螺栓腐蝕失效會(huì)發(fā)生什么？特斯拉因此召回車(chē)輛
編者按
小小的螺栓雖不起眼，但它作為串聯(lián)起汽車(chē)關(guān)鍵零部件的緊固件，一旦腐蝕斷裂失效，輕則汽車(chē)故障，重則出現(xiàn)人員傷亡。
近日，《國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局》網(wǎng)站披露，特斯拉汽車(chē)(北京)有限公司向國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局備案了召回計(jì)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(chǎn)的部分進(jìn)口Model X系列汽車(chē)，共計(jì)3183輛。
本次召回范圍內(nèi)的部分車(chē)輛存在長(zhǎng)期暴露于強(qiáng)效除冰鹽等高腐蝕的環(huán)境時(shí)，將轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)固定在轉(zhuǎn)向機(jī)殼體上的螺栓可能被腐蝕并斷裂，造成轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)發(fā)生移位、傳動(dòng)皮帶打滑，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向助力減弱或喪失，可能會(huì)增加車(chē)輛發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，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(chǎn)生的原因、螺栓選擇和裝配應(yīng)注意什么。
特斯拉將為召回范圍內(nèi)的車(chē)輛更換新的轉(zhuǎn)向機(jī)鋼制螺栓，并在轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)殼體以及電機(jī)固定螺栓上增加防腐蝕涂層；如發(fā)現(xiàn)固定螺栓損壞或者在拆卸過(guò)程中受到損壞則免費(fèi)更換轉(zhuǎn)向機(jī)。
據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)時(shí)間2020年2月12日，特斯拉公司決定在北美召回1.5萬(wàn)輛ModelX，起因是該款車(chē)型存在失去轉(zhuǎn)向助力的隱患。特斯拉官方稱，本次召回適用于2016年10月中旬以前生產(chǎn)的大多數(shù)ModelX車(chē)型，之后生產(chǎn)的則不受影響，共涉及14193輛美國(guó)汽車(chē)和843輛加拿大汽車(chē)，暫不涉及中國(guó)市場(chǎng)。
這并非特斯拉第一次因轉(zhuǎn)向助力隱患召回產(chǎn)品
2018年初，特斯拉宣布，由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障，將在全球范圍召回12.3萬(wàn)輛Model S轎車(chē)。召回范圍覆蓋在2016年4月前出廠的所有Model S 轎車(chē)。而導(dǎo)致召回原因是，特定螺栓在寒冷氣候下腐蝕可能導(dǎo)致動(dòng)力方向盤(pán)失靈。而在寒冷環(huán)境下，道路上被大量潑灑用于融雪的路鹽可能加速問(wèn)題部件的腐蝕速度。
由上述召回車(chē)輛的出廠時(shí)間我們不難發(fā)現(xiàn)，2018年，特斯拉首次因特定螺栓召回時(shí)將范圍圈定為2016年4月前出廠的所有Model S 轎車(chē)，但實(shí)質(zhì)上2016年4月15日至2016年10月16日期間生產(chǎn)的部分Model X系列汽車(chē)也存在同樣的問(wèn)題，而這些車(chē)輛帶著安全隱患又繼續(xù)行駛了兩年時(shí)間，時(shí)至今日問(wèn)題才被發(fā)現(xiàn)得以公布。
造成同樣問(wèn)題二次召回的局面，究竟是特斯拉首次召回時(shí)刻意隱瞞其他車(chē)輛問(wèn)題，還是公司對(duì)其他產(chǎn)品相同潛在問(wèn)題排查不利，我們尚無(wú)從知曉。
值得慶幸的是目前尚無(wú)報(bào)告稱因上述問(wèn)題造成嚴(yán)重后果，但特斯拉作為集現(xiàn)代先進(jìn)科技于一身的電動(dòng)汽車(chē)制造商，在小小的螺栓上“栽倒”兩次，難免讓外界對(duì)特斯拉在品控及產(chǎn)品潛在風(fēng)險(xiǎn)防控方面的能力產(chǎn)生質(zhì)疑。
1 特斯拉螺栓斷裂分析
（1）召回螺栓連接部位說(shuō)明
本次召回是因?yàn)殡娮又D(zhuǎn)向機(jī)殼體連接螺栓的問(wèn)題，召回螺栓的應(yīng)用部位如下：電子助力轉(zhuǎn)向機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)連接螺栓和轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)與轉(zhuǎn)向機(jī)殼體裝配后連接螺栓孔。
（2）召回可能原因分析
從召回說(shuō)明中可以看出連接螺栓材質(zhì)為鋁合金，電機(jī)和齒輪箱的殼體也都是鋁合金材質(zhì)，正常情況下這種材質(zhì)的螺栓是不會(huì)容易造成腐蝕的。但召回說(shuō)明中提及是由于融雪劑造成的腐蝕，使螺栓造成斷裂。
根據(jù)model S的特斯拉工程師的說(shuō)明，融雪劑中特別是經(jīng)常使用鈣鹽或鎂鹽而不是氯化鈉（食鹽）會(huì)造成更大的腐蝕。
融雪劑主要分為兩大類(lèi)：
一類(lèi)是：以醋酸鉀為主要成分的有機(jī)融雪劑，雖然這一類(lèi)融雪劑融雪效果好，沒(méi)有什么腐蝕損害，但它的價(jià)格太高，一般只適用于機(jī)場(chǎng)等地；
另一類(lèi)是：氯鹽類(lèi)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(yōu)點(diǎn)是便宜，價(jià)格僅相當(dāng)于有機(jī)類(lèi)融雪劑的1/10，但它對(duì)大型公共基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕是很?chē)?yán)重的。
根據(jù)王樹(shù)軒等撰寫(xiě)的論文《氯鹽型融雪劑碳鋼腐蝕性的測(cè)定新方法》，當(dāng)配置成溶液濃度低于4％時(shí) ，腐蝕物失重率為CaCl2>MgCl2 >NaCl，因此當(dāng)濃度低于4%時(shí)，鈣鹽和鎂鹽的融雪劑會(huì)引起更大的腐蝕。
這個(gè)螺栓的連接裝配后，基本沒(méi)有外露部分，原則上不會(huì)造成螺栓本身的腐蝕。分析可能的原因是融雪劑會(huì)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(shè)計(jì)嚙合長(zhǎng)度又比較短，可能就會(huì)造成螺紋孔的滑牙，或者即使不滑牙也會(huì)引起預(yù)緊力的下降，在長(zhǎng)期的疲勞載荷作用下會(huì)導(dǎo)致螺栓的疲勞斷裂。
從召回措施說(shuō)明中采用密封劑來(lái)對(duì)螺栓頭部、電機(jī)與齒輪箱殼體以及他們的接觸面，這樣就會(huì)減少腐蝕，特別是螺栓頭與齒輪箱殼體、齒輪箱殼體與電機(jī)殼體之間的腐蝕。
從這些措施中也可以看出實(shí)際上螺栓本身設(shè)計(jì)或質(zhì)量都是沒(méi)有問(wèn)題的，主要是由于被連接件可能會(huì)產(chǎn)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(xiàn)一定的腐蝕后，被連接件夾緊長(zhǎng)度出現(xiàn)很微小的變化，也會(huì)造成預(yù)緊力的下降，從而在疲勞載荷作用下就會(huì)產(chǎn)生結(jié)合面開(kāi)口的問(wèn)題，從而造成較大的疲勞應(yīng)力，螺栓有些能就會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂。
另外，此處通常采用鋼制8.8級(jí)螺栓，而特斯拉說(shuō)明中采用鋁合金螺栓，如果與通常的8.8級(jí)螺栓規(guī)格一致的話，可能會(huì)造成夾緊力不足；
如果與8.8級(jí)螺栓規(guī)格采用更大一級(jí)規(guī)格的話，如采用M8的規(guī)格，而其他零件采用共用零件，借用其他車(chē)型零件的話，這樣就會(huì)造成鋁合金被連接件的壁厚變薄，從而會(huì)引起強(qiáng)度不足等一系列的問(wèn)題。
（3）總結(jié)
此處轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)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(jié)合面之間出現(xiàn)一定的腐蝕作用，造成被連接件夾緊長(zhǎng)度微小的減小，從而減低螺栓的預(yù)緊力，最終在疲勞載荷作用下，產(chǎn)生螺栓的疲勞斷裂。
通常，此處螺栓都是采用8.8級(jí)鋼制螺栓，特斯拉采用鋁合金螺栓，可能會(huì)造成螺栓強(qiáng)度低，預(yù)緊力不足，在外部載荷作用下，會(huì)造成被連接件的開(kāi)口，從而產(chǎn)生較大的疲勞應(yīng)力，可能引起螺栓的疲勞斷裂。
還有一個(gè)可能原因是：被連接件借用現(xiàn)有成熟零件，更大的鋁合金螺栓造成嚙合長(zhǎng)度不足，或者螺紋孔加大后壁厚變薄造成強(qiáng)度不足。
2 常見(jiàn)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(yīng)力集中部位使用后斷裂；
④ 疲勞斷裂；
⑤ 延時(shí)斷裂；
⑥ 零件扭矩報(bào)警；
⑦ 螺紋滑牙。
（2）失效產(chǎn)生的原因，來(lái)源于下面三個(gè)方面之一或綜合在一起：
① 緊固件制造過(guò)程的質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致緊固件失效；
② 緊固件選配或部件的使用問(wèn)題（包括人為的）導(dǎo)致緊固件失效；
③ 緊固件裝配問(wèn)題導(dǎo)致緊固件失效。
（3）下面先舉幾個(gè)我們?nèi)粘Ｒ?jiàn)到的緊固件失效例子：
1）為了確定一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否可靠，有很多方法可以進(jìn)行破壞性測(cè)試來(lái)驗(yàn)證確認(rèn)。通常很多生產(chǎn)廠最喜歡的是，有意地在受控環(huán)境中（給定工況和載荷譜）破壞一個(gè)組件（例如試驗(yàn)到緊固件斷裂為止），以確定一個(gè)或多個(gè)組件（包括緊固件）的性能，最終獲得一些導(dǎo)致產(chǎn)品失效的原因。這方面導(dǎo)致的緊固件失效是人為有意導(dǎo)致的，這種方式及結(jié)果是否完全合理不好簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。
2）還有消費(fèi)者有意無(wú)意地經(jīng)常性濫用產(chǎn)品的問(wèn)題。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，一個(gè)人花了更多的時(shí)間在一個(gè)廉價(jià)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(huì)松動(dòng)或破裂而失效，這種緊固件故障可能導(dǎo)致人身傷害，但制造商不太可能召回產(chǎn)品，因?yàn)槭强蛻羰褂貌划?dāng)導(dǎo)致了問(wèn)題。
3）沃爾沃汽車(chē)在2017年3月召回了三種車(chē)型，原因是用于固定側(cè)簾安全氣囊的螺栓出現(xiàn)故障。固定安全氣囊的螺栓制造過(guò)程質(zhì)量沒(méi)有有效管控，可能會(huì)因內(nèi)部氫脆而迅速斷裂。沃爾沃工程師們認(rèn)為，整個(gè)安全氣囊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上是合理的，但由于緊固件制造過(guò)程產(chǎn)生的潛在缺陷導(dǎo)致需要對(duì)整個(gè)氣囊總成進(jìn)行更換。
4）松動(dòng)的緊固件也可能最終失效。兩年前，越野車(chē)制造商北極星不得不召回所有的指揮官車(chē)型，因?yàn)檩斎胼S緊固件松動(dòng)，并允許軸沿動(dòng)力轉(zhuǎn)向花鍵的長(zhǎng)度方向移動(dòng)。在極端情況下，這種移動(dòng)可能導(dǎo)致軸與花鍵完全分離。
5）通用汽車(chē)公司的工程師們?cè)?014年發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)車(chē)型的緊固件松動(dòng)，導(dǎo)致該公司今年召回了500000多輛汽車(chē)。雪佛蘭黑斑羚有一個(gè)“強(qiáng)力定型”的緊固件，沒(méi)有擰緊到規(guī)范要求的扭矩。GMC全地形車(chē)、別克君威、長(zhǎng)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(dòng)導(dǎo)致一次撞車(chē)，三人受傷。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在95%的故障中，緊固件在安裝或維修過(guò)程中出了問(wèn)題，另外5%是因?yàn)槭褂昧隋e(cuò)誤的緊固件。
（5）從緊固件的制造和裝配過(guò)程看失效原因
緊固件與所有其他制造產(chǎn)品有一個(gè)共同點(diǎn)：制造控制得越好，性能越好。在制造過(guò)程中，有幾個(gè)因素影響緊固件質(zhì)量：
1）如果溫度達(dá)到700攝氏度左右，在熱處理過(guò)程中可能發(fā)生金屬脫碳，而且爐內(nèi)沒(méi)有足夠的保護(hù)氣氛。這可能會(huì)導(dǎo)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(yīng)在從淬火中取出后和完全冷卻前幾分鐘內(nèi)進(jìn)行回火。否則可能導(dǎo)致淬火開(kāi)裂、過(guò)早失效或使用壽命短于正常使用壽命（見(jiàn)圖1）。
圖 1
3）在緊固件頭部成形過(guò)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(dòng)的晶粒流線不能產(chǎn)生良好的流動(dòng)（見(jiàn)圖2）。這可能會(huì)使緊固件在安裝過(guò)程中頭部容易斷裂。
圖 2 在頭部成形過(guò)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(guī)范的可接受顆粒流。
我們?cè)谥圃爝^(guò)程中需要檢查緊固件，以確定合適的晶粒流動(dòng)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(píng)估晶粒的流動(dòng)。例如，我們的汽車(chē)客戶使用的所有頭螺栓和螺釘必須滿足SAE USAC8規(guī)范的晶粒流動(dòng)模式。
4）當(dāng)扭矩太大時(shí)，靠近頭部的螺紋太近的話會(huì)增加頭部的壓力。這種情況也可能導(dǎo)致從頭到桿部的失敗。因?yàn)檫@個(gè)缺陷會(huì)增加徑向應(yīng)力，當(dāng)它出現(xiàn)在緊固件中時(shí)會(huì)加速氫脆（見(jiàn)圖3）。
圖 3 氫脆是緊固件失效的常見(jiàn)原因。照片中的箭頭表示荷載應(yīng)力區(qū)域。
當(dāng)氫在緊固件電鍍過(guò)程中被吸附在鋼中并沿晶界移動(dòng)到應(yīng)力集中時(shí)，會(huì)發(fā)生內(nèi)部氫脆。這可能會(huì)在負(fù)載下導(dǎo)致突然的災(zāi)難性故障。
5）大多數(shù)螺紋緊固件都經(jīng)過(guò)電鍍或保護(hù)涂層處理，以防止生銹或腐蝕，然后根據(jù)ASTM B117（鹽霧試驗(yàn)）測(cè)試其抗腐蝕性，這一過(guò)程可能導(dǎo)致保護(hù)涂層的破壞。
6）在最終測(cè)試和裝配的過(guò)程中，每個(gè)緊固件都會(huì)遭受一些或多或少的破壞，導(dǎo)致保護(hù)涂層可能會(huì)受損。在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)過(guò)早的紅色（氧化鐵）銹蝕。
7）另一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是浸漬旋涂。它提供了極好的防腐蝕保護(hù)，但當(dāng)過(guò)多的電鍍填充小螺釘?shù)念^部時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致不能順利的鉆孔。
緊固件的幾何結(jié)構(gòu)、材料、熱處理、表面處理和其他因素都會(huì)影響其從裝配到安裝產(chǎn)品的使用壽命期間的性能，因此，應(yīng)始終將緊固件視為工程部件而不是簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)件。
3 緊固件選擇建議
高質(zhì)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(jí)螺母的8級(jí)螺栓將產(chǎn)生低于預(yù)期的夾緊力。
由于產(chǎn)品小型化，正確的緊固件選擇比以往任何時(shí)候都更加重要，緊固件處理不僅要相同的負(fù)載，還要在更小的空間內(nèi)使用更輕、更薄的材料。
（1）不建議重復(fù)使用，重復(fù)使用的螺母上的螺紋比配對(duì)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(shí)，這些螺紋都會(huì)被壓縮并不斷失去夾緊載荷。您可以看到這種情況對(duì)車(chē)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(lèi)型的螺栓或過(guò)長(zhǎng)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(zhǎng)螺栓上的螺紋在連接處的減震會(huì)相對(duì)較少，實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域過(guò)早的金屬疲勞。
（3）美學(xué)是一個(gè)合理的考慮，制造商通常希望緊固件頭能增強(qiáng)組裝產(chǎn)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(chē)鏈輪、控制臺(tái)和空氣濾清器。這些緊固件必須仍然能夠抵抗振動(dòng)和環(huán)境濕度。
（4）制造商防止緊固件失效的另一種方法是只購(gòu)買(mǎi)完全符合所有設(shè)計(jì)規(guī)范的緊固件。幾年前，波音公司開(kāi)始更加嚴(yán)格地執(zhí)行其拒絕向公司供應(yīng)所有不合格緊固件的政策。此舉是對(duì)美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）計(jì)劃罰款波音275萬(wàn)美元的回應(yīng)，原因是該公司2008年在777型飛機(jī)上安裝了不合格的緊固件。
4 緊固件的裝配注意事項(xiàng)
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(guò)程中確保達(dá)到規(guī)定的要求（很多情況下特別是野外維修維護(hù)都可能會(huì)出現(xiàn)達(dá)要么不到規(guī)范要求要么過(guò)度擰緊），并保持緊固件螺紋完整性。
（1）過(guò)度擰緊可能導(dǎo)致裝配過(guò)程中緊固件斷裂，這是顯而易見(jiàn)的，也可能導(dǎo)致螺紋剝離，這可能不是那么明顯。后者特別危險(xiǎn)，因?yàn)槁菟ㄟB接的完整性可能會(huì)受到損害，組裝人員無(wú)法檢測(cè)到。
（2）正確理解緊固件的潤(rùn)滑性（摩擦和扭矩系數(shù)等）有助于最終用戶在使用扭矩時(shí)獲得最佳夾緊載荷。然而，緊固件上不需要的潤(rùn)滑劑，如裝配工手中的一點(diǎn)油，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)緊。這會(huì)通過(guò)增加夾緊力來(lái)改變連接處的扭矩張力值。當(dāng)緊固件未充分?jǐn)Q緊至較低的夾緊載荷時(shí)，超過(guò)該夾緊載荷的周期性或波動(dòng)性載荷可能很快導(dǎo)致疲勞。
（3）未擰緊的緊固件承受的外部載荷比預(yù)期的要大?？赡芟瘸霈F(xiàn)一些小的異常噪音如吱吱聲和嘎嘎聲，一直到災(zāi)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(dāng)螺栓嵌入軟材料中時(shí)，無(wú)法完全壓緊連接處。螺母裝配不當(dāng)是擰緊不足的另一個(gè)原因。當(dāng)螺母擰下得太快時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反彈效應(yīng)，擰緊處會(huì)稍微回彈松動(dòng)。此外，由于螺栓長(zhǎng)度范圍內(nèi)的扭轉(zhuǎn)性松弛，擰緊螺栓頭部而不是螺母會(huì)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(rùn)滑劑，以便于安裝和拆卸。即使螺紋上的微小顆粒物也會(huì)降低緊固件在安裝過(guò)程中的摩擦系數(shù)。這會(huì)增加結(jié)合處張力和應(yīng)力，使緊固件容易發(fā)生故障。緊固件摩擦系數(shù)平均為0.15，但根據(jù)潤(rùn)滑劑和緊固件鍍層的不同而有所不同。
（6）有時(shí)可以通過(guò)不同角度重新裝配零件來(lái)修復(fù)螺紋錯(cuò)扣。但是，如果螺紋幾何形狀不準(zhǔn)確，則可能需要修理或更換零件。如果不修復(fù)螺紋錯(cuò)扣問(wèn)題，緊固件可能無(wú)法安裝到正確位置，導(dǎo)致螺紋將無(wú)法承受規(guī)定的夾緊力。
（7）當(dāng)壓力和摩擦導(dǎo)致螺栓螺紋卡在螺母或螺紋孔的螺紋上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)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。