新能源客車電容支架安裝螺栓的斷裂原因分析

董新權(quán), 楊冬梅(. 東風(fēng)襄陽旅行車有限公司, 襄陽 44000; . 湖北省機電研究設(shè)計院股份公司, 武漢 430070)

新能源客車電容支架安裝螺栓的斷裂原因分析

董新權(quán)1, 楊冬梅2
(1. 東風(fēng)襄陽旅行車有限公司, 襄陽 440100; 2. 湖北省機電研究設(shè)計院股份公司, 武漢 430070)

某新能源客車上的電容支架固定螺栓發(fā)生批量斷裂。通過對斷裂螺栓進行宏觀觀察、力學(xué)性能測試、金相檢驗、化學(xué)成分分析等，分析了其斷裂原因。結(jié)果表明：螺栓的斷裂為雙向彎曲疲勞斷裂；發(fā)生斷裂的主要原因是電容支架與車架連接結(jié)構(gòu)設(shè)計不當，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松動，使螺栓受到彎曲交變應(yīng)力作用；次要原因是螺紋表面脫碳，降低了螺栓的疲勞強度。

電容支架；螺栓；雙向彎曲；疲勞斷裂；連接結(jié)構(gòu)

某客車公司生產(chǎn)的長12 m新能源客車，行駛到8 000 km左右時，電容支架固定螺栓發(fā)生批量斷裂。螺栓斷裂導(dǎo)致電容固定松動，整車電控系統(tǒng)異常，電源切斷，整車無法行駛。

通過調(diào)查了解到，新能源客車一天需要運行260 km，行駛過程中有50 km顛簸路況。根據(jù)新能源客車的整體布局設(shè)計要求，電容必須安裝在客車車身后部，電容質(zhì)量為150 kg。電容是新能源客車主要的零部件構(gòu)成部分，電容支架固定螺栓是固定電容的主要部件。電容支架在客車上的安裝位置如圖1所示，電容支架固定螺栓的安裝示意圖見圖2。

圖1 客車上的電容支架外觀Fig.1 Appearance of the capacitor bracket of a passenger bus

圖2 電容支架固定螺栓的安裝圖Fig.2 Installation drawing of the fixed bolts of the capacitor bracket

圖2中，6 mm鋼板為電容支架底板，整個支架通過4個M8 mm×40 mm螺栓(性能等級為8.8級)與車身底架8 mm鋼板進行連接；在6 mm鋼板與8 mm鋼板之間有3 mm地板革和15 mm竹地板；車身底架8 mm鋼板上的螺紋孔，是通過先鉆直徑6.5 mm的通孔，然后用絲錐攻絲加工出M8 mm螺紋孔得到的；最后安裝螺栓，將電容支架固定。

為了查明該批螺栓的斷裂原因，防止此類問題的再發(fā)生，筆者對其進行了理化檢驗和綜合分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對兩件斷裂的電容支架固定螺栓進行了分析，這兩件斷裂的螺栓(圖3中的1號、2號)分別是兩臺客車上的。同時對兩件全新未使用的螺栓(圖3中的3號、4號)也進行了理化檢驗，用以與失效螺栓進行比較分析。由于兩件斷裂螺栓的另一半斷口卡在鋼板內(nèi)不易取出，因此無法對另一半進行分析。從斷裂的螺栓殘件來看，實際測得兩件螺栓的斷裂位置距端部距離分別為30，27 mm。從結(jié)構(gòu)圖上看，螺栓端部距8 mm鋼板上部的距離為27.5 mm(查手冊可知：平墊厚度為1.5 mm，彈墊厚度為2 mm)。由此可知螺栓的斷裂位置正好位于8 mm鋼板上邊緣附近。

圖3 4件螺栓的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the four bolts

兩件斷裂螺栓殘件頭部下方的幾扣螺紋可見有磨損和擠壓痕跡。螺栓表面鍍鋅，無污損，無銹蝕，兩件斷裂螺栓的斷口宏觀形貌見圖4～5。螺栓斷口平整，斷面無肉眼可見夾雜物，斷口無陳舊裂紋。斷面平整區(qū)隱約可見貝殼紋花樣的疲勞弧線。疲勞紋從兩側(cè)螺紋牙底表面開始向心部擴展至最終斷裂區(qū)，疲勞區(qū)占據(jù)整個斷口的大部分區(qū)域，終斷區(qū)面積很小，僅在靠近斷口邊緣處形成窄長的塑性撕裂區(qū)，螺栓斷口具有雙向彎曲疲勞斷裂特征[1-2]。

圖4 1號螺栓斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of the bolt 1

圖5 2號螺栓斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of the bolt 2

1.2 力學(xué)性能測試

對4件螺栓進行了力學(xué)性能測試，結(jié)果如表1所示。由結(jié)果可知，螺栓的強度和硬度已經(jīng)超出了GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對8.8級螺栓的技術(shù)要求，達到了9.8級的要求。

表1 螺栓的力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.1 Testing results of mechanical properties of the bolts

1.3 金相檢驗

對兩件斷裂螺栓的脫碳層深度和基體顯微組織進行了金相檢驗，結(jié)果如表2和圖6～7所示。由檢驗結(jié)果可知，螺栓基體的顯微組織正常，但全脫碳層的深度不符合GB/T 3098.1-2010的要求。

表2 斷裂螺栓的金相檢驗結(jié)果Tab.2 Metallographic examination results of the fractured bolts

圖6 1號螺紋脫碳形貌 50×Fig.6 Decarburization morphology at the screw of the bolt 1

圖7 1號螺栓基體顯微組織形貌 400×Fig.7 Microstructure morphology of matrix of the bolt 1

1.4 化學(xué)成分分析

該螺栓材料為45鋼，依據(jù)相應(yīng)的實施細則和國家標準GB/T 20123-2006，GB/T 223.5-2008， GB/T 223.63-1988及GB/T 223.59-2008，對碳、硫、硅、錳、磷5種元素含量進行分析，結(jié)果見表3。從分析結(jié)果可見，除了碳、硅元素含量低于技術(shù)要求外，其余元素含量均符合技術(shù)要求。

表3 螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.3 Chemical compositions of the bolts (mass fraction) %

1.5 安裝結(jié)構(gòu)分析

從圖2可見，電容支架為多層結(jié)構(gòu)，6 mm鋼板上的螺栓安裝孔直徑為12 mm，地板革、竹地板以及8 mm鋼板上的螺紋孔，是通過先鉆直徑6.5 mm的通孔，然后用絲錐攻絲加工出M8 mm螺紋孔得到的。對8 mm直徑的螺栓來說，6 mm鋼板上的螺栓安裝孔直徑偏大，不利于被固定物的定位及螺栓緊固。

2 分析與討論

從宏觀形貌分析結(jié)果可知，螺栓斷口為疲勞斷口，疲勞裂紋從兩側(cè)螺紋牙底起源向心部擴展，說明螺栓斷裂為雙向彎曲疲勞斷裂。金相檢驗結(jié)果顯示，螺栓基體顯微組織正常，但螺紋表面脫碳明顯，全脫碳層深度超出標準要求。螺紋的脫碳會降低螺栓的疲勞強度，縮短螺栓的疲勞壽命[3-4]。

由圖2可知，螺栓連接的結(jié)構(gòu)不是剛性結(jié)構(gòu)，其中存在竹地板、地板革等柔性結(jié)構(gòu)。地板革老化和竹地板受潮變形都是不可避免的，因此不能保證螺栓始終處于緊固狀況。在車輛行駛過程中，特別是在惡劣的路況條件下，如果沒有其他方式定位，僅靠4個M8 mm×40 mm螺栓兼帶有定位功能，并不能保證電容支架與車架之間不發(fā)生相對位移(或者說螺栓的定位能力不足)。如果位移發(fā)生，螺栓會受到彎曲交變應(yīng)力。電容及電容支架總質(zhì)量約150 kg，在車輛運行過程中必定會產(chǎn)生慣性力和振動。在復(fù)雜環(huán)境作用下，竹地板和地板革會老化變形，導(dǎo)致螺栓松動。螺栓松動又會增加電容和支架的慣性力，當這種振動和慣性力達到螺栓材料的屈服點附近時，就會導(dǎo)致螺栓快速破壞。因此導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂的主要作用力來源于螺栓松動，支架滑移給螺栓施加了彎曲交變應(yīng)力。

3 結(jié)論及建議

螺栓斷裂為雙向彎曲疲勞斷裂，斷裂原因有兩點。第一點主要原因為，電容支架與車架連接結(jié)構(gòu)設(shè)計不當，非螺栓連接的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，無法保證鎖緊力矩的穩(wěn)定維持，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松動；同時電容支架產(chǎn)生滑移，承受后續(xù)沖擊性脈動載荷時，螺栓會受到彎曲交變應(yīng)力的作用而發(fā)生疲勞斷裂。第二點次要原因為螺紋表面脫碳，降低了螺栓的疲勞強度。

建議整車設(shè)計人員進一步改善電容支架與車架的連接結(jié)構(gòu)，結(jié)合電動車的發(fā)展趨勢設(shè)計比較小巧的電容，減輕電容自身質(zhì)量，同時質(zhì)量部門也要注意檢驗螺栓的質(zhì)量。

[1] 胡世炎.破斷故障金相分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,1979:233-235.

[2] 王榮.汽車螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2005,41(9):471-474.

[3] 嚴春蓮,溫娟,劉曉嵐,等.吐絲機螺栓斷裂的失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2008,44(6):316-318.

[4] 吳繼權(quán),趙昆玉,沈創(chuàng)謙.40ACR高強螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(3):203-205.

Analysis on Fracture Reasons of the Capacitor Bracket Bolts of a New Energy Bus

DONG Xin-quan1, YANG Dong-mei2
(1. Dongfeng Xiangyang Touring Car Co., Ltd., Xiangyang 440100, China; 2. Hubei Mechanical and Electrical Research and Design Institute Co., Ltd., Wuhan 430070, China)

The capacitor bracket bolts of a new energy bus fractured. The fracture reasons of the bolts were analyzed by means of macroscopic observation, mechanical property testing, metallographic examination, chemical composition analysis, and so on. The results show that: the fracture mechanism of the bolts was biaxial bending fatigue fracture; the main reason of the fracture was that the design of the joint between the capacitor bracket and the frame was improper, which caused the loose structure and the bending alternating stress to the bolts; the minor reason was the decarburization on the surface of the screws, which decreased the fatigue strength of the bolts.

capacitor bracket; bolt; biaxial bending; fatigue fracture; joining structure

2016-06-14

董新權(quán)(1977-)，男，工程師，主要從事汽車制造工作，70675512@qq.com。

10.11973/lhjy-wl201703016

TG142.1

B

1001-4012(2017)03-0214-03