發(fā)動機曲軸皮帶輪螺栓斷裂分析與應對措施

范奇達 徐立軍 張文波 應佳舟

摘要：發(fā)動機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、化學成分分析、摩擦系數(shù)驗證、超聲波軸力驗證檢測等方法對受檢斷裂螺栓和同批次螺栓進行了全面分析，認為該螺栓的預緊力受皮帶輪端面防銹油對系統(tǒng)摩擦系數(shù)的影響，導致個別螺栓預緊力不足而發(fā)生疲勞失效。另外，通過分析裝配工藝和預緊力的穩(wěn)定控制，提出了優(yōu)化方案。

關鍵詞：曲軸皮帶輪螺栓；斷裂分析；疲勞；預緊力；防銹油

中圖分類號：U464.13 文獻標識碼：A

0 引言

發(fā)動機運行過程中，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行力矩傳遞，進而帶動曲軸前端的輪系進行轉動。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，其強度對曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪的有效連接起著至關重要的作用。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)動機運行失效[1]。

某款車輛在行駛過程中出現(xiàn)水溫故障燈點亮現(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角法（100.0 N · m+71°），設計的最小預緊力要求≥ 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間段內裝配，斷裂形式一致。

1 試驗與分析

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。裂面分為2 塊區(qū)域，灰色區(qū)為疲勞區(qū)域，灰黑色區(qū)域為快速斷裂區(qū)，裂紋擴展方向如圖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，也是應力最集中的位置。經(jīng)調查，曲軸皮帶輪出貨前，供應商對皮帶輪端面已采用金光F20-1 潤滑油進行防銹，曲軸前端面內螺紋加工后無需進行潤滑油防銹，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)域為裂紋源區(qū)，源區(qū)存在約10 μm 的剪切韌窩，裂紋擴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，黃色箭頭是裂紋擴展方向（圖9）。

根據(jù)圖7 ～圖9 進行分析，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，裂紋擴展方向如黃色箭頭所示。

1.3 金相分析

將螺栓縱向剖開進行金相分析，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

用硬度計對斷裂螺栓的芯部及表面分別進行硬度測試， 測試結果如表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 對斷裂螺栓的化學成分進行分析，結果如表2 所示?？梢钥闯觯瑪嗔崖菟ǖ幕瘜W成分符合Q/BQB 517—2019《冷鐓鋼盤條》的企業(yè)標準中對SCM435 鋼的要求。

1.6 螺栓摩擦系數(shù)驗證

根據(jù)ISO 16047《緊固件- 扭矩/ 夾緊力測試》標準，用德國TEST 摩擦系數(shù)試驗機對同批次曲軸皮帶輪螺栓進行摩擦系數(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 結果與分析

從螺栓的機械性能分析，斷裂螺栓的化學成分、硬度、金相組織和摩擦系數(shù)等都滿足圖紙技術要求。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行摩擦，螺栓的預緊力受皮帶輪端面粗糙度和潤滑劑影響較大。對同批次螺栓的預緊力進行測試，測得的預緊力為117 ～ 121 kN，滿足預緊力設計要求（≥ 110 kN）。目前螺栓在實驗室標準狀態(tài)（即標準墊片在粗糙度Ra0.2 ～ 0.8，無油的狀態(tài)）下測試，可以滿足摩擦系統(tǒng)技術要求（0.100 ～ 0.160）。現(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系統(tǒng)摩擦系數(shù)，從而滿足了設計的最小預緊力[3]。

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

3 應對措施

在100 N · m 的基礎上可適當增加轉角至90°，使螺栓提高軸向力至屈服軸力附近，同時可降低應力幅，提高疲勞壽命。螺栓的疲勞松弛或者疲勞斷裂與交變應力有關[4]，應力幅是影響預緊螺栓聯(lián)接副疲勞性能的主要因素之一。試驗結果表明，受軸向模擬載荷的預緊螺栓聯(lián)接副，在最小應力不變的條件下，應力幅越小，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行嚴格控制，并對儲存周期以及氣候環(huán)境進行嚴格管控。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 結束語

該發(fā)動機上曲軸皮帶輪螺栓的失效為疲勞斷裂[5]。因個別螺栓擰緊后位于彈性區(qū)，未滿足最小預緊力要求，在高頻振動、瞬時沖擊的長期作用下，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緊力設計過程中，未識別出皮帶輪端面防銹油對螺栓預緊力的重大影響。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行預緊力設計和試驗驗證，對所需預緊力關聯(lián)到的系統(tǒng)風險因素都需要嚴格控制，這樣才能保證質量問題不會發(fā)生。

【參考文獻】

[1] 郭文芳， 馮繼軍， 彭賢鋒， 等. 某發(fā)動機脹斷連桿螺栓松脫失效分析[J].理化檢驗- 物理分冊，2016，52（4）：274-277.

[2] 張?zhí)兀?馬豪， 李海林. 緊固件防松轉矩計算分析[J]. 重型汽車，2019（5）：18-19.

[3] 陳政果， 古忠濤， 陳薄， 等. 某柴油發(fā)動機主軸承蓋螺栓的動力學性能分析[J]. 機械設計與制造，2019（04）：225-229.

[4] 胡廣， 陳麗霞， 喬彥超. 某款發(fā)動機減震皮帶輪螺栓組件松脫問題解析[J].機械工程師，2021（12）：75-77.

[5] 郭衛(wèi)凡， 唐文良. 螺栓聯(lián)接的預緊力與疲勞強度的討論[J]. 科技視界，2013（23）：65-66.

作者簡介：

范奇達，本科，工程師，研究方向為緊固件產(chǎn)品的檢測和失效分析。