螺栓疲劳断裂的一个实例分析

在车辆设计开发和售后实践中，发生任何一个螺栓断裂的问题，对于工程师都是一个紧急事件，必须在极有限的时间内：寻找出问题发生的根本原因即Root Cause，解决问题，让开发试验顺利进行或者解决客户抱怨，避免同类问题的再次发生。

今天螺丝君，通过某车型油箱箍带螺栓疲劳断裂的实例分析过程，说明当螺栓连接失效时，虽然最后的失效形式表现为螺栓疲劳断裂，但大多时候并不是螺栓的质量有问题，而是装配过程中出了差错，使零件间的匹配不好，导致接头在工作载荷下发生夹紧力的衰减，引起连接失效。

同时，提供一个解决问题的思路，当疲劳断裂发生时，应该从哪几个方面着手？

2021年12月，某车型在执行比利时路的试验中，车尾部底盘处有咯吱、咯吱异响，检查发现油箱箍带固定螺栓断裂。

当螺栓断裂的问题发生后，首先，拿到断裂的螺栓，判断螺栓断口的类型：疲劳断裂，韧性断裂还是螺栓缺陷断裂。有经验的工程师，可以目视做一个大致判断，在等待试验室的断口分析报告时间里，可以着手做原因分析工作。

下图，是案例中的螺栓断口电镜分析图片,结论和工程师的经验判断一致:螺栓断面是疲劳断裂。

上图疲劳断口形貌，与下图中的螺栓脆性断口和螺栓缺陷断口的形貌有极大区别。

01 同类螺栓问题追溯

同一个螺栓，会用在不同的车型上，也会用在同一个车型的不同连接点上，排查问题螺栓，一定要追溯先前的问题报告，本案例中，螺栓已经使用在35台各车型的耐久试验车辆上,全部通过全程试验，均未出现螺栓断裂。

工程师可以基本确定：连接点螺栓的设计和供应商的质量问题的风险不大。

02 螺栓设计校核

a. 连接螺栓为M10，8.8级，拧紧扭矩T=40NM，,单个螺栓的最小轴向紧固力FM=14.5KN。

可根据下列公式计算：

T-拧紧力矩；Fm-预紧力；P-螺距；d2-螺纹中径；dh-被联接件螺栓孔直径;dw-螺母或者螺栓法兰的支承直径;u=摩擦系数。

b. 燃油系统总重力G总=717.85N，单个螺栓受到的重力G=717.85/4≈180N。

c. 单个螺栓处轴向极限加速度产生的冲击力：

Fz1=（62+9.5+1.75）/4*10*9.8=1794N。

d. 油箱单个螺栓受到的重力与冲击力之和为：1794N+180N=1974N2KN。

e. 单个螺栓提供的横向摩擦力：Ft=0.15(14.5-2)=1.875KN,按照横向加速度a=5g计算，单个螺栓所受到的横向力Fa=717.85/4×5=0.9KN，在极限情况下Ft〉Fa。

综合上述：螺栓及拧紧力矩，可以满足使用要求。

03 螺栓质量检测

04 被连接件的设计校核

如果螺栓在连接的时候,被连接件因为设计和制造的原因而没有稳定的紧密接触，即使暂时达到了预期的扭紧力矩，在有外力冲击下，连接面很快松动，螺栓轴力就会消失，使连接失效，螺栓的疲劳断裂很快。

校核螺栓连接处的平面，唯一的潜在因素是箍带的弯角，校核箍带通孔到R角距离：5.40mm，满足设计要求（5±0.5）mm，螺栓边缘不会压到箍带R角，螺栓法兰面会和箍带平面贴合良好。

05 装配记录追查

车辆发生螺栓断裂时，第一时间做的应该就是追溯车辆的装配记录，查看拧紧标识，排除螺栓没有被拧紧，这个问题发生的可能性比较小。

但是，在试验过程中的车辆会因为不同的原因被频繁更换零件，很多紧固连接点会被多次拆卸再装配，这时候对试验车辆的拆装记录显得特别重要。

06 现场排查

当设计校核，产品质量评审和装配追溯完成以后，基本可以判定：被连接没有被拧紧，或者即使最初拧紧了，也是不稳定的连接，现场分析不可避免。

现场分析被连接件，发现箍带两侧磨损情况不一致（如下图1所示），箍带与油箱是线-面接触（非面-面接触），说明油箱紧固面与车架安装面不贴合（如图2所示）。

在车辆运动时，箍带倾斜，螺栓受到外切向力（如图3所示），连接面就会失稳，造成螺栓轴力消失，连接失效，螺栓很快就会疲劳螺栓断裂。

最后经过核查，发现试验过程中拆装油箱时，因为油箱内有汽油，和初始装配条件不一样，造成了装配过程中的装配困难，使箍带偏斜错位，油箱紧固面与车架安装面不贴合，最后造成螺栓疲劳断裂。

检查生产线的工装，确保不会有潜在风险。

更改试验场装配作业指导书，不再出现同类问题。

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来源：GAF螺丝君