重型汽車螺栓松動成因與防松探討

蘇戰波，謝立峰,2

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.軍事交通學院，天津 300161）

重型汽車螺栓松動成因與防松探討

蘇戰波1，謝立峰1,2

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.軍事交通學院，天津 300161）

重型汽車生產裝配中各零部件大多使用螺栓聯接，特別是重型汽車底盤使用了大量的高強度螺栓聯接，這些螺栓聯接的質量將直接影響整車的行駛安全性，螺栓松動與斷裂將導致汽車停止行駛、翻車、損壞車輛甚至危及人的生命安全。文章對螺栓聯接松動問題產生的原因進行了理論分析，并相應提出幾種有效防松方法。

螺栓聯接；夾緊力；擰緊力矩；摩擦系數；彈力松弛

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.074

CLC NO.: U469.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-221-03

1、擰緊力矩

在重型汽車生產中裝配螺栓時，為保證螺栓可靠聯接，必須在裝配時確保螺栓聯接副有適當的軸向夾緊力，該夾緊力為軸向預緊力。預緊力是保證零件聯接質量的重要因素。由于受到裝配位置、工具等因素的影響，還不能在生產線上通過直接控制預緊力來保證裝配螺栓聯接質量，目前，最經濟、可行的方法是通過控制扭矩間接實現對軸向預緊力的控制。

螺栓擰緊過程是一個克服摩擦的過程，其中存在螺紋副間的摩擦及螺栓與聯接零件的端面摩擦。在裝配螺紋副的過程中，影響裝配質量的因素有很多，不僅螺紋的材料、螺紋表面的粗糙度、螺紋表面的處理、潤滑情況和裝配速度、溫度、螺紋的直徑大小對擰緊扭矩有較大的影響，螺栓聯接零件與接觸面之間的摩擦系數對裝配扭矩的大小起到關鍵的作用。螺栓擰緊力矩分布及夾緊力和摩擦系數關系見圖1、圖2所示。

由圖可知：在擰緊力矩中，由于緊固扭矩的90%左右被螺紋和支撐面摩擦扭矩所消耗，實際的夾緊力只有10%，當螺栓頭下加潤滑后，摩擦系數變小，損耗減少，夾緊力增大，螺栓承受軸向力變大可能被拉斷。要使預緊力保持在一個標準的范圍內，則摩擦系數就要限定在一個規定的范圍內，且波動不大。

當螺紋副中有雜質時，當螺栓聯接在受到瞬時的較大沖擊、持續的振動時，當溫度較高或變化時，由于聯接各部尺寸微小變化及相互位置的瞬時移動，都可使接觸面的摩擦阻力瞬時減小或消失而使擰緊力矩全部喪失，造成松動失效。

接觸面的摩擦力矩要占到擰緊力矩的50%左右，是擰緊力矩的主要組成部分。在上述因素影響下，將最先發生降低或喪失，而導致聯接可靠性迅速降低。

螺栓松動與斷裂都是螺栓聯接失效的重要表現，螺栓斷裂是軸向預緊力過大，超出材料的抗拉強度造成，螺栓斷裂易于發現進行補救，螺栓松動是潛在危害，通常都是螺栓松動后受剪切力產生的螺栓斷裂。由于擰緊扭矩的90%左右被螺紋和支撐面摩擦扭矩所消耗，因此摩擦系數的變化對擰緊力矩的影響比較大，所以在聯接中，必須保證有穩定的摩擦系數，才不至于使擰緊力矩迅速降低而產生松動。

2、彈力松弛

螺栓聯接擰緊時，會產生彈性變形。即使在其彈性限制之內，也會產生塑性變形。由于在螺栓擰緊操作中，80%以上的能量用來克服摩擦力，這就不可避免地導致螺栓和被螺栓聯接的零件發熱。擰緊螺栓聯接完成后，由于預緊力的作用，螺栓初期產生彈性變形，隨時間的推移將引起局部塑性變形，即造成松弛。聯接的各表面由于螺距誤差、粗糙度、毛刺以及安裝過程中的破損碰傷等因素影響，加之螺栓內應力的存在必然要產生一定的局部塑性變形，隨外部工作環境的影響及外載荷的累積作用，將使局部塑性變形繼續增加，這樣就將造成聯接的初始松動，當聯接完全適應工作環境及外載荷后，松動過程將停止達到一定穩定狀態，所以彈力松弛必然造成聯接在某種程度上的初始松動。對這種松動若不及時處理就有可能導致聯接可靠性進一步降低，甚至喪失工作能力。重型汽車裝配生產中選擇合適摩擦系數的螺栓和擰緊工具，能降低螺栓聯接過程熱量產生，減少松弛現象發生，保證擰緊質量。為判定螺栓是否產生足夠的預緊力，工程上需要通過實驗來確定預緊力的損失情況。

3、橫向載荷的影響

對不同螺母，參照GB/T 10431-2008 在相同實驗條件下進行橫向振動實驗，軸向夾緊力（簡稱軸力）隨時間衰減如下圖3所示。

表1 不同涂層橫向對比試驗

從上述橫向對比試驗曲線及表1可以看出，不同表面處理對防松性能的影響很大，達克羅涂層螺栓防松性能較差。該結論是基于某螺栓供方提供的涂層螺栓，小樣本的對比試驗。實際指導生產過程中，還需做大量的試驗數據積累。螺栓聯接中，當受有橫向載荷即與螺栓軸向垂直方向的載荷、變載荷或振動時，將易造成聯接的松動。受橫向載荷的緊螺栓聯接，除橫向工作載荷外。也可能受到各種原因產生的橫向振動，若振動頻率較高，振動力較大則將使松動力矩逐漸減少，研究表明，當振動力增大到一定數值就可能使摩擦系數減小到零。進而使由摩擦決定的擰緊力矩全部喪失，失去預緊力作用而導致聯接自行松動、失效。

4、工程上防松措施

螺栓聯接松動影響因素：預緊力、摩擦系數、螺旋升角、橫向震動力、振幅和頻率、其它。為防止松動，可采取以下預防措施：

4.1 預緊力

預緊力越大防松能力越強。但是，由于結構限制或成本原因，螺栓規格受到限制，預緊力也受到限制，因此，只能在采用提高螺栓強度的辦法，同時，緊固時盡量采用大的預緊力。例如：某6×2牽引車二軸前板簧支架螺栓頻繁松動，經分析、計算、將板簧支架與車架連接孔擴大，將M14螺栓換成M16螺栓的方案實施后問題解決。

4.2 摩擦系數

雖然摩擦系數越大防松能力越強，但是，摩擦系數大造成螺紋間摩擦加劇，容易出現螺紋燒結的現象。在一組螺栓緊固時，各個螺栓之間預緊力不均勻影響緊固性能。例如：全金屬有效力矩螺母、尼龍螺母。

4.3 螺旋升角

采用細牙螺紋，以降低螺旋升角。對于防松要求較為苛刻的重要聯接，可以采用細牙螺紋，防松較為有效且自鎖性好。重型汽車的重要聯接大多采用細牙螺紋，如推力桿螺栓、板簧支架螺栓、發動機懸置螺栓等。

4.4 契形螺紋

契形螺紋改變接觸的法向力比普通螺紋接觸的法向力大的多，因而產生的摩擦力也大的多，從而達到防松效果。如上海底特公司的施必牢自鎖防脫螺母，在重型汽車推力桿、傳動軸、主傳動差速器等。

4.5 附件

通過增加附件（鎖片、竄鋼絲、開口銷、螺紋膠、雙螺母等）阻止螺栓或螺母轉動。此類防松在重型卡車上應用較多，如發動機止推墊片、油箱拉帶螺栓開口銷、平衡軸雙頭螺栓涂螺紋膠等。

4.6 定期復緊

為防止由于彈力松弛而產生的初始松動，對于采用螺栓聯接的機械設備在工作一定時間或周期后應進行一次補充擰緊，以消除因彈力松弛造成的松動。如平衡軸U型螺栓擰緊力矩定期復緊。

4.7 其他防松

特殊機械防松方法，如采用長螺栓與厚墊圈或套筒的組臺；螺栓頭底部帶齒的螺釘；凸凹成對使用的新型墊圈與彈簧墊圈配合使用不僅防振及防松效果好。

5、結語

實現螺紋聯接的防松，需要從螺紋生命期中設計、制造、使用3個階段和材料對產生松動的影響因素進行識別，對螺栓材料的松弛以及螺旋副配合的微動磨損機理等方面找出螺紋聯接松動的原因，以便找到克服螺紋聯接松動的對策，增強螺紋聯接的可靠性。工程上，要針對特定的使用場合通過計算、分析、試驗選用合理的聯接結構，采取合理的措施，以有效地提高螺紋聯接的防松性能，有效地提高機械設備的可靠性。這就要求在設備設計中盡量減少對聯接件的沖擊和振動；在制造中降低螺栓和與被聯接件接觸表面的表面粗糙度和形狀誤差；在裝配過程中，減少螺紋聯接的拆卸次數，防止聯接表面的損傷，在使用中，加強對螺紋聯接的正確維護和保養。

[1] 吳國志.談螺紋緊固件連接的防松[J].現代制造技術與裝備,2008 (5)：39-41.

[2] QC/T 518—2007.汽車用螺紋緊固件緊固扭矩［S］.

Heavy duty truck bolt looseness causes and locking

Su Zhanfeng1, Xie Lifeng1,2
(1.Shaanxi heavy-duty truck Co. ltd., Shaanxi Xi 'an 710200; 2.Institute of military traffic, Tianjin 300161 )

Heavy duty truck parts in the assembly of production mostly use the bolt connection, especially heavy car chassis use a lot of high strength bolt connection, the bolt connection will directly affect the quality of the vehicle driving safety, bolt loosening and fracture will result in the car to stop driving, rollover, damage to vehicles, and even endanger people's life. Article on the causes of loose bolt coupling problems are analyzed in theory, and put forward several effective corresponding locking method.

bolt connection; Clamping force; Tightening torque; The friction coefficient; Elastic relaxation

U469.1

A

1671-7988(2016)10-221-03

蘇戰波，（1979-），男，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。謝立峰，（1977-），男，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。