Анализ отказов крепежа: каковы причины усталостного разрушения и охрупчивания крепежа автомобилей под действием динамических нагрузок?

Краткий ответ:

Крепежные изделия, используемые в автомобилях, могут быть подвержены отказам из-за усталости, сдвига, растрескивания, связанного с коррозией, или ослабления, вызванного вибрациями. Динамические нагрузки делают эти проблемы гораздо более опасными, поскольку вибрация двигателя, удары от дорог, торможение и вибрации подвески вызывают постоянное изменение сил, действующих на соединение.

Анализ отказа крепежа должен проводиться с учетом излома, состояния соединения, нагрузки на болт, коррозии и истории сборки. Место, где произошла трещина или разрыв, может помочь определить, какой тип проблемы стал причиной отказа. CNRL производит различные типы автомобильные крепежи, включая болты, шпильки, винты, гайки и другие, для двигателей, шасси, трансмиссий, тормозов и систем безопасности.

Почему отказ крепежа может стать дорогостоящим в автомобильной промышленности?

Простой болт может оказать большое влияние на большую систему сборки автомобиля. Если критически важный крепеж теряет свою зажимную способность или ломается, детали могут сместиться за пределы допустимых пределов.

Последствия включают шум, утечки, смещение, повреждение деталей или отказ функциональности соединения. Двигатель, подвеска, рулевое управление, трансмиссия и тормозная системы особенно уязвимы, поскольку в них используются крепежные элементы, подверженные динамическим нагрузкам.

Динамическая нагрузка также означает, что отказ может развиваться постепенно. Болт может выдержать тысячи циклов, прежде чем небольшая трещина вырастет настолько, что вызовет окончательный разрыв. Вот почему усталостный излом крепежа может произойти даже тогда, когда приложенная нагрузка никогда не кажется достаточно большой, чтобы сломать болт за один раз.

Каковы распространенные автомобильные виды отказа болтов?

Основные виды отказа болтов не оставляют одинаковых следов. Понимание того, как развивается каждый из них, помогает инженерам отследить причину, а не просто заменить сломанную деталь.

Усталостный излом

Усталость возникает, когда крепеж подвергается повторяющимся изменениям напряжения. Небольшая трещина может начать развиваться у основания резьбы или даже на поверхности крепежа.

С каждым циклом нагрузки трещина может расти до тех пор, пока болт не уменьшится в размерах настолько, что больше не сможет выдерживать нагрузку, вызывая внезапный разрыв.

Ситуация усугубляется недостаточной предварительной нагрузкой, которая приводит к разделению или проскальзыванию соединения, что приводит к увеличению циклических нагрузок на болт.

Поэтому крайне важно, чтобы анализ отказа крепежа выходил за рамки простого осмотра отказавшего болта.

Срезной отказ

Отказ из-за сдвига является результатом сил, приложенных поперечно к болту, а не осевых. Это может произойти при любом скользящем действии между двумя соединяемыми деталями.

Причины сдвига болта: перегрузка соединения, использование болтов неправильного размера, класса, конструкции или недостаточная зажимная сила.

Зажимная сила особенно важна в таких случаях. В большинстве случаев трение между зажимаемыми поверхностями в соединении служит для сопротивления движению. Однако в случае снижения зажимной силы элементы начнут проскальзывать до тех пор, пока стержень болта не окажется под напряжением сдвига.

Отказ, вызванный коррозией

Коррозия вызывает уменьшение площади поперечного сечения крепежа. Кроме того, она вызывает питтинг, который приводит к концентрации напряжений. Это особенно важно в местах с дорожной солью, влагой, теплом и химическим контактом вокруг таких частей автомобилей, как днище автомобиля и выхлопные системы.

Другая проблема, которая может затронуть некоторые высокопрочные стальные крепежные элементы, — это водородное охрупчивание. Водород может попасть в подверженную воздействию сталь в процессе производства и нанесения покрытий или даже из окружающей среды.

В свою очередь, крепеж становится подверженным замедленному растрескиванию при воздействии растягивающих напряжений. Изначально болт будет выглядеть нормально, но через некоторое время треснет.

Таким образом, выбор защиты от коррозии должен соответствовать типу материала, классу прочности, процедуре нанесения покрытия и условиям эксплуатации. Простое приобретение более качественного болта не является решением всех проблем.

Ослабление из-за вибрации

Вибрация не всегда ломает болт напрямую. Вместо этого повторяющееся поперечное движение может постепенно снижать зажимную силу.

Как только предварительная нагрузка падает, поверхности соединения могут начать проскальзывать. Затем болт может испытывать большие циклические напряжения и перемещения, чем предполагалось.

Эффективное предотвращение ослабления крепежа начинается с достижения заданной предварительной нагрузки. Состояние резьбы, метод затяжки, чистота поверхности, жесткость соединения и метод фиксации также могут влиять на сопротивление ослаблению. Это важно для соединений подвески, двигателя, шасси и трансмиссии, где вибрация продолжается во время работы автомобиля.

Как можно предотвратить каждый тип отказа крепежа?

Предотвращение начинается с соответствия конструкции крепежа и соединения фактической нагрузке. Замена отказавшего болта на болт более высокого класса прочности без выяснения причины может просто переместить проблему в другое место.

Контроль усталости и сдвига

Контроль усталости зависит от поддержания циклического напряжения болта в заданном диапазоне. Правильная предварительная нагрузка помогает деталям оставаться в контакте и уменьшает движение в соединении.

Для проблем, связанных со сдвигом, соединение также должно иметь достаточную зажимную силу и подходящие размеры крепежа для ожидаемой поперечной нагрузки. Понимание фактических причин сдвига болта помогает определить, исходит ли проблема от нагрузки, движения соединения, размера или выбора материала.

Управление риском коррозии и водорода

Выбор материала и покрытия должен отражать воздействие воды, дорожной соли, химикатов и температуры. Для подверженных воздействию высокопрочных сталей важны также производственные контроли, поскольку водород, попадающий в процессе обработки, может способствовать замедленному растрескиванию. Поэтому процессы нанесения покрытий и требуемая последующая обработка должны соответствовать спецификации крепежа.

Предотвращение снижения предварительной нагрузки из-за вибрации

Правильная затяжка остается центральной для предотвращения ослабления крепежа. Слишком низкий предварительный натяг допускает движение, в то время как чрезмерная затяжка может растянуть или повредить крепеж.

Фиксирующие элементы также могут использоваться там, где это требуется соединению. Они могут включать самоконтрящиеся гайки или другие механические фиксирующие конструкции. Выбранный метод должен поддерживать соединение, а не компенсировать неправильный крепеж или спецификацию затяжки.

Как CNRL тестирует крепеж перед использованием в автомобилях?

Испытания предоставляют способ выявления проблем с размерами, механическими свойствами, поверхностью и материалами до того, как крепеж поступит в автомобильную сборку.

CNRL перечисляет испытания на растяжение испытательные машины, твердомеры, оборудование для испытаний в солевом тумане, инструменты для измерения толщины покрытия, оборудование для проверки размеров и системы 3D-измерений среди своих испытательных ресурсов. Компания также использует магнитопорошковую и вихретоковую дефектоскопию для обнаружения дефектов в применимых производственных процессах.

Механические и размерные проверки

Испытания на растяжение и твердость помогают подтвердить, соответствуют ли механические свойства указанным требованиям. Проверка размеров проверяет такие параметры, как диаметр, геометрия резьбы и другие требования чертежа.

Эти проверки важны, поскольку неправильные размеры или механические свойства могут способствовать ряду проблем. виды отказа болтов.

Осмотр поверхности и дефектов

Испытания в солевом тумане и измерение толщины покрытия могут оценить указанные виды поверхностной обработки. Магнитопорошковая или вихретоковая дефектоскопия также могут помочь обнаружить определенные дефекты, которые могут быть неочевидны при визуальном осмотре.

Вместе эти меры контроля поддерживают более полный подход к анализу отказов крепежа. Предотвращение отказа начинается до установки путем проверки соответствия крепежа чертежу, требованиям к материалу, механическим свойствам и поверхности.

Узнайте о возможностях испытательного центра CNRLи обсудите требования к инспекции для проектов автомобильного крепежа.