穩(wěn)定桿連桿球頭銷裝配斷裂分析及改善

王泉?jiǎng)? 柴明軍 章云峰

摘要： 在裝配過程中，因過高的螺紋擰緊扭矩導(dǎo)致穩(wěn)定桿連桿球頭銷斷裂，通過建立預(yù)緊力與等效應(yīng)力的關(guān)系式，繪制不同摩擦系數(shù)下的預(yù)緊力-扭矩圖及關(guān)聯(lián)的等應(yīng)力曲線，以此找出正確的緊固扭矩，達(dá)到最佳的裝配質(zhì)量，并為類似部件及螺栓產(chǎn)品設(shè)計(jì)及裝配工藝設(shè)計(jì)提供參考。

Abstract： In the process of assembly， the ball head pin of stabilizer rod connecting rod was broken due to excessive screw tightening torque. By establishing the relation between pretightening force and equivalent stress， the pretightening force-torque diagram and the associated isometric stress curve under different friction coefficients were drawn， so as to find out the correct fastening torque and achieve the best assembly quality. It also provides reference for the design of similar parts and bolts and assembly process design.

關(guān)鍵詞： 球頭銷;預(yù)緊力-扭矩圖;等效應(yīng)力;摩擦系數(shù)

Key words： ball pin;preloading force-torque diagram;equivalent stress;friction coefficient

中圖分類號：U469.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0039-03

1? 概述

穩(wěn)定桿連桿球頭總成是汽車底盤穩(wěn)定系統(tǒng)的重要組成元件，與穩(wěn)定桿一起在汽車行駛過程中保持車輛穩(wěn)定性、舒適性發(fā)揮重要的作用。穩(wěn)定桿連桿球頭總成通常通過球頭銷螺紋一端連接在穩(wěn)定桿上，另一端連接在懸架上，如圖1穩(wěn)定桿連桿球頭總成安裝位置中標(biāo)記2所示。在穩(wěn)定桿連桿球頭總成螺紋裝配時(shí)采用的是扭矩法進(jìn)行控制。通常扭矩法控制因其操作簡單和易于監(jiān)測而被廣泛采用。但長期發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定桿連桿球頭總成在基于扭矩法控制裝配過程中存在扭矩扳手力矩打不響，隨即出現(xiàn)球頭螺紋滑牙，螺紋拉伸甚至斷裂的情況，質(zhì)量隱患很大。故對穩(wěn)定桿連桿球頭銷的螺紋斷裂分析及改善有十分必要的現(xiàn)實(shí)意義。圖2是出現(xiàn)在某汽車廠在裝配車間裝配穩(wěn)定桿連桿球頭總成時(shí)，扭矩扳手力矩打不響，不斷擰緊過程中，球頭銷螺紋斷裂。現(xiàn)場反饋當(dāng)時(shí)扭矩扳手設(shè)定值為80N·m。穩(wěn)定桿連桿球頭總成的球頭銷螺紋規(guī)格M10X1.25-6g，材質(zhì)為40Cr，材料調(diào)質(zhì)硬度為（28-34）HRC，螺紋強(qiáng)度參照國家標(biāo)準(zhǔn)GBT3098.1-2010，規(guī)定的9.8級要求。本文通過此案例的斷裂分析，確定過大的扭矩是導(dǎo)致過載應(yīng)力的主要來源。同時(shí)螺栓的預(yù)緊力-扭矩力矩圖能幫助我們設(shè)計(jì)螺栓時(shí)的緊固扭矩[1]，故基于預(yù)緊力-扭矩圖，結(jié)合摩擦系數(shù)的影響，并在預(yù)緊力-扭矩圖上進(jìn)一步繪制等應(yīng)力曲線，以此找出最佳的緊固扭矩，給類似部件的螺紋設(shè)計(jì)、裝配工藝設(shè)計(jì)以及許用力矩校核提供參考。

2? 球頭銷螺紋斷口分析及結(jié)果

對上述穩(wěn)定桿連桿球頭總成在裝配時(shí)發(fā)生球頭銷擰斷，對斷裂件進(jìn)行如下檢測分析：

①對斷裂件進(jìn)行拼接，進(jìn)行宏觀評價(jià)，如圖2球頭銷斷裂示意圖右圖所示，對斷裂件進(jìn)行拼接，很明顯觀測出斷裂區(qū)存在頸縮變形。而根據(jù)材料力學(xué)可知當(dāng)應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限后，使局部橫截面收縮，形成了所謂的頸縮現(xiàn)象。[2]②斷口電鏡觀測微觀形貌，檢測設(shè)備為掃描電子顯微鏡FEI inspect s50。通過觀測，如圖3斷口SEM形貌所示，斷口1區(qū)2區(qū)3區(qū)微觀整體呈現(xiàn)韌窩形貌，斷面區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯疏松缺陷。③斷口附近材料金相顯微組織觀測，檢測設(shè)備為金相顯微鏡ZEISS Axio Imager A2m，進(jìn)行500X倍顯微觀測，如圖4顯微組織（500X，4%硝酸酒精溶液浸蝕）所示，檢測結(jié)果為調(diào)質(zhì)回火索氏體1級。④對螺紋進(jìn)行脫碳檢測，檢測設(shè)備為金相顯微鏡ZEISS Axio Imager A2m，進(jìn)行100X顯微觀測，圖5脫碳形貌（100X，4%硝酸酒精溶液浸蝕）所示，通過觀測，螺紋沒有發(fā)現(xiàn)脫碳層。⑤對球頭螺桿部硬度檢測，檢測值為31.5HRC。⑥對斷裂球頭銷進(jìn)行化學(xué)成分檢測，所有元素均符合GB/T3077標(biāo)準(zhǔn)的40Cr鋼的要求。

綜合以上檢測，可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：①從宏觀形貌、掃描電鏡微觀形貌可以判斷本案斷裂為典型的塑性斷裂，斷裂過程中為經(jīng)受較大應(yīng)力后發(fā)生屈服變形，最后因過載斷裂;②從金相顯微組織、螺紋脫碳、硬度、化學(xué)成分等檢測結(jié)果可以判定球頭銷材質(zhì)符合技術(shù)要求及GBT3098.1-2010，規(guī)定的9.8級相關(guān)要求。

3? 球頭銷緊固過程的應(yīng)力與校核

針對球頭銷裝配過程產(chǎn)生的較大應(yīng)力并出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，對此需要進(jìn)行受力分析與校核。對失效件進(jìn)行模型建立，如圖6穩(wěn)定桿連桿球頭總成裝配連接所示，穩(wěn)定桿連桿球頭銷穿過穩(wěn)定桿？準(zhǔn)10.5通孔，與M10X1.25鎖緊螺母螺紋緊固。在擰緊過程中設(shè)定需要施加緊固扭矩Tf，在彈性區(qū)內(nèi)緊固扭矩Tf與預(yù)緊力Ff有如下關(guān)系式[3]

球頭銷螺紋摩擦系數(shù)μs及支撐面摩擦系數(shù)μW按實(shí)測值，實(shí)測數(shù)據(jù)見表1球頭銷螺紋摩擦系數(shù)，中1號件與2號件為表面涂防銹油狀態(tài)，與斷裂件出廠狀態(tài)一直，故可以按1號件測試數(shù)據(jù)，其余與尺寸有關(guān)的參數(shù)根據(jù)圖6穩(wěn)定桿連桿球頭總成裝配連接圖中的設(shè)計(jì)尺寸。

球頭銷（螺栓）在與螺母擰緊時(shí)，螺紋的牙根處除受拉應(yīng)力σf的影響外，還要受螺紋副的螺紋阻力矩Ts引起的剪切應(yīng)力τ的影響。球頭銷的材質(zhì)屬于延性材料，可根據(jù)剪切應(yīng)變能學(xué)說[4]，有

在本案中裝配緊固扭矩Tf=80N·m結(jié)合（4）式、（6）式與（9）及（10）式，計(jì)算得σν=935.57MPa。

根據(jù)GB/T3098.1表3螺栓、螺釘和螺柱的機(jī)械和物理性能，對應(yīng)9.8及球頭銷螺紋的屈服應(yīng)力σ0.2=720MPa，σν計(jì)算結(jié)果不滿足（11）式。故得出球頭銷在80N·m緊固扭矩進(jìn)行裝配時(shí)，其等效應(yīng)力σν大于屈服應(yīng)力σ0.2，超出最大許用極限。也正因?yàn)榇耍蝾^銷出現(xiàn)拉延局部頸縮變形，最終過載斷裂。與本案故障件實(shí)際表觀吻合。

4? 球頭銷緊固扭矩正確選擇與驗(yàn)證

從上面分析結(jié)果可知，要解決球頭在裝配過程中不導(dǎo)致斷裂，必須選用合適的裝配緊固扭矩，且選用的緊固扭矩作用下，產(chǎn)生的等效應(yīng)力低于球頭銷材料屈服應(yīng)力。 隨著預(yù)緊力不斷增加，等效應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度之后，球頭銷螺紋尺寸發(fā)生變化，預(yù)緊力-扭矩圖會出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，這不是我們所需要的，故繪制正確的繪制預(yù)緊力-扭矩圖，需考慮出現(xiàn)屈服前對應(yīng)的預(yù)緊力，這個(gè)預(yù)緊為屈服預(yù)緊力Fty。正確的預(yù)緊力-扭矩圖曲線還需同時(shí)滿足（1）式與（12）式Ff？燮Fty（12）

為了計(jì)算Fty，必須建立預(yù)緊力與等效應(yīng)力關(guān)系。由（3）式、（5）式、（8）式、（10）式可得

根據(jù)（13）式，對于確定的螺栓，摩擦系數(shù)及幾何參數(shù)均已確定，那么當(dāng)?shù)刃?yīng)力σν達(dá)到最大許用值σ0.2時(shí)，此時(shí)的Ff達(dá)到最大值Fty，故（13）式可為

往往在實(shí)際的設(shè)計(jì)及校核時(shí)，應(yīng)考慮一定的許用系數(shù)ν。在汽車行業(yè)許用系數(shù)ν一般取值0.9[5]，即當(dāng)?shù)刃?yīng)力σν=0.9σ0.2時(shí)，作為設(shè)計(jì)考慮的罰點(diǎn)，在此應(yīng)力下的預(yù)緊力Ff值記為Ff0，故（13）式又可為

根據(jù)（14）式，（15）式，通過計(jì)算可以分別求出不同摩擦系數(shù)的預(yù)緊力-扭矩圖曲線上對應(yīng)的等效應(yīng)力σν=σ0.2與等效應(yīng)力σν=0.9σ0.2時(shí)的預(yù)緊力Fty與Ff0，將不同摩擦系數(shù)的曲線上的Fty與Ff0連接成線。由于在這條曲線上，獲得的等效應(yīng)力是相同的，故可以作為等應(yīng)力曲線，由此得到新的等應(yīng)力曲線-預(yù)緊力-扭矩圖，見圖7等應(yīng)力曲線-預(yù)緊力-扭矩圖（等級9.8，M10X1.25，dw=19.6mm，dh=10.5mm）。

由圖7可知，σν=σ0.2等應(yīng)力曲線上對應(yīng)的不同摩擦系數(shù)下的預(yù)緊力，當(dāng)預(yù)緊力超出σν=σ0.2等應(yīng)力曲線，則材料發(fā)生屈服，球頭銷在裝配過程中出現(xiàn)擰斷失效的風(fēng)險(xiǎn)很大;而選擇預(yù)緊力在σν=0.9σ0.2等應(yīng)力曲線上對應(yīng)的預(yù)緊力，相對安全?；诒景笧槔Σ料禂?shù)μb范圍0.09-0.15，當(dāng)摩擦系數(shù)為最小摩擦系數(shù)0.09時(shí)，在等效應(yīng)力σν=0.9*σ0.2的等應(yīng)力曲線上，對應(yīng)可求知Tf力矩為61.7N·m。在等效應(yīng)力σν=σ0.2的等應(yīng)力曲線上，對應(yīng)可求知最大緊固力矩Tfmax為68.6N·m。當(dāng)摩擦系數(shù)為最大摩擦系數(shù)0.14，在等效應(yīng)力σν=0.9*σ0.2的等應(yīng)力曲線上，對應(yīng)可求知Tf力矩為99.9N·m。很顯然，按Tf=99.9N·m時(shí)設(shè)計(jì)緊固力矩時(shí)，對于較小摩擦系數(shù)的螺紋來說，其等效應(yīng)力σν已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料屈服應(yīng)力σ0.2，故在實(shí)際裝配工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按最小摩擦系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在本案中可以進(jìn)行規(guī)整Tf=60N·m作為裝配工藝緊固扭矩規(guī)范的基準(zhǔn)。按擰緊精度Ⅰ級，扭矩離散度±5%[6]計(jì)算扭力公差值為±3N·m，故本案擰緊工藝設(shè)計(jì)值為Tf=60N·m±3N·m。經(jīng)5+50+200臺試裝及6個(gè)月觀察跟蹤，沒有發(fā)現(xiàn)該穩(wěn)定桿連桿球頭總成裝配時(shí)出現(xiàn)力矩打不響及斷裂的事故。證明裝配緊固扭矩規(guī)范有效。從圖7又可知，摩擦系數(shù)對緊固力矩影響非常大。摩擦系數(shù)波動(dòng)范圍越小，擰緊扭矩選定后，那么獲得預(yù)緊力波動(dòng)范圍就小，顯然越有利于擰緊質(zhì)量的一致性與可靠性的控制。這也需要以實(shí)際裝配要求對摩擦系數(shù)及波動(dòng)范圍進(jìn)行合理限定。

5? 總結(jié)

對穩(wěn)定桿連桿球頭銷裝配的斷裂分析及最后的糾正措施實(shí)踐，可以作出以下總結(jié)：①結(jié)合等應(yīng)力曲線的預(yù)緊力-扭矩圖能直觀準(zhǔn)確的對緊固扭矩作出選擇或評定，可以為類似部件及普通緊固件產(chǎn)品設(shè)計(jì)及螺紋裝配工藝設(shè)計(jì)提供參考;②設(shè)計(jì)或校核緊固扭矩時(shí)應(yīng)以摩擦系數(shù)在波動(dòng)范圍區(qū)間的最小值進(jìn)行計(jì)算;③摩擦系數(shù)對緊固扭矩影響較大，在設(shè)計(jì)螺紋摩擦系數(shù)時(shí)范圍需要限定，且越小越好。

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