后桥螺栓断裂故障分析
时间：2023-04-09 09:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
陈刚， 于江， 马祖国
(极氪汽车(宁波杭州湾新区)有限公司， 浙江 宁波 315000)
后桥螺栓故障模式主要有后桥螺栓断裂和后桥螺栓滑丝两种，对车辆的影响较大，直接关系到车辆的正常行驶，防止后桥螺栓断裂是车辆正常行驶的重要保证。
行驶系统分为车桥、车轮、车架和悬架四大主要部分。车桥(又称车轴)通过悬架与车架(或承载式车身)相连，其两端安装车轮。在车架与车桥(车轮)之间传递力与力矩的是悬架，而不是车桥。车桥的作用是承受汽车载荷，维持汽车在道路上正常行驶。前置前驱动汽车的前桥为转向驱动桥，后桥充当支持桥，属于从动桥，不传递动力。后桥承受车轮与车架之间的垂直载荷、纵向的道路阻力、制动力和侧向力及这些力所形成的力矩。
转向节是车桥上的主要零件之一，其作用是承受汽车载荷，支承并带动车轮绕主销转动而使汽车前行。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因而要求其具有很高的强度。后桥是断开式从动桥，与多连杆式独立悬架相匹配。转向节分别通过D1、D2螺栓与前束拉杆、横拉杆连接(见图1)，通过一颗长螺栓与减振器连接，前速拉杆和横拉杆的另一端与车桥连接。
图1 转向节与拉杆的连接
本文主要针对某车售后反映的后轮定位偏移、车桥螺栓断裂的故障现象，分析故障原因，研究解决方案。
某车在一般路面上正常行驶或倒车时，后轮定位发生偏移，产生异常噪声，在极端行驶条件下车轮与车身干涉，车辆无法继续正常行驶。路面颠簸时发生该故障的概率更高。将车辆举升观察，发现后转向节D1或D2处螺栓断裂，前束拉杆或横拉杆在与转向节连接处脱开，转向节带动后轮发生偏移，导致车辆无法正常行驶。
针对后桥螺栓断裂的现象，从产品符合性、工艺符合性、客户驾驶习惯和产品设计等方面进行故障原因分析(见图2)。螺栓断裂的直接原因是张力的损失，分析螺栓断裂的原因也就是分析导致张力损失的原因。
图2 后桥螺栓断裂故障原因分析
(1) 产品符合性。1) 螺栓的符合性。首先确定螺栓的金属冶炼符合性正常。然后对螺栓的化学成分、硬度和关键尺寸进行检测，也都符合要求。
最后对螺栓断口进行分析，断口有明显疲劳特征(见图3)，疲劳区约占断口面积的90%。疲劳起源区与最后断裂区分布在螺栓断口的两边，与最后断裂区相邻的螺栓侧面有明显的被摩擦的痕迹，说明该螺栓断裂属于剪切应力导致的弯曲疲劳断裂。2) 相关零件的符合性。检测转向节、前束拉杆和横拉杆的符合性，都满足要求。
图3 螺栓断口处的疲劳特征
(2) 装配工艺符合性。按照影响产品质量的五大因素即人(制造产品的人员)、机(制造产品所用的设备)、料(制造产品使用的原材料)、法(制造产品采用的方法)、环(产品制造过程中所处环境)，对现场装配工艺的符合性进行分析。1) 人。工位上员工都有上岗资质；
操作工未完全按标准化作业指导书操作；
检查问题车辆的历史数据，没有发现任何工厂内返修记录。2) 机。螺栓力矩伺服机所记录的力矩、角度等历史数据都较稳定，未发现异常情况；
现场技术员很好地执行了拧紧工艺监控计划；
后桥螺栓没有降级模式，若出现问题，直接更换拧紧工具，问题车辆在相关时间段没有更换后桥螺栓的记录。3) 料。零件的符合性都正常。4) 法。有标准化作业指导书且符合要求，其中包括对螺钉的预拧紧；
工艺规定在所有拧紧力矩达到要求前后桥无法移动到下一工位，达到要求后按动移动按钮方可实现后桥的移动，不会造成缺陷。5) 环。生产节拍变化较大，存在一定影响。
(3) 客户驾驶习惯。对客户驾驶车辆的情况进行统计分析，没有发现任何有共性的不良驾驶习惯。车辆没有经常在一些特殊状况道路上行驶，发生螺栓断裂时也没有产生车辆碰撞或颠簸。因此，基本可以排除用户驾驶对后桥螺栓断裂的影响。
(4) 产品设计。从产品设计的角度来分析，产品的设计定义都没有问题，都是经过专业验证的，故产品设计方面的影响可初步排除。
综上所述，众多缺陷原因中存在风险的是现场装配工艺符合性，包括人——操作工、环——生产节拍。为此，进行大量试验来模拟操作工的不规范操作，结果显示，施加在螺栓伺服机上的外力倾斜3°会消耗10 N·m的力矩， 导致压痕(为横拉杆凸起压在转向节上的齿痕)变浅(0.1 mm)、张力减小(10 kN)，压痕深度为0.30～0.35 mm，与故障件一致。证明人为施加外力拧紧是导致后桥螺栓断裂的根本原因。
将D1、D2处螺栓的拧紧力矩从(70±7) N·m调整为(80±8) N·m(力矩增加14%左右)，同时将单次拧紧方式调整为双重拧紧，弥补人为施加外力导致的残余力矩的丢失，保证装配的可靠性。
螺栓拧紧力矩增大，可能会因力矩过大产生滑丝或带来其他无法预料的问题。力矩增加可能会受到材料、尺寸等因素的综合影响，但经过台架耐久性和整车耐久性验证，10 N·m的力矩增幅完全不会造成上述负面影响。不过这一结论的前提是必须严格按操作工艺来执行，特别是在售后，螺栓的拧紧必须是在将车辆模拟成满载状态(横拉杆顶至水平)时进行，如果这一步没有做好，D1、D2螺栓还会有滑丝的风险，行驶中仍存在断裂风险。
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