行硬度測試， 測試結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯?，斷裂螺栓的硬度為38.2HRC，表面硬度為374HV0.3，芯部硬度為370HV0.3，符合10.9 級螺栓的芯部硬度要求。且螺栓表面硬度比芯部硬度高4HV0.3，說明在熱處理過程中未發(fā)生增碳現(xiàn)象。

1.5 化學(xué)成分分析

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》的檢測要求，用斯派克直讀光譜儀MAXx09-A 對斷裂螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 所示。可以看出，斷裂螺栓的化學(xué)成分符合Q/BQB 517—2019《冷鐓鋼盤條》的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對SCM435 鋼的要求。

1.6 螺栓摩擦系數(shù)驗(yàn)證

根據(jù)ISO 16047《緊固件- 扭矩/ 夾緊力測試》標(biāo)準(zhǔn)，用德國TEST 摩擦系數(shù)試驗(yàn)機(jī)對同批次曲軸皮帶輪螺栓進(jìn)行摩擦系數(shù)檢測。在保證螺栓載荷75% 的軸力下，測試總摩擦系數(shù)值為0.110 ～ 0.120，滿足圖紙技術(shù)要求0.100 ～ 0.160（表3）。特別需要說明的是，摩擦系數(shù)測試用的墊片硬度為58HRC，粗糙度為Ra0.4 ；測試用的螺母采用無表面處理的10 級厚螺母，螺紋精度為6H。

2 結(jié)果與分析

從螺栓的機(jī)械性能分析，斷裂螺栓的化學(xué)成分、硬度、金相組織和摩擦系數(shù)等都滿足圖紙技術(shù)要求。從微觀斷口分析，螺栓是由于服役過程中長期承受較高的交變載荷而發(fā)生疲勞失效。

從螺栓的宏觀上分析，螺栓擰緊過程中，法蘭面直接與皮帶輪端面進(jìn)行摩擦，螺栓的預(yù)緊力受皮帶輪端面粗糙度和潤滑劑影響較大。對同批次螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行測試，測得的預(yù)緊力為117 ～ 121 kN，滿足預(yù)緊力設(shè)計(jì)要求（≥ 110 kN）。目前螺栓在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（即標(biāo)準(zhǔn)墊片在粗糙度Ra0.2 ～ 0.8，無油的狀態(tài)）下測試，可以滿足摩擦系統(tǒng)技術(shù)要求（0.100 ～ 0.160）?，F(xiàn)皮帶輪表面粗糙度為Ra2.5 左右，但系統(tǒng)摩擦系數(shù)只有0.062 ～ 0.069，說明皮帶輪端面的防銹油降低了整個(gè)系統(tǒng)摩擦系數(shù)，從而滿足了設(shè)計(jì)的最小預(yù)緊力[3]。

對皮帶輪端面的潤滑程度進(jìn)行預(yù)緊力驗(yàn)證，在無油、少油和多油3 種狀態(tài)進(jìn)行預(yù)緊力的比對驗(yàn)證（表5）。通過測試，在端面少油、無油的情況下，無法滿足設(shè)計(jì)最小預(yù)緊力110 kN（圖15 ～圖17）。此項(xiàng)驗(yàn)證說明整個(gè)系統(tǒng)存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)，需要考慮皮帶輪端面潤滑的均勻性、機(jī)加工粗糙度的穩(wěn)定性、儲存周期以及氣候環(huán)境的影響因素。

3 應(yīng)對措施

在100 N · m 的基礎(chǔ)上可適當(dāng)增加轉(zhuǎn)角至90°，使螺栓提高軸向力至屈服軸力附近，同時(shí)可降低應(yīng)力幅，提高疲勞壽命。螺栓的疲勞松弛或者疲勞斷裂與交變應(yīng)力有關(guān)[4]，應(yīng)力幅是影響預(yù)緊螺栓聯(lián)接副疲勞性能的主要因素之一。試驗(yàn)結(jié)果表明，受軸向模擬載荷的預(yù)緊螺栓聯(lián)接副，在最小應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)力幅越小，連接副越不易發(fā)生疲勞破壞。

另外，對皮帶輪端面上防銹油的潤滑程度進(jìn)行嚴(yán)格控制，并對儲存周期以及氣候環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格管控。還可考慮增加皮帶輪螺栓的組合墊片，提高螺栓頭部法蘭剛度，同時(shí)降低了曲軸皮帶輪端面防銹油粗糙度對系統(tǒng)摩擦系數(shù)的影響。

4 結(jié)束語

該發(fā)動機(jī)上曲軸皮帶輪螺栓的失效為疲勞斷裂[5]。因個(gè)別螺栓擰緊后位于彈性區(qū)，未滿足最小預(yù)緊力要求，在高頻振動、瞬時(shí)沖擊的長期作用下，最終使螺栓的螺紋根部發(fā)生了疲勞斷裂。

這也反映出螺栓在預(yù)緊力設(shè)計(jì)過程中，未識別出皮帶輪端面防銹油對螺栓預(yù)緊力的重大影響。特別對于曲軸皮帶輪螺栓，需要明確基于什么樣的條件下進(jìn)行預(yù)緊力設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，對所需預(yù)緊力關(guān)聯(lián)到的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素都需要嚴(yán)格控制，這樣才能保證質(zhì)量問題不會發(fā)生。

【參考文獻(xiàn)】

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作者簡介：

范奇達(dá)，本科，工程師，研究方向?yàn)榫o固件產(chǎn)品的檢測和失效分析。