底盤緊固件力矩衰減失效分析

王瑞重, 張康， 范秋珍

(1.長城汽車股份有限公司技術中心, 河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心, 河北保定 071000)

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底盤緊固件力矩衰減失效分析

王瑞重1，2, 張康1，2， 范秋珍1，2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心, 河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心, 河北保定 071000)

汽車底盤絕大多數零部件由螺栓連接,在不同路況行駛,經受橫向沖擊及軸向顛簸后,會出現不同程度力矩衰減、連接松動、異響等失效,嚴重時影響行車安全。通過幾個典型的汽車底盤力矩衰減失效案例,分析其失效機制,并給出預防措施,為以后的設計提供參考和借鑒。

底盤；緊固件；力矩衰減

0 引言

螺紋緊固件作為緊固連接常用的一類機械零部件，方便、快捷、成本低，被廣泛應用于各個行業,其品種多樣，有內螺紋結構、外螺紋結構、全金屬自鎖、結構自鎖等；功能迥異，主要起連接、緊固、密封等作用。文中主要對汽車底盤螺栓緊固件作用機制和典型衰減失效進行詳細介紹。

1 緊固機制

螺栓緊固連接主要有普通螺栓連接和鉸制孔用螺栓連接，普通螺栓連接結構簡單，拆卸方便，成本低廉，是目前應用最廣泛的連接形式，汽車底盤大部分安裝螺栓采用此結構；鉸制孔用螺栓連接可承受較大的橫向載荷，對安裝孔的精度要求比較高。在實際工業生產中，螺栓的選用，必須充分評估被連接件的工作環境及受力情況，保證它為零部件在極限工況下工作提供足夠可靠的緊固連接。螺栓在使用過程中，都要提前施加擰緊力矩T進行預緊，同時螺栓軸向產生預緊力Fp。擰緊力矩T主要克服螺紋結合面產生的摩擦阻力矩T1和螺栓環形端面與被連接工件接觸面間的摩擦阻力矩T2，即:

T=T1+T2

在工作過程中，若外力產生扭矩為M0，當M0

2 螺栓緊固件力矩衰減的典型原因

一般情況下國內主機廠底盤緊固件在車輛裝配完成后，會在緊固件和被聯接件間點漆確認，以便后期確認緊固狀態。車輛行駛一段時候后，裝配點漆標記不變，檢測力矩在設計要求范圍內，為聯接可靠；裝配點漆標記不變，檢測螺栓力矩低于設計要求范圍下限，為衰減失效，也是文中重點論述的失效形式；裝配點漆標記錯位，檢測力矩低于設計要求范圍下限，為返松失效。個別情況某些公司為進一步保證緊固件聯接的可靠性，裝配時額外對緊固件進行預涂螺紋密封劑處理，此種情況會使裝配后的檢測力矩增大，甚至超出設計要求上限；另因螺紋密封劑化學性質、人工涂抹量等客觀因素產生的不確定性影響，力矩增大幅度很難歸納總結，在此不做討論。

2.1 安裝面精度低

某車型售后反饋顛簸路及過減速帶行駛時，底盤前懸位置偶爾發出“當當”異響聲。維修排查前懸零部件狀態，未見明顯干涉、磕碰痕跡及結構性損傷，各緊固件裝配點漆標記未產生明顯錯位。逐個檢測前懸緊固件力矩，發現前懸下控制臂小軸套安裝螺栓力矩存在衰減，檢測力矩值為143N·m，設計標準力矩為210N·m，衰減幅度達32%。將力矩緊固至標準力矩后，多次路試，異響未復現，初步鎖定失效位置為控制臂小軸套安裝位。為確認問題真因，拆解下控制臂，檢查緊固件螺紋外觀正常，但小軸套安裝套管在控制臂安裝支架上留下了深淺不同的壓痕，上端比下端淺。此現象說明在裝配緊固過程中控制臂軸套套管上、下端面與安裝支架接觸產生的壓力不同。用三坐標測量儀打點檢測安裝支架平面關系，存在2.06°的夾角，如圖1所示。

失效分析?？刂票圯S套與支架為螺栓連接，正常樣本控制臂兩安裝面為平行關系，如圖2所示；而失效樣本安裝面如圖1所示存在約2°的夾角,在裝配過程中，擰緊螺栓扭矩在提供緊固軸向力的同時，還會損失一部分扭矩用以矯正上端面角度,使安裝面與控制臂套管接觸,此時安裝支架為彈性變形，相當于螺接位置增加了彈性墊片。隨著車輛不斷使用,安裝位置反復經受交變載荷,安裝支架逐步由彈性變形轉變為塑性變形,安裝平面角度變小，彈性變形支撐作用減弱，造成力矩衰減。

圖1 失效樣本 圖2 正常樣本

整改對策：

(1)從失效分析可知，隨著車輛不斷使用，安裝面彈性變形最終會轉變為塑性變形，此時對安裝螺栓進行二次緊固，可消除力矩衰減。由于二次緊固時間不確定，方案不可行，但可列到售后保養點檢項目中。

(2)由于存在制造公差，安裝面不可能完全平行，設計上增加平行度約束，優化生產工藝，可有效控制角度偏差。經生產試裝驗證，軸套安裝支架增加平行度0.7mm(如圖3所示)，可有效控制力矩衰減，滿足設計要求，方案可行。

2.2 摩擦因數選擇不當

摩擦因數是螺栓結構的重要參數，直接影響螺栓軸向預緊力的大小及力矩的保持性能。某車型前副車架與車身安裝螺栓最初設計狀態要求摩擦因數為0.1～0.16，螺栓規格為M14×1.5,性能等級為10.9級，設計力矩范圍為(210±20)N·m；下線后經過試驗場路試后檢測，裝配點漆標記未動，個別力矩值小于設計要求下限值190N·m，力矩存在衰減趨勢，如表1所示。

失效分析。排查副車架及車身安裝面平面度、Z向高度差及搭接面間隙，均在公差范圍內；檢測螺栓性能等級、材質心部硬度、墊片硬度、保載能力均滿足設計要求。根據螺紋連接的摩擦防松機制，摩擦因數相對大的連接，隨著工作時間加長，殘余預緊力所占預緊力的百分比相對較高。最終將螺栓摩擦因數由0.1～0.16調整至0.2～0.45，對比試裝驗證，下線后檢測力矩值如表2所示，力矩均在設計范圍內。

對比表1和表2的檢測數據，摩擦因數增大后，力矩衰減失效得到有效改善，摩擦因數越小，預緊后提供的螺栓軸向力越大，但不利于力矩的保持，力矩容易衰減；相反，摩擦因數越大，雖然不能提供較大的緊固軸向力，但更利于力矩的保持，力矩不容易衰減。故在后期設計中，要綜合考慮螺紋緊固件的用途，摩擦因數的確定亦要根據實際連接件的材質、結構進行相應調整。

表1 螺栓摩擦因數0.1～0.16時檢測力矩值

表2 螺栓摩擦因數0.2～0.45時檢測力矩值

2.3 被聯接件產生塑性變形

某車型整車耐久試驗后，懸架控制臂與副車架聯接螺栓產生力矩衰減，拆解控制臂發現與裝配螺栓六角法蘭端面接觸的鋁合金底座出現輕微壓痕，如圖4所示，檢查螺紋結構正常，且螺栓未被拉長。

圖4 故障件外觀

失效機制。安裝底座為鋁合金材質，牌號為6082-T6，材料屈服強度為260MPa，抗拉強度為310MPa。裝配位置出現壓痕，說明材料已發生塑性變形，即安裝位置承受的應力超過材料的屈服強度。失效位置貼應變片，實車路試測量壓痕位置最大應力為290MPa，遠大于材料屈服強度。在整車耐久試驗過程中，安裝位不斷承受交變載荷，當應力超過材料屈服強度時，底座產生塑性變形，聯接位置軸向力配合緊密程度降低，最終產生力矩衰減。

整改對策。針對此失效，初步對策兩種方案：(1)將安裝底座更改為屈服強度更高的材質；(2)增大安裝位置的承載面積，即在安裝面間增加墊片或直接加大安裝螺栓的法蘭面面積。綜合成本及整改周期考慮，安裝面間增加墊片(見圖5)比較容易實現，且成本低。

原承壓面積為S0，螺栓法蘭面接觸內徑為14.5mm，外徑為28.6mm，則：

圖5 增加墊片的整改措施

如圖5所示，在安裝結構增加內徑為14.5mm、外徑為32mm的墊片，墊片厚度為2mm，增加墊片后的承壓面積：

增加墊片后，壞路測試失效位置最大應力減小至236MPa，小于材料屈服強度，避免底座產生塑性變形，進而消除力矩衰減。

3 結束語

隨著工業的發展，螺紋緊固件的使用越來越廣泛。為了保證螺紋緊固聯接的可靠性，需綜合考慮被連接件的工藝保證能力、材料特性、摩擦因數、結構形式及工作環境，另外力矩的選擇也要經過嚴格的校核計算。在產品設計階段，考慮的因素越多，后期產生的失效越少。

【1】吳宗澤,王序云,高志.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001.

【2】胡遠忠.螺栓摩擦系數對連接防松影響的有限元分析[J].機械工程師，2013(11)：74-75.

【3】姚貴生.汽車金屬材料應用手冊[M].北京：北京理工大學出版社，2000.

MomentAttenuationFailureAnalysisforChassisBolt

WANGRuizhong1,2,ZHANGKang1,2,FANQiuzhen1,2

(1.Research&DevelopmentCenterofGreatWallMotorCompany，BaodingHebei071000,China;2.AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHebei，BaodingHebei071000,China)

Mostpartsofthevehiclechassisareconnectedbybolts.Drivingindifferentroadconditions,theboltissubjectedtolateralknockandaxialturbulence,therewillbevaryingdegreesofmomentattenuation,connectionloose,abnormalsoundandsoon,seriousimpactingontrafficsafety.Severaltypicalfailurecaseswereanalyzed,atthesametime,aneffectivesolutionwasgiven.Itprovidesreferenceforfuturedesign.

Chassis;Bolt;Momentattenuation

2015-11-23

王瑞重(1988—)，男，學士，助理工程師，主要從事懸架系統設計工作。E-mail：sdjtwrz@163.com。

U

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