ファスナーの破壊解析：動的負荷下での自動車用ファスナーの疲労破壊と水素脆化の原因は何ですか？

簡単な答え:

自動車に使用されるファスナーは、疲労、せん断、腐食関連の亀裂、または振動による緩みによって破損する可能性があります。エンジンの振動、道路からの衝撃、ブレーキ、サスペンションシステムの振動により、接合部にかかる力が絶えず変化するため、動的負荷はこれらの問題をはるかに危険にします。

ファスナーの破損解析は、破面、接合部の状態、ボルトの負荷、腐食、組み立て履歴を考慮して実施する必要があります。亀裂または破損が発生した位置は、どのタイプの問題が破損の原因であったかを判断するのに役立つ場合があります。CNRL は、さまざまな種類の 自動車用ファスナーボルト、スタッド、ねじ、ナットなど、エンジン、シャーシ、トランスミッション、ブレーキ、安全システム用を製造しています。

自動車用途でファスナーの破損がコスト増につながる理由

単純なボルトでも、大きな車両組み立てシステムに大きな影響を与える可能性があります。重要なファスナーがクランプ能力を失ったり破損したりすると、部品が意図した限界を超えて動く可能性があります。

結果として、異音の発生、漏れ、位置ずれ、部品の損傷、または接合機能の故障につながる可能性があります。エンジン、サスペンション、ステアリング、トランスミッション、ブレーキシステムは、動的負荷がかかるファスナーがあるため、特に脆弱です。

動的負荷は、破損が徐々に進行する可能性も意味します。ボルトは、小さな亀裂が最終的な破断を引き起こすほど大きくなる前に、数千回のサイクルに耐えることができます。これが、加えられた負荷が一度のイベントでボルトを破壊するのに十分な大きさに見えない場合でも、ファスナーの疲労破壊が発生する理由です。

一般的な自動車の ボルト破損モード?

主なボルト破損モードは、すべて同じ証拠を残すわけではありません。各モードがどのように発生するかを理解することは、エンジニアが単に破損した部品を交換するのではなく、原因を特定するのに役立ちます。

疲労破壊

疲労は、ファスナーが繰り返し応力変動にさらされた場合に発生します。小さな亀裂が、ねじの根元やファスナーの表面に発生し始める可能性があります。

各負荷サイクルで、亀裂が成長し、ボルトが支持できなくなるほど小さくなり、突然の破断を引き起こす可能性があります。

この状態は、予圧不足によって悪化し、接合部の分離または滑りを引き起こし、ボルトのサイクル負荷が増加します。

したがって、ファスナーの破損解析は、破損したボルトを調べるだけでなく、それを超えることが不可欠です。

せん断破壊

せん断による破損は、ボルトに対して軸方向ではなく横方向に加えられる力の結果です。これは、2つの接続部品の間で滑り動作がある場合に発生する可能性があります。

ボルトのせん断の原因は、接合部の過負荷、不適切なサイズ、グレード、設計のボルトの使用、または不十分なクランプ荷重です。

このような場合、クランプ荷重は特に重要です。ほとんどの場合、接合部のクランプ面間の摩擦が動きに抵抗します。しかし、クランプ荷重が減少した場合、部材は滑り始め、ボルト軸がせん断応力下になります。

腐食誘発破壊

腐食は、ファスナーの断面積を減少させます。さらに、ピッチングを引き起こし、応力集中につながります。これらは、道路の塩、湿気、熱、化学物質との接触がある場所、特に車両の下や排気システム周辺で重要です。

高強度鋼ファスナーに影響を与える可能性のあるもう 1 つの問題は、水素脆化です。水素は、製造およびコーティングプロセス、または環境からさえも、感受性の高い鋼に入り込む可能性があります。

その結果、ファスナーは引張応力がかかると遅延破壊を起こしやすくなります。最初はボルトは正常に見えますが、しばらくすると亀裂が入ります。

したがって、 腐食保護 の選択は、材料の種類、強度クラス、コーティング手順、およびサービス環境に対応する必要があります。より良いボルトを入手するだけでは、すべての問題の解決策にはなりません。

振動による緩み

振動は、必ずしもボルトを直接破壊するわけではありません。代わりに、繰り返しの横方向の動きがクランプ力を徐々に低下させる可能性があります。

予圧が低下すると、接合面の滑りが始まる可能性があります。その後、ボルトは意図したよりも大きなサイクル応力と動きを経験する可能性があります。

効果的なファスナーの緩み防止は、指定された予圧を達成することから始まります。ねじの状態、締め付け方法、表面仕上げ、接合部の剛性、およびロック方法も、緩みに対する耐性に影響を与える可能性があります。これは、車両の運転中に振動が続くサスペンション、エンジン、シャーシ、およびパワートレインの接合部で重要です。

各タイプのファスナー破損を防止する方法

防止は、ファスナーと接合部の設計を実際の負荷に合わせることから始まります。原因を特定せずに破損したボルトをより高強度のものに交換しても、問題が別の場所に移動するだけです。

疲労とせん断の制御

疲労制御は、サイクルボルト応力を意図した範囲内に保つことに依存します。適切な予圧は、クランプされた部品が接触したままであることを助け、接合部での動きを減らします。

せん断関連の問題については、接合部には十分なクランプ力と、予想される横方向負荷に適したファスナー寸法も必要です。実際のボルトせん断の原因を理解することは、問題が負荷、接合部の動き、サイズ、または材料選択のいずれに起因するかを判断するのに役立ちます。

腐食と水素リスクの管理

材料とコーティングの選択は、水、道路の塩、化学物質、および温度への暴露を反映する必要があります。感受性の高い高強度鋼の場合、製造管理も重要です。なぜなら、加工中に導入された水素が遅延破壊の一因となる可能性があるからです。したがって、コーティングプロセスと必要な後処理は、ファスナーの仕様に対応する必要があります。

振動による予圧低下の防止

適切な締め付けは、ファスナーの緩み防止の中心となります。予圧が少なすぎると動きが生じ、締め付けが過剰になるとファスナーが伸びたり損傷したりする可能性があります。

必要に応じて、ジョイントにロック機能を使用することもできます。これには、プリベイリングトルクナットやその他の機械的ロック設計が含まれます。選択された方法は、不適切なファスナーや締め付け仕様を補うのではなく、ジョイントをサポートする必要があります。

CNRL は自動車用途での使用前にどのようにファスナーをテストしますか？

テストは、ファスナーが自動車の組み立てに入る前に、寸法、機械的特性、表面、および材料の問題を見つける方法を提供します。

CNRL は引張強度をリストしています 試験機、硬度計、塩水噴霧装置、コーティング厚さ測定器、寸法検査装置、および 3D測定システムをテストリソースとして備えています。同社はまた、適用可能な生産プロセスにおける欠陥検出のために磁粉探傷および渦電流探傷を使用しています。

機械的および寸法検査

引張および 硬度試験 は、 機械的特性 が指定された要件を満たしているかどうかを確認するのに役立ちます。寸法検査は、直径、ねじ形状、その他の図面要件などの特徴をチェックします。

これらのチェックは、不適切な寸法または機械的特性がいくつかの原因となる可能性があるため重要です。 ボルト破損モード.

表面および欠陥検査

塩水噴霧およびコーティング厚さ試験は、指定された表面処理を評価できます。磁粉探傷または渦電流探傷は、目視検査だけでは明らかではない可能性のある特定の欠陥を検出するのにも役立ちます。

これらを組み合わせることで、より完全なファスナー故障解析アプローチをサポートします。故障の防止は、ファスナーが図面、材料、機械的特性、および表面の要件に適合しているかを確認することから、取り付け前に始まります。

CNRL のテストセンターの機能について学び、自動車ファスナープロジェクトの検査要件について話し合ってください。