螺栓连接疲劳失效机理及其预防措施

螺栓连接疲劳失效机理及其预防措施　石小岗　叶　又　（泛亚汽车技术中心有限公司，上海２０１２０１）　【摘要】　螺栓疲劳失效是汽车设计开发中经常遇到的问题之一。介绍螺栓疲劳失效的特征及螺栓疲劳　失效的影响因素，并通过案例分析，提出在汽车设计中通过设计优化预防螺栓疲劳失效发生的措施。　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】　Ｂｏｌｔ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｉｓ　ａ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆｔｅｎ　ｈａｐｐｅｎｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｏｕｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．　Ｔｈｅ　ｂｏｌｔ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ’Ｓ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｏ　ａｖｏｉｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｂｙ　ｓｏｍｅ　ｃａｓｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　【关键词】螺栓疲劳失效预防措施　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１５．０１．１１　疲劳断裂是螺纹类紧固连接的常见失效模式　之一，一般发生疲劳断裂的连接点都因为受到较　大的交变工作载荷，在汽车上主要是底盘及动力　总成集成的一些连接点。往往由于这些连接点都　会涉及到安全或者性能，且螺栓的疲劳断裂没有　任何的先兆，发生失效后一般会带来比较严重的　后果。本文简要分析螺栓疲劳失效的特征及影响　因素，对在设计中预防螺栓疲劳失效的发生提出　措施　图１　螺栓疲劳失效断面形貌　１　螺栓疲劳失效的特征　疲劳失效的发生一般经历４个过程：（１）疲劳　２　螺栓疲劳失效的影响因素　螺栓的疲劳和一般的零件疲劳一样，存在着４　个必要条件：（１）交变工作载荷；（２）高于疲劳极限　的应力副；（３）疲劳源；（４）材料的敏感性。可从这　源产生；（２）裂纹缓慢扩展；（３）裂纹快速扩展；　（４）最终瞬间断裂。这４个过程可从零件的断面　很明显地看到，见图１。因此，当有螺栓发生断裂　失效的时候，应保护好零件的断口，断口的分析为　零件的失效形式的鉴定提供了有力的证据，还可　从裂纹扩展的方向，印证外载荷的工况。　４个方面着手，进行设计时的疲劳失效预防和疲劳　失效分析。　收稿日期：２０１４—１０—１４　・４６・　上海汽车２０１５．０１　（１）交变工作载荷影响。作为汽车的结构　件，一般都会受到交变的工作载荷。如图２所示，　当外部的轴向交变工作载荷Ｆ　施加在连接件上　时，根据连接受载的三角原理图，额外增加在螺栓　上的载荷变化范围为△　，取决于螺栓与被紧固　件之间的刚度比为　＝　式中：Ｋ　为螺栓的刚度；　为被紧固件的刚度；Ｆ　为外部的轴向交变工作载荷。　图２轴向外载荷对螺栓的载荷影响　除以螺栓的应力面积即得到螺栓的应力变化　范围，再除以２即得到应力幅，即　０＝１／２　Ｘ　ＡＦｂ／Ａ　（２）　式中：Ａ　为螺栓的应力面积；Ｏ＇ａ为螺栓上的交变　应力幅。　外部的交变工作载荷，不管是轴向的外载荷，　还是弯矩，都会让已经预紧的螺栓产生交变应力　变化。其大小可通过计算或者ＣＡＥ辅助分析，计　算出螺栓的交变应力幅。　（２）螺栓疲劳极限。对于螺栓的疲劳极限，　也可以通过试验的方式，得到Ｓ－Ｎ曲线，如图３所　示。当螺栓的应力幅小于螺栓的疲劳极限时，将　永远不会发生疲劳失效。　对于螺栓的疲劳极限，ＶＤＩ　２２３０给出了一般　的应力幅计算公式　＾ｓｖ＝０．８５（１５０／ｄ＋４５）　（３）　ＡｓＧ：（２一Ｆｓ　／Ｆｏ．２　ｉ　）・　Ａｓｖ　（４）　式中：　例为螺栓先搓丝后热处理的疲劳应力极　限；ｏ－　为螺栓先热处理后搓丝的疲劳应力极限；　Ｆ　／　ｉ　为螺栓上的平均载荷与屈服载荷的　比值。　确定好螺栓的疲劳应力极限，就可以为设计　上海汽车２０１５．Ｏ１　图３螺栓的疲劳Ｓ－Ｎ曲线　预防和疲劳失效分析提供评判依据。　（３）疲劳源。零件表面的初始微裂纹有助于　疲劳源的形成，螺栓本来就是表面应力复杂的零　件，表面的缺陷，如划伤、热处理产生的微裂纹等　都会诱发螺栓的疲劳失效。这些比较严重的缺陷　当然是不允许。但是，从严格意义上讲，零件表面　的粗糙度也可以算是微缺陷，因此，质量再好的螺　栓疲劳源也是无法杜绝的。　（４）材料敏感性。螺栓的材料和形状对疲劳　失效也有比较大的影响，韧而强的材料有助于抗　疲劳，因为现在一般１０．９级的螺栓都使用较好的　合金材料，经淬火及高温回火后得到的马氏体，在　保证高强度的同时，也有较好的柔韧性，且目前所　接触到的供应商，均采用ＳＣＭ４３５来生产１０．９级　的螺栓，因此改进的余地不大。　以上分析的４点因素中，是否超过螺栓的疲　劳应力极限成为判断螺栓疲劳失效与否的关键。　交变外载荷是螺栓产生交变应力幅的动因，产生　应力幅的大小还与连接件的结构、紧固点的布置　方式、螺栓预紧力的大小等有关。所以，通过合理　的紧固连接设计，有效地降低螺栓上的应力幅，可　以从设计上避免疲劳失效的发生。当然，通过提　高螺栓的疲劳应力极限，也算是一种方案，如先热　处理后搓丝，或者通过特殊形状的螺栓设计，让应　力集中在螺栓的光杆部分等，本文将暂不考虑。　接下来所提及的螺栓都指标准的螺栓，旨在突出　连接整体合理设计的重要性。　・４７・　一起对车轮的滑移率进行控制的系统，它是ＡＢＳ　ＡＳＲ的性能。四轮驱动汽车的车速并没有直接测　得，而是根据轮速的波动情况估计出参考车速，然　后用于计算滑移率，所以不能保证其准确度。如　的自然延伸。ＡＳＲ与ＡＢＳ的很多硬件可以共用　（如轮速传感器、制动压力控制器和电控单元等），　形成了ＡＢＳ／ＡＳＲ系统。另外，ＡＢＳ／ＡＳＲ还与其　他系统集成，形成功能更强大的汽车电子集成控　制系统，如ＡＢＳ／ＡＳＲ与电子制动力分配系统　果能添加车身速度传感器来测量车速，可以提高　ＡＳＲ的控制效果。　３．３实现信息共享　（ＥＢＤ）、车身电子稳定系统（ＥＳＰ）和自适应巡航　系统（ＡＣＣ）等集成，形成了ＡＢｓ／ＡＳＲ／ＥＢＤ、ＡＢＳ／　ＡＳＲ／ＥＳＰ、ＡＢＳ／ＡＳＲ／ＡＣＣ系统。　３．２现有技术的提高　随着总线技术的发展，汽车各个系统之间可　以实现信息共享，提高了信号利用率。ＡＳＲ系统　也不例外，总线技术可以实现ＡＳＲ与变速器、发动　机、悬架等系统之间的信息共享，使所有控制器的　功能都更加完善，为整车控制奠定基础。　参考文献　［１］余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３．　［２］邵红艳．现代汽车ＡＢＳ和ＡＳＲ系统分析［Ｊ］．现代机　械，２００４（６）．　目前ＡＳＲ的控制方式主要以逻辑门限值控制　为主，虽然逻辑门限值控制方法简单，但是其逻辑　复杂，门限值需要用大量的实验数据确定，而且采　用此方法的ＡＳＲ系统通用性相对较差。随着技术　的提高，可以将一些智能控制方法，如神经网络控　制、模糊控制、ＰＩＤ控制等方法应用于ＡＳＲ系统，　提高系统的精度，可靠性。　［３］　罗俊奇．汽车驱动防滑控制系统的研究［Ｄ］．广州：广东　工业大学，２００８．　ＡＳＲ系统的性能受传感器技术的影响很大，　如果传感器的精度不高或鲁棒性差一定会影响到　电　４－＂　４－＂　４－＇　－６＂　４－＂４－＂　七　七女　女　４－＇　（上接第４８页）　置，以降低弯矩的影响。当外载荷存在很大扭矩　的时候，都可以通过合理的紧固点布置和零件的　∞　结构尺寸设计优化，降低对螺栓的影响，而这需要　在设计的初期就应充分考虑。　垒　＼　呵　耀　４　结语　汽车连接螺栓的疲劳失效可以在设计中避免　夹紧力／ｋＮ　的。螺栓的疲劳失效，大多数都不是因为螺栓质　量问题引起的，而是设计的不合理。因此，设计初　图６螺栓上的应力变化范围　期，就应对工作载荷进行计算，通过合理的紧固点　布置和零件的结构尺寸设计优化，并施加足够的　（３）合理的紧固点布置方式。合理的紧固点　布置方式，就是多个螺栓连接时，应尽量考虑螺栓　的平均受力，避免其中１个点受力特别苛刻，其失　夹紧力，使螺栓在工作中，应力幅控制在设计的范　围内，必将大幅地降低螺栓疲劳失效的概率，从而　为客户提供高品质的产品。　效后会加剧其余的螺栓失效。也应避免一条线布　上海汽车２０１５．０１　・５ｌ・