電機(jī)端蓋螺栓斷裂問題分析及優(yōu)化

劉良剛，劉占鋒，王光輝

電機(jī)端蓋螺栓斷裂問題分析及優(yōu)化

劉良剛，劉占鋒，王光輝

（蘇州匯川聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)有限公司 過程開發(fā)中心，江蘇 蘇州 215104）

電機(jī)作為新能源汽車的三大核心部件之一，對(duì)新能源汽車的性能有極其重要的作用。文章通過對(duì)某款電機(jī)端蓋早期疲勞試驗(yàn)中螺栓斷裂的成因分析，系統(tǒng)梳理制造過程的相關(guān)因子，包括但不限于擰緊工藝參數(shù)調(diào)查研究，設(shè)備調(diào)查研究，原材料調(diào)查研究，以及借助仿真軟件進(jìn)行受力分析，找到螺栓斷裂的主因系螺栓根部R角處褶皺引起應(yīng)力集中斷裂，并通過一系列的優(yōu)化提升，規(guī)避潛在質(zhì)量隱患，并為進(jìn)一步提高制造過程水平奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

螺栓斷裂；R角；褶皺；電機(jī)；扭矩衰減；破壞實(shí)驗(yàn)

引言

出于能源戰(zhàn)略安全考慮和越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求，2017年開始，國家相繼出臺(tái)了鼓勵(lì)和支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。在此以后，新能源汽車行業(yè)獲得了蓬勃發(fā)展。而進(jìn)入2020年，特斯拉汽車開始國產(chǎn)，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇，也傳導(dǎo)至下游零部件提供商。而螺栓緊固造成的召回事件頻頻發(fā)生，讓傳統(tǒng)車企和造車新勢(shì)力，都面臨越來越大的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)緊固裝配從業(yè)技術(shù)人員已對(duì)三電系統(tǒng)開展了大量的性能研究摸索。但對(duì)新能源乘用汽車電機(jī)的耐久試驗(yàn)研究，尤其是端蓋螺栓斷裂失效研究方面，尚未有效開展。

1 失效背景

在某客戶早期耐久實(shí)驗(yàn)階段，某臺(tái)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子合裝端蓋螺栓在振動(dòng)試驗(yàn)過程中，發(fā)生螺栓斷裂現(xiàn)象。從下圖可以看出，一共8顆螺栓，其中5顆發(fā)生斷裂。

圖1 端蓋斷裂詳情

1.1 應(yīng)用工況情況

該失效工位采用單把阿特拉斯品牌手持?jǐn)Q緊電動(dòng)工具，利用定位編碼器實(shí)現(xiàn)位置和數(shù)量識(shí)別，通過四步擰緊策略，一共擰緊8顆螺栓，螺栓規(guī)格為M8*25，螺栓表面帶達(dá)克羅涂層，螺栓等級(jí)為10.9級(jí)。擰緊工藝要求為：31 Nm±3 Nm。

1.2 初始調(diào)查研究

通過對(duì)失效件其他三個(gè)未發(fā)生斷裂位置的殘余扭矩測(cè)量發(fā)現(xiàn)均有不同程度扭矩衰減。其中，4號(hào)位置最為嚴(yán)重，僅剩余12.27 Nm，遠(yuǎn)低于殘扭標(biāo)準(zhǔn)≥25 Nm[1]。

表1 其他三個(gè)位置殘余扭矩一覽表

螺栓編號(hào)468 12.2723.3226.01 是否符合要求否否是

2 調(diào)查過程

2.1 振動(dòng)過程調(diào)查

通過首先對(duì)振動(dòng)臺(tái)架的固定螺栓和工裝狀態(tài)進(jìn)行檢查復(fù)核，未發(fā)現(xiàn)異常。接下來，通過調(diào)整和降低振動(dòng)量級(jí)，跟蹤確認(rèn)螺栓狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂現(xiàn)象有所減少，但是斷裂問題依然存在。另根據(jù)此零件早期振動(dòng)過程調(diào)查，確認(rèn)早期不存在類似失效[2]。

表2 不同振動(dòng)量級(jí)螺栓狀態(tài)一覽表

振動(dòng)量級(jí)螺栓狀態(tài)隨機(jī)10 G+正弦+沖擊隨機(jī)7 G+正弦隨機(jī)7 G 有無斷裂有有有 斷裂數(shù)量531

2.2 工藝過程調(diào)查

通過調(diào)整擰緊順序和工藝過程，對(duì)比線上裝配完成后殘余扭矩變化情況。通過對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速之后對(duì)殘余扭矩的改善有限，通過對(duì)初始四顆扭矩衰減較為嚴(yán)重的螺栓復(fù)擰后，效果較為顯著。

基于該過程調(diào)查，確認(rèn)對(duì)最前面擰緊的四顆螺栓復(fù)擰緊，對(duì)螺栓扭矩衰減有較大改善[3-4]。

表3 不同擰緊工藝殘余扭矩對(duì)比一覽表

調(diào)整動(dòng)作擰緊位置順時(shí)針降低50%轉(zhuǎn)速復(fù)擰緊 1234567824.4123.5628.7128.4028.0829.7231.8429.0924.4523.6626.6027.3228.6229.1732.8230.0227.4527.6627.3028.1228.7229.3131.8930.04 平均值27.9727.8328.81

2.3 零件調(diào)查

通過調(diào)查，該10.9級(jí)螺栓對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度和芯部硬度均符合要求。

表4 不同批次螺栓性能檢查對(duì)比一覽表

評(píng)價(jià)維度批次抗拉強(qiáng)度（>1 000 MPa）芯部硬度(HRC32-39) 問題批次1 14938 早期批次1 10338 臨近批次1 15039 最新批次1 12537

后通過對(duì)失效件和正常件用顯微鏡放大50倍，確認(rèn)失效件螺栓根部存在褶邊，且根部圓角上存在凹槽，存在應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 根部R角合格件與失效件對(duì)比詳情

2.4 受力分析和驗(yàn)證

2.4.1受力仿真分析

通過利用仿真軟件，對(duì)該連接件不同位置進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)螺栓上方損傷值最大的為2號(hào)位置，螺栓下方損傷值最大的為1號(hào)位置。而該受力仿真分析結(jié)果，與實(shí)際螺栓斷裂位置吻合[5]。

表5 不同螺栓位置損傷情況一覽表

評(píng)價(jià)維度螺栓位置上方損傷值下方損傷值 15.2737.07 26.4221.11

2.4.2夾緊力測(cè)試

針對(duì)該電機(jī)端蓋螺栓發(fā)生的多個(gè)位置螺栓斷裂情況以及扭矩衰減情況，為進(jìn)一步復(fù)核該螺栓的受力情況，借助以下公式對(duì)受力情況和夾緊力情況進(jìn)行了進(jìn)一步的分析和計(jì)算[1]。

圖3 螺栓受力仿真情況

通過復(fù)核計(jì)算，該處螺栓螺紋頭部接觸面為粗糙面，摩擦系數(shù)在0.3～0.6，每顆螺栓需承受預(yù)緊力4 500 N左右，而當(dāng)前扭矩對(duì)應(yīng)預(yù)緊力為3 000 N左右。因此，通過在現(xiàn)有彈性區(qū)間內(nèi)成比例提升，預(yù)估可將現(xiàn)有扭矩提高到50～60 Nm之間，可以在保證材料不發(fā)生塑性變形前提下獲得更好的預(yù)緊力和擰緊質(zhì)量效能。

=/（0.16+（μ×0.58×2）+（D/2×μ）） （1）

2.4.3破壞力矩測(cè)試

利用帶全過程曲線追溯功能的阿特拉斯擰緊扳手，采用本次失效相同批次零件和擰緊工藝策略，緩慢擰緊至螺栓屈服斷裂，采集整個(gè)過程的擰緊曲線，發(fā)現(xiàn)該螺栓最小屈服斷裂扭矩在110 Nm左右[6]。通過該實(shí)驗(yàn)復(fù)核驗(yàn)證表明，我們當(dāng)前的擰緊工藝扭矩31 Nm，提高到50～60 Nm之后，安全空間仍然很大，排除因工藝策略扭矩設(shè)置不當(dāng)造成的螺栓斷裂[7]。

圖4 螺栓破壞力矩示意圖

3 結(jié)論

通過大量的調(diào)查驗(yàn)證，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析以及各種實(shí)驗(yàn)復(fù)核，最終明確本次耐久試驗(yàn)螺栓斷裂的主要原因是螺栓根部褶皺應(yīng)力集中造成。另外本次調(diào)查梳理，一方面通過工藝參數(shù)優(yōu)化解決了扭矩衰減潛在隱患；另一方面，通過預(yù)緊力復(fù)核計(jì)算以及借助仿真軟件校核，評(píng)估將現(xiàn)有扭矩提升以獲得更大的預(yù)緊力和擰緊效能。我們通過這樣的調(diào)查分析，大家的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫搅诉M(jìn)一步提升，為后續(xù)量產(chǎn)獲得更高的裝配制程水平奠定了基礎(chǔ)。

借助此次調(diào)查，也再次說明了只有充分遵循“現(xiàn)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)、現(xiàn)物”的原則，才能夠最終將問題鎖定，并加以徹底解決。另外，我們也希望借此為后續(xù)同行類似問題的調(diào)查分析提供參考，為我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)振興，為早日實(shí)現(xiàn)國家碳中和的目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

[1] 任麗華,李鳳玲.螺紋擰緊扭矩的理論分析[J].煤礦機(jī)械,2006(07): 93-95.

[2] 王榮,李玲.連接螺栓斷裂失效分析[J].金屬熱處理,2007(S1):301- 304.

[3] 王靜.生產(chǎn)過程中扭矩衰減的控制方法[J].大眾科技,2011(10): 150-152.

[4] 王曉斌,莫易敏.擰緊速度對(duì)螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2014,38(04):860-863.

[5] 辛鵬,萬義強(qiáng),徐琢.螺栓連接的有限元建模及仿真分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2015(02):60-64.

[6] 熊云奇,張瓊敏,盧海波.螺栓擰緊實(shí)驗(yàn)曲線形態(tài)研究[J].汽車科技, 2000(05):15-17.

[7] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):第5版[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

Motor Cover Bolts Fracture Analysis and Optimization

LIU Lianggang, LIU Zhanfeng, WANG Guanghui

( Process Development Center of Suzhou Inovance Automotive Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215104 )

Motor is one of the most key component parts in new energy vehicle and has very important purpose to vehicles. This article introduce detail investigate for bolts fracture issue during early function test. By process, material investigation and together with simulator software to finally find bolts fracture root cause is that bolts' R angle NOK. Besides, avoid potential risk by series of optimization actions and improve manufacture levels.

Bolt fracture; R angle; Fold; Motor; Torque decrease; Break test

V232

A

1671-7988(2021)23-139-03

V232

A

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.039

劉良剛（1984—），男，學(xué)士，機(jī)械工程專業(yè)中級(jí)工程師，緊固專家，就職于蘇州匯川聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)有限公司過程開發(fā)中心，研究方向：裝配緊固和防錯(cuò)。