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10.16638/jki.1671-7988.2021.012.038
某电动汽车悬置支架安装螺栓断裂的分析与解决
宋子华，曹玲玲，刘爱石
（宁波吉利汽车研究开发有限公司，浙江 宁波 315336）
摘 要：通过对断裂螺栓断口分析、金相组织分析，确认断裂直接原因，并进一步对螺纹连接系统的结构特性展开分析，发现悬置支架与电机接触面摩擦副变化，通过试验对比了接触面更改前后的摩擦系数差异。在同样的预紧力下，该螺纹连接系统抵抗外载荷能力降低，导致松动断裂。 关键词：螺纹连接；断口分析；金相组织；摩擦系数
中图分类号：U464.133+.2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988(2021)12-123-03
An Electric Car Mount Bracket Installation Bolt Fracture Analysis and Resolution
SONG Zihua, CAO Lingling, LIU Aishi
( Ningbo Geely Automobile Research and Development Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336 )
Abstract: Based on the fracture of the bolt fracture analysis, microstructure analysis, confirm the direct reason for, and further to the analysis on the structure of the threaded connection system characteristics, found that mount bracket and motor matching surface friction pair changes, through experiment contrast connection vice friction coefficient difference before and after the change. Under the same pre-tightening force, resistance to external load capacity is reduced, the threaded connection system loose lead to fracture.
Keywords: Threaded connection; Fracture analysis of metallographic; Organization; Friction coefficient CLC NO.: U464.133+.2  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2021)12-123-03
引言
电动汽车驱动电机为整车动力源，悬置作为动力总成与车身底盘弹性连接的重要组成部分，不仅具有承载动力总成重力的功能，还具有隔离驱动电机在工作时产生的振动和高频噪声向车体的传递，悬置螺纹接头质量的可靠性严重影响整车质量。本文就某车型悬置支架安装螺栓在耐久中的断裂问题展开分析及解决，为该类问题提供参考经验。
1 信息简述
某新能源电动车左悬置支架与驱动电机由规格为M12* 80，性能等级为10.9的细杆螺栓（六角法兰面带垫片）连接，
被连接件间由一个摩擦面抵抗横向载荷，结构如图1所示。
初始设定拧紧扭矩为110Nm ±10Nm ，承受外载荷为11667N 的横向载荷。
图1  螺纹连接结构示意图
2 螺栓失效分析
螺栓断裂的直接原因主要有三种：（1）松动导致断裂；
作者简介：宋子华，就职于宁波吉利汽车研究开发有限公司。
汽车实用技术
124 （2）过拧或者过载导致断裂；（3）螺栓质量问题导致断裂，可通过失效件分析进行判定。通过对断裂件长度尺寸进行测量，确认断裂面位于支架与电机配合接触面处，如图2所示。
图2  断裂位置示意图
对断件外观进行分析，断口附近无明显缩颈及宏观塑性变形现象，如图3所示，排除螺栓过拧或过载断裂。
图3  外观分析示意图
对断件宏观断口进行分析，从宏观断口形貌可以看出，断口由裂纹源、裂纹扩展区及瞬断区三部分组成，其中裂纹扩展区纹理较平坦，瞬断区纹理较粗糙，呈双向疲劳断裂特征，如图4所示。
图4  宏观断口示意图
对裂纹源微观断口形貌进行分析，裂纹源区已发生挤压磨损，且未见明显加工缺陷，如图5所示。
图5  微观断口（裂纹源）示意图
对裂纹扩展区微观断口形貌进行分析，裂纹扩展区的微观断口形貌呈疲劳断裂特性，如图6所示。
图6  微观断口（裂纹扩展区）示意图
对瞬断区微观断口形貌进行分析，瞬断区的微观断口形
貌为韧窝形貌，如图7所示。
图7  微观断口（瞬断区）示意图
从微观断口形貌分析可以得出与宏观断口分析一致的结论，该螺栓呈双向疲劳断裂特征。即松动后，在外部载荷的作用下，螺栓双向受力导致的断裂。
3 螺纹连接系统松动分析
在对相配件的质量符合性排查中发现，支架衬套内芯结构发生了改变，在与电机配合面一侧增加了一层限位钣金。该连接结构在车辆运行时，由电机与支架接触面的摩擦力抵抗外部横向载荷，由于增加了一层限位钣金导致接触面由铝-铝接触变为了铝-钣金接触，接触面摩擦系数发生了改变，在同样的预紧力下，接触面摩擦力会发生改变。
图8  试验模型示意图
汽车螺丝图9  试验曲线
宋子华 等：某电动汽车悬置支架安装螺栓断裂的分析与解决
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通过试验对比两者的摩擦系数差异，试验模型如图8所示，施加30kN 正压力（F N ），再从0开始持续缓慢施加力，直至中间试验件滑动，记录完整试验曲线，试验曲线如图9所示，从曲线识别滑移点，对应的力值即为滑移力（F ）。
通过滑移力和正压力按下式即可计算出摩擦系数。
（1） 铝-铝接触面试验样本5件，计算摩擦系数如表1所示。
表1  铝-铝接触面摩擦系数
铝-钣金接触面试验样本5件，计算摩擦系数如表2所示。
表2  铝-钣金接触面摩擦系数
从表1和表2对比发现，铝-铝接触面的摩擦系数是铝-钣金接触面摩擦系数的2.3倍，也就是说在同样的预紧力下，铝-铝接触面能抵抗横向力的大小约为铝-钣金接触面的2倍以上。
该结构承受11667N 的横向外载荷，受力面为一个摩擦面。基于德国标准VDI 2230[1]，按两种摩擦面均值水平计算，铝-铝接触面需要的最小预紧力为33.3kN ；铝-钣金接触面需要的最小预紧力为77.8 kN 。
通过超声波方法测量螺栓预紧力[2]，该螺纹连接系统在 安装扭矩110Nm ±10Nm 下预紧力为40.1kN-63.7kN ，大于铝-铝接触面的预紧力要求，小于铝-钣金接触面的要求，也就是说当接触面为铝-铝接触时，能抵抗住横向外载荷，不会出现松动问题，当接触面为铝-钣金接触面时，该螺纹连接系统无法抵抗横向外载荷，会出现松动。
对该螺纹连接系统进行优化，取消限位钣金，在悬置支架上增加限位点，接触面为铝-铝接触。同样在110Nm ±10Nm 的安装扭矩下，数轮耐久试验未出现松动、异响、断裂的问题，改善有效。
4 结语
汽车螺纹连接系统出现螺栓断裂失效的问题后，可以通过失效分析，确认螺栓的失效模式，即松动导致断裂、过拧或者过载导致断裂、螺栓质量问题导致断裂，再针对性地解决。
作用在汽车螺栓连接系统被连接件上的外载荷，靠被连接件接触面的摩擦力抵抗，改动被连接件的结构时需要重点分析及验证。
参考文献
[1] 郭恺玲.VDI2230高强度螺栓连接系统计算(续)[J].汽车紧固件,
1998(01):32-42.
[2] 张俊.基于声弹性原理的超声波螺栓紧固力测量技术研究[D].杭
州：浙江大学,2005.