特斯拉螺栓腐蝕失效分析
小小的螺栓雖不起眼,但它作為串聯起汽車關鍵零部件的緊固件,一旦腐蝕斷裂失效,輕則汽車故障,重則出現人員傷亡。
今年特斯拉多次發生事故,全球召回事件此起彼伏。《國家市場監督管理總局》網站披露,特斯拉汽車(北京)有限企業向國家市場監督管理總局備案了召回計劃。決定自2020年6月7日起,召回2016年4月15日至2016年10月16日期間生產的部分進口Model X系列汽車,共計3183輛。
本次召回范圍內的部分車輛存在長期暴露于強效除冰鹽等高腐蝕的環境時,將轉向機電機固定在轉向機殼體上的螺栓可能被腐蝕并斷裂,造成轉向機電機發生移位、傳動皮帶打滑,從而導致轉向助力減弱或喪失,可能會增加車輛發生碰撞的風險,存在安全隱患。下面本文將從特斯拉召回為例,分析螺栓斷裂失效產生的原因、螺栓選擇和裝配應注意什么。
特斯拉將為召回范圍內的車輛更換新的轉向機鋼制螺栓,并在轉向機電機殼體以及電機固定螺栓上增加防腐蝕涂層;如發現固定螺栓損壞或者在拆卸過程中受到損壞則免費更換轉向機。
這并非特斯拉第一次因轉向助力隱患召回產品。
2018年初,特斯拉宣布,由于動力轉向系統故障,將在全球范圍召回12.3萬輛Model S轎車。召回范圍覆蓋在2016年4月前出廠的所有Model S 轎車。而導致召回原因是,特定螺栓在冰冷氣候下腐蝕可能導致動力方向盤失靈。而在冰冷環境下,道路上被大量潑灑用于融雪的路鹽可能加速問題部件的腐蝕速度。
由上述召回車輛的出廠時間大家不難發現,2018年,特斯拉首次因特定螺栓召回時將范圍圈定為2016年4月前出廠的所有Model S 轎車,但實質上2016年4月15日至2016年10月16日期間生產的部分Model X系列汽車也存在同樣的問題,而這些車輛帶著安全隱患又繼續行駛了兩年時間,時至今日問題才被發現得以公布。
造成同樣問題二次召回的局面,究竟是特斯拉首次召回時刻意隱瞞其他車輛問題,還是企業對其他產品相同潛在問題排查不利,大家尚無從知曉。
值得慶幸的是目前尚無報告稱因上述問題造成嚴重后果,但特斯拉作為集現代先進科技于一身的電動汽車制造商,在小小的螺栓上“栽倒”兩次,難免讓外界對特斯拉在品控及產品潛在風險防控方面的能力產生質疑。
特斯拉螺栓斷裂分析
(1)召回螺栓連接部位說明
本次召回是因為電子助力轉向機殼體連接螺栓的問題,召回螺栓的應用部位如下:電子助力轉向機、轉向機電機、轉向機電機連接螺栓和轉向機電機與轉向機殼體裝配后連接螺栓孔。
(2)召回可能原因分析
從召回說明中可以看出連接螺栓材質為鋁合金,電機和齒輪箱的殼體也都是鋁合金材質,正常情況下這種材質的螺栓是不會容易造成腐蝕的。但召回說明中提及是由于融雪劑造成的腐蝕,使螺栓造成斷裂。
根據model S的特斯拉工程師的說明,融雪劑中特別是經常使用鈣鹽或鎂鹽而不是氯化鈉(食鹽)會造成更大的腐蝕。
融雪劑主要分為兩大類:
一類是:以醋酸鉀為主要成分的有機融雪劑,雖然這一類融雪劑融雪效果好,沒有什么腐蝕損害,但它的價格太高,一般只適用于機場等地;
另一類是:氯鹽類融雪劑,包括氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀等,通稱作“化冰鹽”。它的優點是便宜,價格僅相當于有機類融雪劑的1/10,但它對大型公共基礎設施的腐蝕是很嚴重的。
根據王樹軒等撰寫的論文《氯鹽型融雪劑碳鋼腐蝕性的測定新方法》,當配置成溶液濃度低于4%時 ,腐蝕物失重率為CaCl2>MgCl2 >NaCl,因此當濃度低于4%時,鈣鹽和鎂鹽的融雪劑會引起更大的腐蝕。
這個螺栓的連接裝配后,基本沒有外露部分,原則上不會造成螺栓本身的腐蝕。分析可能的原因是融雪劑會滲入到螺紋孔中,造成螺紋、螺紋孔的腐蝕,特別是螺紋孔腐蝕后,如果螺紋孔的設計嚙合長度又比較短,可能就會造成螺紋孔的滑牙,或者即使不滑牙也會引起預緊力的下降,在長期的疲勞載荷作用下會導致螺栓的疲勞斷裂。
從召回措施說明中采用密封劑來對螺栓頭部、電機與齒輪箱殼體以及他們的接觸面,這樣就會減少腐蝕,特別是螺栓頭與齒輪箱殼體、齒輪箱殼體與電機殼體之間的腐蝕。
從這些措施中也可以看出實際上螺栓本身設計或質量都是沒有問題的,主要是由于被連接件可能會產生腐蝕,特別是接觸面之間腐蝕,加上齒輪箱殼體法蘭壁厚比較薄,造成被連接件的剛度比較大,如果在接觸面出現一定的腐蝕后,被連接件夾緊長度出現很微小的變化,也會造成預緊力的下降,從而在疲勞載荷作用下就會產生結合面開口的問題,從而造成較大的疲勞應力,螺栓有些能就會出現疲勞斷裂。
另外,此處通常采用鋼制8.8級螺栓,而特斯拉說明中采用鋁合金螺栓,如果與通常的8.8級螺栓規格一致的話,可能會造成夾緊力不足;
如果與8.8級螺栓規格采用更大一級規格的話,如采用M8的規格,而其他零件采用共用零件,借用其他車型零件的話,這樣就會造成鋁合金被連接件的壁厚變薄,從而會引起強度不足等一系列的問題。
(3)總結
此處轉向機電機安裝螺栓召回的主要原因是:由于融雪劑的作用造成被連接件,特別是結合面之間出現一定的腐蝕作用,造成被連接件夾緊長度微小的減小,從而減低螺栓的預緊力,最終在疲勞載荷作用下,產生螺栓的疲勞斷裂。
通常,此處螺栓都是采用8.8級鋼制螺栓,特斯拉采用鋁合金螺栓,可能會造成螺栓強度低,預緊力不足,在外部載荷作用下,會造成被連接件的開口,從而產生較大的疲勞應力,可能引起螺栓的疲勞斷裂。
還有一個可能原因是:被連接件借用現有成熟零件,更大的鋁合金螺栓造成嚙合長度不足,或者螺紋孔加大后壁厚變薄造成強度不足。
常見緊固件失效分析
(1)通常緊固件的失效,包括下面幾種:
① 裝配擰拉斷裂;
② 螺紋受剪切力擰斷;
③ 應力集中部位使用后斷裂;
④ 疲勞斷裂;
⑤ 延時斷裂;
⑥ 零件扭矩報警;
⑦ 螺紋滑牙。
(2)失效產生的原因,來源于下面三個方面之一或綜合在一起:
① 緊固件制造過程的質量問題導致緊固件失效;
② 緊固件選配或部件的使用問題(包括人為的)導致緊固件失效;
③ 緊固件裝配問題導致緊固件失效。
(3)下面先舉幾個大家日常見到的緊固件失效例子:
1)為了確定一個產品設計是否可靠,有很多方法可以進行破壞性測試來驗證確認。通常很多生產廠最喜歡的是,有意地在受控環境中(給定工況和載荷譜)破壞一個組件(例如試驗到緊固件斷裂為止),以確定一個或多個組件(包括緊固件)的性能,最終獲得一些導致產品失效的原因。這方面導致的緊固件失效是人為有意導致的,這種方式及結果是否完全合理不好簡單評價。
2)還有消費者有意無意地經常性濫用產品的問題。舉個例子來說,一個人花了更多的時間在一個低價的桌上擺弄他的沉重的公文包和行李箱,而不是在桌子上工作。不久,支撐桌子的緊固件就會松動或破裂而失效,這種緊固件故障可能導致人身傷害,但制造商不太可能召回產品,因為是客戶使用不當導致了問題。
3)沃爾沃汽車在2017年3月召回了三種車型,原因是用于固定側簾安全氣囊的螺栓出現故障。固定安全氣囊的螺栓制造過程質量沒有有效管控,可能會因內部氫脆而迅速斷裂。沃爾沃工程師們認為,整個安全氣囊設計結構上是合理的,但由于緊固件制造過程產生的潛在缺陷導致需要對整個氣囊總成進行更換。
4)松動的緊固件也可能最終失效。兩年前,越野車制造商北極星不得不召回所有的指揮官車型,因為輸入軸緊固件松動,并允許軸沿動力轉向花鍵的長度方向移動。在極端情況下,這種移動可能導致軸與花鍵完全分離。
5)通用汽車企業的工程師們在2014年發現了幾個車型的緊固件松動,導致該企業今年召回了500000多輛汽車。雪佛蘭黑斑羚有一個“強力定型”的緊固件,沒有擰緊到規范要求的扭矩。GMC全地形車、別克君威、長曲棍球和凱迪拉克SRX前排座椅和乘客座椅自由地上下移動導致一次撞車,三人受傷。
據統計,在95%的故障中,緊固件在安裝或維修過程中出了問題,另外5%是因為使用了錯誤的緊固件。
(4)從緊固件的制造和裝配過程看失效原因
緊固件與所有其他制造產品有一個共同點:制造控制得越好,性能越好。在制造過程中,有幾個因素影響緊固件質量:
1)如果溫度達到700攝氏度左右,在熱處理過程中可能發生金屬脫碳,而且爐內沒有足夠的保護氣氛。這可能會導致螺紋處變軟脫落。
2)淬火和回火(或拉伸)是鋼緊固件最常用的熱處理工藝之一。緊固件應在從淬火中取出后和完全冷卻前幾分鐘內進行回火。否則可能導致淬火開裂、過早失效或使用壽命短于正常使用壽命(見圖1)。
圖 1
3)在緊固件頭部成形過程中,金屬的晶粒流線在正確的方向上是很重要的。向螺栓頭部與桿部交界處的圓角處急劇移動的晶粒流線不能產生良好的流動(見圖2)。這可能會使緊固件在安裝過程中頭部容易斷裂。
圖 2 在頭部成形過程中,金屬的晶粒流線向正確的方向成形是非常重要的。左邊的圖像表示符合SAE USCAR8規范的可接受顆粒流。
大家在制造過程中需要檢查緊固件,以確定合適的晶粒流動模式,檢查員用鹽酸和水將樣品緊固件的頭部分段煮沸1分鐘,這樣就可以很容易地評估晶粒的流動。例如,大家的汽車客戶使用的所有頭螺栓和螺釘必須滿足SAE USAC8規范的晶粒流動模式。
4)當扭矩太大時,靠近頭部的螺紋太近的話會增加頭部的壓力。這種情況也可能導致從頭到桿部的失敗。因為這個缺陷會增加徑向應力,當它出現在緊固件中時會加速氫脆(見圖3)。
圖 3 氫脆是緊固件失效的常見原因。照片中的箭頭表示荷載應力區域。
當氫在緊固件電鍍過程中被吸附在鋼中并沿晶界移動到應力集中時,會發生內部氫脆。這可能會在負載下導致突然的災難性故障。
5)大多數螺紋緊固件都經過電鍍或保護涂層處理,以防止生銹或腐蝕,然后根據ASTM B117(鹽霧試驗)測試其抗腐蝕性,這一過程可能導致保護涂層的破壞。
6)在最終測試和裝配的過程中,每個緊固件都會遭受一些或多或少的破壞,導致保護涂層可能會受損。在使用過程中可能出現過早的紅色(氧化鐵)銹蝕。
7)另一個常見的問題是浸漬旋涂。它提供了極好的防腐蝕保護,但當過多的電鍍填充小螺釘的頭部時,可能會導致不能順利的鉆孔。
緊固件的幾何結構、材料、熱處理、表面處理和其他因素都會影響其從裝配到安裝產品的使用壽命期間的性能,因此,應始終將緊固件視為工程部件而不是簡單的標準件。
緊固件選擇建議
高質量的緊固要求緊固件與所連接的材料以及緊固件(如果是螺栓)與螺母完美匹配。例如,使用帶有5級螺母的8級螺栓將產生低于預期的夾緊力。
由于產品小型化,正確的緊固件選擇比以往任何時候都更加重要,緊固件處理不僅要相同的負載,還要在更小的空間內使用更輕、更薄的材料。
(1)不建議重復使用,重復使用的螺母上的螺紋比配對螺栓上的螺紋稍軟,此外,由于螺紋摩擦增加,每次額外使用時,這些螺紋都會被壓縮并不斷失去夾緊載荷。您可以看到這種情況對車輪螺柱的影響,這些螺柱通常在行駛120000英里左右后失效。
(2)建議不要在同一部件中使用不同類型的螺栓或過長的螺栓。在前一種情況下,硬度較高的緊固件最終將承載大部分載荷。太長螺栓上的螺紋在連接處的減震會相對較少,實際上會導致該區域過早的金屬疲勞。
(3)美學是一個合理的考慮,制造商通常希冀緊固件頭能增強組裝產品的外觀。例如,哈雷戴維森使用鍍鉻和不銹鋼螺母和螺栓組裝摩托車鏈輪、控制臺和空氣濾清器。這些緊固件必須仍然能夠抵抗振動和環境濕度。
(4)制造商防止緊固件失效的另一種方法是只購買完全符合所有設計規范的緊固件。幾年前,波音企業開始更加嚴格地實行其拒絕向企業供應所有不合格緊固件的政策。此舉是對美國聯邦航空局(FAA)計劃罰款波音275萬美金的回應,原因是該企業2008年在777型飛機上安裝了不合格的緊固件。
緊固件的裝配注意事項
正確的制造和選擇是防止緊固件失效的重要第一步。擰緊過程中確保達到規定的要求(很多情況下特別是野外維修維護都可能會出現達要么不到規范要求要么過度擰緊),并保持緊固件螺紋完整性。
(1)過度擰緊可能導致裝配過程中緊固件斷裂,這是顯而易見的,也可能導致螺紋剝離,這可能不是那么明顯。后者特別危險,因為螺栓連接的完整性可能會受到損害,組裝人員無法檢測到。
(2)正確理解緊固件的潤滑性(摩擦和扭矩系數等)有助于最終用戶在使用扭矩時獲得最佳夾緊載荷。然而,緊固件上不需要的潤滑劑,如裝配工手中的一點油,可能會導致過緊。這會通過增加夾緊力來改變連接處的扭矩張力值。當緊固件未充分擰緊至較低的夾緊載荷時,超過該夾緊載荷的周期性或波動性載荷可能很快導致疲勞。
(3)未擰緊的緊固件承受的外部載荷比預期的要大。可能先出現一些小的異常噪音如吱吱聲和嘎嘎聲,一直到災難性的疲勞失效。
(4)擰緊不足也有可能是由于嵌件松弛造成的。例如,當螺栓嵌入軟材料中時,無法完全壓緊連接處。螺母裝配不當是擰緊不足的另一個原因。當螺母擰下得太快時,會產生反彈效應,擰緊處會稍微回彈松動。此外,由于螺栓長度范圍內的扭轉性松弛,擰緊螺栓頭部而不是螺母會減少10%到15%的夾緊載荷。
(5)螺紋需要盡可能保持清潔,盡管有少量潤滑劑,以便于安裝和拆卸。即使螺紋上的微小顆粒物也會降低緊固件在安裝過程中的摩擦系數。這會增加結合處張力和應力,使緊固件容易發生故障。緊固件摩擦系數平均為0.15,但根據潤滑劑和緊固件鍍層的不同而有所不同。
(6)有時可以通過不同角度重新裝配零件來修復螺紋錯扣。但是,如果螺紋幾何形狀不準確,則可能需要修理或更換零件。如果不修復螺紋錯扣問題,緊固件可能無法安裝到正確位置,導致螺紋將無法承受規定的夾緊力。
(7)當壓力和摩擦導致螺栓螺紋卡在螺母或螺紋孔的螺紋上時,就會產生磨損。如果緊固件因磨損而卡住,則通常需要切斷螺栓或拆下螺母的情況下才能完成拆卸。
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?來源:新材道
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