發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈固定螺栓斷裂失效分析

柯勝藍(lán) 張少甫 張曉俊

（上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805）

1 前言

螺栓廣泛應(yīng)用在汽車(chē)零部件連接，但在實(shí)際生產(chǎn)、制造和裝配過(guò)程中，各種異常因素會(huì)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(jiàn)的一種失效，常見(jiàn)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(jiàn)的斷口有疲勞斷口、韌性斷口、剪切斷口。

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)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(guò)火花塞變成高壓電火花點(diǎn)燃可燃混合氣體[9]。點(diǎn)火線圈固定螺栓是將點(diǎn)火線圈固定在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，通過(guò)擰緊從而夾緊點(diǎn)火線圈，防止在振動(dòng)載荷下點(diǎn)火線圈的脫落。按照VDI 2862 對(duì)擰緊點(diǎn)的等級(jí)的分類(lèi)（主要分為KAT A、KAT B、KAT C 類(lèi)），該擰緊點(diǎn)的擰緊等級(jí)為KAT B，即擰緊如出現(xiàn)失效，會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)出現(xiàn)拋錨等功能性失效。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈是個(gè)耗損件，汽車(chē)每行駛一定的里程數(shù)就需要更換。更換時(shí)，需先擰松固定螺栓，更換火花塞后重新擰緊固定螺栓。

2 問(wèn)題描述

某車(chē)輛在路試至50 000 km 準(zhǔn)備進(jìn)行火花塞拆裝時(shí)，第4 缸點(diǎn)火線圈固定螺栓底部斷裂，其它3缸點(diǎn)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(lái)的螺栓如圖1b 所示。

通過(guò)信息調(diào)研，該車(chē)輛在20 000 km和40 000 km均更換過(guò)火花塞，斷裂發(fā)生在第3次更換火花塞時(shí)，每次更換火花塞時(shí)仍采用原螺栓進(jìn)行擰緊。該螺栓為自攻螺栓，等級(jí)為8.8級(jí)，尺寸為M6×45，螺栓主要作用是將點(diǎn)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(diǎn)火線圈固定螺栓的裝配位置和斷裂失效螺栓

3 測(cè)試分析

3.1 斷口分析

采用徠卡DMS1000 型體式顯微鏡對(duì)失效的螺栓進(jìn)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(cè)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(duì)失效的螺栓進(jìn)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(shí)針?lè)较蚣羟许g窩，結(jié)合失效螺栓有明顯的扭曲變形，推測(cè)螺栓是受扭轉(zhuǎn)力過(guò)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(guò)調(diào)制熱處理達(dá)到8.8 級(jí)的強(qiáng)度。根據(jù)ISO 898-1，該螺栓的硬度250～320 HV10。

采用蔡司Axiovert 200MAT 型對(duì)失效件進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)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(wàn)能硬度機(jī)對(duì)失效螺栓的心部進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果為290～298 HV10。符合8.8 級(jí)螺栓強(qiáng)度要求，詳細(xì)測(cè)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(jìn)一步確認(rèn)失效的原因，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，a（實(shí)際零件上擰至失效）、b（實(shí)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(shí)驗(yàn)，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(shí)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(dòng)機(jī)殼體的螺紋孔上至失效。擰至16 N·m 后開(kāi)始失效，螺栓無(wú)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(shuō)明按照正常情況進(jìn)行擰緊，即使擰至失效，該螺栓也不會(huì)發(fā)生斷裂。

圖4 實(shí)際零件上擰緊至失效模擬裝配實(shí)驗(yàn)

b.實(shí)際零件重復(fù)擰緊6 次。模擬裝配實(shí)驗(yàn)的裝置和圖4a 相同，按照設(shè)計(jì)的工藝扭矩?cái)Q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(shuō)明按照11 N·m 正常重復(fù)多次擰緊，螺栓也不會(huì)出現(xiàn)斷裂等失效。

圖5 實(shí)際零件上重復(fù)擰緊模擬裝配實(shí)驗(yàn)

c.將螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂。將螺栓一端夾在臺(tái)虎鉗上，讓螺栓的擰緊時(shí)無(wú)法自由伸長(zhǎng)，此時(shí)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(shí)出現(xiàn)屈服，擰至14 N·m 時(shí)出現(xiàn)斷裂。

圖6 將螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂模擬裝配實(shí)驗(yàn)

d.將螺栓擰在螺母上至斷裂。為讓模擬螺栓在裝配過(guò)程中拉斷，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)將螺栓穿過(guò)鋼墊片，擰在高強(qiáng)度等級(jí)的螺母上（等級(jí)為10 級(jí)），擰至失效后，螺栓出現(xiàn)斷裂。實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(shí)驗(yàn)

4 分析和討論

根據(jù)失效螺栓的硬度和心部金相測(cè)試結(jié)果，螺栓的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

模擬裝配的a 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明螺栓在鋁缸體上正常擰緊時(shí)不會(huì)出現(xiàn)斷裂。當(dāng)擰至較高的扭矩時(shí)，即使鋁缸體內(nèi)螺紋出現(xiàn)滑牙，螺栓也不會(huì)出現(xiàn)斷裂。模擬裝配的b 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明按照設(shè)計(jì)的工藝扭矩多次重復(fù)裝配，螺栓也不會(huì)出現(xiàn)斷裂。

模擬裝配實(shí)驗(yàn)c 和模擬裝配實(shí)驗(yàn)d 的測(cè)試過(guò)程中，螺栓均出現(xiàn)斷裂。因此，對(duì)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(duì)比如圖8 所示，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，失效件斷口和模擬裝配c實(shí)驗(yàn)的擰斷斷口較相似。

圖8 宏觀斷口對(duì)比

微觀斷口的對(duì)比如圖9 所示，失效件和模擬裝配c 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shuō)明d 實(shí)驗(yàn)的螺栓主要承受拉伸載荷而斷裂。

圖9 微觀斷口對(duì)比

通過(guò)宏觀斷口和微觀斷口的對(duì)比分析，確定失效件主要承受扭矩載荷而導(dǎo)致的斷裂，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步對(duì)點(diǎn)火線圈固定螺栓的擰緊過(guò)程進(jìn)行了調(diào)研。相關(guān)部門(mén)反饋，該螺栓拆裝后，未采用定扭矩扳手進(jìn)行擰緊，而是直至擰不動(dòng)為止。40 000 km 更換第2 次更換火花塞時(shí)，螺紋孔已出現(xiàn)輕度滑牙。螺紋孔滑牙會(huì)導(dǎo)致螺栓擰緊時(shí)無(wú)法自由向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，繼續(xù)擰緊時(shí)，螺栓會(huì)主要承受扭轉(zhuǎn)載荷，同時(shí)未采用定值扭力扳手，可能會(huì)導(dǎo)致螺栓承受過(guò)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(shí)，螺栓沒(méi)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(jìn)而導(dǎo)致螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂。

5 結(jié)論

a.點(diǎn)火線圈固定螺栓主要承受剪切載荷而斷裂，其斷口呈順時(shí)針?lè)较蚣羟许g窩。

b.通過(guò)模擬裝配對(duì)比分析，失效的點(diǎn)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(jìn)一步說(shuō)明螺栓的斷裂模式為扭轉(zhuǎn)（剪切應(yīng)力）斷裂失效。

c.點(diǎn)火線圈固定螺栓斷裂的可能原因?yàn)榈诙?0 000 km 更換火花塞時(shí)，螺栓沒(méi)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(jìn)而導(dǎo)致螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂。