汽车后制动油管螺栓失效分析

收稿日期：2018-02-22 作者简介：夏庆华（1967-），女，广西柳州人，工程师，研究方向：金属材料及其热处理。
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《装备制造技术》2018 年第 05 期
断裂区，从螺栓断口的裂纹起始区、裂纹扩展区、剪 切唇三阶段的特征看，其特征与宏观塑性断裂的三 阶段相类似，且其外观具有明显的塑性变形、缩颈等 现象，这些都是塑性断裂的特征[1]，因此，该螺栓的断 裂具有旋转、塑性断裂特征。
后制动油管螺栓的安装过程是：在制动卡钳安 装面上放好垫片寅放好油管寅再放垫片寅放油管螺 栓寅定制扭矩扳手 42 N·m、手工扭紧，在上扭矩过 程中断裂。
1 试验及检验
1.1 宏观分析 断裂的后制动油管螺栓如图 2 所示，图 3 为完
好的后制动油管螺栓，经对比两个螺栓，发现： （1）后制动油管螺栓的断裂处扭曲变形严重，原
后制动软管
后制动油 管螺栓
后制动卡钳 垫圈
图 1 后制动油管螺栓
某种型号的汽车在装配后制动油管螺栓时，发 生断裂，为寻找断裂原因，采用了多种方法，找到了 断裂的原因，并提出改进意见。
断裂过程：某厂在装配汽车后制动油管螺栓时， 按照装配工艺的要求，装配扭矩是 42 N·m、在实际 上扭矩约为 40 N·m 时，发生后制动油管螺栓断裂， 该螺栓的螺纹是 M10伊1，强度为 8.8 级。
来圆形的油孔变成了椭圆形且与轴线倾斜了一个角 度，如图 2 的箭头 3、4 所示。
（2）在螺栓油孔处，还出现了颈缩现象，颈缩是 由于材料塑性变形引起的宏观变形，当载荷达到最 大值后，试样的某一局部发生显著收缩的现象，缩颈 出现后，零件继续变形所需之力减小，应力-应变曲 线相应呈现下降，最后导致零件在缩颈处断裂。该螺 栓 颈 缩 处 的 尺 寸 为 椎8.6； 图 纸 标 注 该 尺 寸 应 为 椎9.2；颈缩现象是材料塑性断裂的主要特征，如图 2 的箭头 2 所指处。
（3）垫片变形严重，未 装配的 垫片 ，厚 度为 1.6 mm，断裂件上的垫片，厚度为 0.88 mm，被压缩了 0.72 mm，约被压缩了一半，说明螺栓所受扭转应力 较大，如图 2 的箭头 5 所指处。
螺栓的断口形貌如图 4 所示，裂纹起源于断裂 面的外圆周、也是螺纹的根部，该处为应力集中处， 即图 5 中的 A 处，它是在三向应力作用下，裂纹作缓 慢扩展形成的，即裂纹的起始区；螺栓在旋转应力的 作用下，裂纹呈螺旋状扩展，如图 5 中的 B 处箭头所 指方向，该处是裂纹的快速扩展区，从图中可以看到 裂纹快速扩展留下的纹路；裂纹扩展到 C 处时，此时 螺栓的剩余截面较小，在外应力的作用下，此区瞬间 断裂，该处与裂纹扩展区呈 45毅角，为剪切唇是最后
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图 2 断裂的后制动油管螺栓 图 3 完好的后制动油管螺栓
C B A
图 4 螺栓的断口
图 5 螺栓的断裂面
随后又有一颗后制动油管螺栓断裂，其断裂位 置、断口形貌、断裂特征均与上一颗相似，如图 6、7 所示。
抗拉强度 Rm 为 800 MPa；最小拉力载荷逸51 600 N； 该螺栓的螺纹公称应力截面积 A 为 s，公称 64.5 mm2；
中图分类号：U463.5
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2018）05-0152-04
后制动油管螺栓是汽车制动系统中的一个重要 零件，是用于将制动总泵的制动液传递给处于活动 悬架组件的制动分泵进行刹车的；后制动油管螺栓 出现裂纹甚至断裂，则会泄漏制动液，使得汽车无法 产生制动动作，使汽车处于危险之中，因此，后制动 油管螺栓在汽车中是非常重要的。后制动油管螺栓 的加工过程为：球化退火寅酸洗磷皂化寅改拔寅下 料寅丝坯寅调质处理寅磷化寅包装入库；后制动油 管螺栓与后制动卡钳的位置，如图 1 所示。
抗拉强度 Rm 为 800 MPa. 其最小拉力载荷 Fm = A s，公称 伊 Rm= 64.5 伊 800
= 51 600 N. 经 过 计 算 ，螺 栓 杆 部 的 横 截 面 的 面 积 A s 杆 部
= 66.44 mm2，螺栓断裂面有一个横孔，因横孔的存 在，减少了该部位的有效受力面积，实际上螺栓断裂 面的有效面积 A s，有效 = 35.9 mm2；其能承受的最小拉 力 载 荷 Fm = A s，有 效 伊 Rm = 35.9 伊 800 = 28 720 N， 远低于国家标准的、实心螺栓的标准要求值。
而装配时的扭矩为 42 N·m，大于有横孔处横截 面的最小扭矩值。
螺栓实际受到的扭矩，大于螺栓理论上能承受 的扭矩，这是导致后制动油管螺栓断裂的原因之一。 1.3 模拟失效模式
在生产现场，采用手动的形式模拟失效模式，用 扭矩扳手扭动后制动油管螺栓、直至螺栓断裂，这 时，扭矩扳手数值显示为 50 N·m，该值大于设定值， 而螺栓断裂位置、断口形貌、断裂特征均与前两颗断 裂的螺栓相似，如图 8、9 所示；垫片变形量为 0.76， 也与生产现场断裂螺栓的垫片相似；模拟失效模式 的扭矩值已大大超过了螺栓理论上能够承受的扭矩 值，而其断裂模式与装配现场的断裂模式相同，说明 生产现场断裂的螺栓，也存在扭距值过大的可能。
施加给螺栓的扭矩和螺栓受到的轴向力计算较 为复杂，现有一种简单的公式：T = KFd，其中：K 为 扭矩系数，一般取 0.2，F 为轴向力，d 为螺栓公称直 经。
利用上式计算 M10伊1 螺栓的最小扭矩，T = 0.2 伊 51 600 伊 10 = 103.2 N·m，即为实心部分螺栓的扭 矩；
有横孔处的最小扭矩 T = 0.2 伊 28 720 伊 6.76 = 38.83 N·m
Equipment Manufacturing Technology No.05，2018
汽车后制动油管螺栓失效分析
夏庆华
（柳州五菱汽车工业有限公司后制动油管螺栓时发生断裂，通过宏观分析、强度计算、化学成分分析、光学显微镜观察、 硬度测试等方法对螺栓断裂原因进行了分析。结果表明：螺栓为旋转、塑性断口，是由于装配扭矩过大、超过了螺栓所能 承受的最大扭矩而造成的，进一步加强螺栓强度的计算，提高螺栓的强度，避免超材料强度的不合理装配，确保装配工作 的安全、顺利进行。 关键词：扭矩；螺栓；塑性断裂；装配