汽车悬置螺栓断裂失效分析

汽车悬置螺栓断裂失效分析

摘要：本文分析了发动机安装支架和发动机支架的疲劳断裂问题。对螺栓的宏观、扫描电镜、化学成分和金相分析进行了分析，并对同一批次螺栓进行了力学

性能试验。在各种物理化学试验的基础上，结合显微断裂和断裂机理，分析了螺

栓的断裂原因。

关键词：汽车；悬置螺栓；失效分析

1前言

在开发多车发动机支架的过程中，将车辆用于发动机锻造钢悬架。在常规车

辆的道路试验中，连接螺栓和螺栓断裂。本文从螺栓、螺柱断裂类型、螺栓连接

强度计算和结构设计等方面分析了连接失效分析，并提出了改进建议。

2分析的内容

2.1分析样本

分析样品是一个完整的螺栓失效螺栓和失效螺栓。完整的螺栓是全新未使用的。

2.2分析内容

进行了断裂分析、化学成分分析、硬度测试、金相分析、扫描电镜和能谱测试。对完整的螺栓进行了化学成分分析、硬度测试、拉伸试验和金相分析。

2.2.1宏观断口分析。

断裂的连杆被分成两部分：螺纹部分的断裂部分留在连杆的深孔中，螺栓的

另一部分暴露在外。打开螺丝孔后，将断头取出，螺孔内螺纹有外拉的痕迹。通

过与相同模型的完全螺栓比较，发现螺栓的断裂位置位于螺纹的第一齿位置，螺

纹部分没有明显的塑性变形。由于暴露螺钉的二次损伤，存在明显的多重冲击痕迹，杆体严重变形。虽然断裂具有一定的疲劳特性，但断裂边缘明显受到破坏。

因此，暴露的螺杆部分没有断裂分析值。

2.2.2化学成分分析

样品采用螺栓，化学成分符合设计人员的技术要求。

2.2.3光学金相分析。

对失败螺栓基体的金相组织进行分析，组织相对均匀。在螺栓表面附近的组

织形态学中未发现明显的脱碳。金相检查未发现异常。

2.2.4硬度分析。

结果表明，断裂螺栓的硬度与设计要求一致。

2.2.5SEM分析

采用扫描电子显微镜观察螺栓孔内的断裂情况，发现裂纹源位于断裂边缘。

源区域面积较小，瞬时区域面积约为1/2。通过安装位置对准，线的螺纹有向外

拉的位置。源区域的部分增大，疲劳阶段从断裂边缘开始，有许多与裂纹扩展方

向垂直的小的疲劳条纹。

在源区没有明显的夹杂物和不均匀的冶金缺陷。随着裂纹扩展，疲劳条纹变

得越来越长。在裂缝快速膨胀区，有一个明显的酒窝形状。扫描电镜（sem）在

螺纹上观察，发现裂纹与断裂源部分平行。横截面的外表面有许多微裂纹。螺纹

表面没有明显的加工缺陷。螺杆断裂为多个断口源，断裂源集中在截面的同一侧，锚杆和瞬态断裂带占整个断裂的比例（近1/2），这是典型的大应力低周疲劳断

裂特征。通过对螺纹的观察，发现加工缺陷引起的应力集中，除了疲劳裂纹外，

没有发现。因此，扫描电子显微镜（sem）的结果表明，连杆的断裂是在高单向

弯曲循环加载作用下形成的。

3基于VDI2230方法的连接计算分析。

机械设计手册主要是指国家标准的螺栓连接计算方法。与VDI2230的计算方

法相比，计算方法略粗糙，前考虑不全面。本文采用VD12230方法计算悬吊支架

的连接，从表面处理、摩擦系数、结构尺寸、预紧力矩等方面分析了螺栓的连接

强度。通过道路光谱采集，获得了悬吊支架的载荷和横向载荷，并得到了悬架的

横向载荷。通过实验得到了连接结构的摩擦系数。

表一：摩擦系数

（1）使用VDI2230方法（MDESIGN分析软件）的帮助下，螺栓疲劳应力幅

值是80mpa，电泳锻钢悬置支架的抗滑安全系数引擎联接螺栓底部SG=1.5，小于VDI2230SG1.8或更高的设计要求、安全系数；锻钢支架山经过电泳处理（相对结

表面之间的摩擦系数是0.18），，通过嵌入预应力损失预紧的损失（VDI2230嵌

入式）。因为螺栓利用率是72.3%，可以满足连接的安全系数增加扭矩。然而，

螺栓的应力幅值很小，当扭矩接近屈服时，螺栓的应力幅值仍然高达71MPa。

（2）如果连接支撑面不进行电泳（螺栓的摩擦系数为0.23），则螺栓连接防滑的安全系数为SG=1.92，满足连接安全系数的要求；螺栓应力幅值为62MPa，

不满足螺栓疲劳应力的要求。

（3）采用电导支架，然后螺栓扭矩增加，使螺栓计算利用率达到95%，螺栓疲劳应力幅值仍高达56mpa，仍然不能解决螺栓疲劳应力幅值过大的问题。结果

表明，单纯增加预应力不能解决锚杆的疲劳破坏，表明锚杆应力幅值过大，导致

螺栓疲劳断裂。

（4）通过增加基础凸集的3毫米直径，增加的面积的利用率95%结表面和螺栓，螺栓应力幅值明显降低，增加了底座直径的螺栓疲劳失效后问题解决了道路

试验。指出零件结构的尺寸设计对螺栓连接的疲劳性能有重要影响，是提高螺栓

连接在允许结构下的疲劳性能的一种方法。

（5）当然，在这种连接结构中，在弯矩作用下，3个紧固点分布，在弯矩作

用下容易发生接触面积，在螺栓应力打开后会急剧增加，最终导致疲劳失效。如

果你考虑在三角形分布中变化的扣分，可以有效地减少弯曲力，在三个螺栓上的

载荷分布可以更均匀，防止单个螺栓发生早期疲劳断裂失效。然而，在发动机室

空间中，很难进行有足够空间的三角形连接布置。

4结果

失效螺栓的化学成分、显微组织和硬度均符合相关技术条件，未发现明显的

加工缺陷。通过SEM断口观察，该螺栓的断裂具有低周弯曲疲劳断裂的特点。分析表明，锚杆首先受高循环的弯曲荷载作用，产生早期疲劳条纹，并在较大的应

力下断裂。由于发动机在螺栓断裂后没有停止运行，在不稳定状态下的强应力导

致连杆的弯曲变形和断裂。失效螺栓在高应力下弯曲疲劳断裂，不存在加工缺陷。通过螺栓和连杆盖，连接杆体形式的安装，以及断裂分析的螺栓疲劳裂纹扩展方向，弯曲应力方向应在连杆螺栓所承受的范围内，以及从内到外的两个固定的平

面方向螺栓。

5结束语

失效螺栓断裂类型为发动机安装疲劳断裂，结合两个接头螺纹部分的断裂位置，通过金相检验和硬度测试合格，在扫描电镜（sem）螺栓下观察到微裂纹无

异常，螺栓的疲劳断裂是正常的。螺栓连接的疲劳失效不是由螺栓的质量问题引

起的，但设计是不合理的。