防松螺栓橫向振動試驗研究

葉天贈

（BPW（梅州）車軸有限公司， 廣東 梅州 514743）

0 引言

該文以半掛車空氣懸掛支架與彈簧梁連接部位的M24螺栓副為例，通過3種不同組合的螺栓螺母測試對比，按ISO 16130：2015 《緊固件橫向振動試驗方法》同等測試，對比分析各種螺栓螺母配合防松方式優(yōu)缺點，探討鎖緊力矩與夾緊力在不同螺栓組件情況下橫向振動試驗中的影響。

該文考慮不變化螺栓，通過變化螺母及墊圈，開展3種組合空氣懸架支架M24樞軸螺栓組件的橫向振動試驗，得到各個工況下螺栓組件的夾緊力時程曲線，確定空氣懸架支架樞軸螺栓組件的最佳組合。研究結(jié)果對提高空氣懸架支架樞軸螺栓防松性能、保證車輛安全運行具有重要意義，同時也可以運用到其他類似的使用工況。

1 基本概念

螺栓螺母配合后向內(nèi)部物體施加的力，叫夾緊力；螺栓螺母配合使用后，夾緊力比初始鎖緊狀態(tài)小，即為螺栓松脫；螺栓失效常見形式是夾緊力不足，夾緊力不足有以下2種可能：1）初始鎖緊夾緊力小。因接觸表面的材料相互嵌入、材料蠕變、鎖緊力矩不夠、摩擦系數(shù)的變化等因素，都會導致螺栓的初始鎖緊狀態(tài)夾緊力不足；2）使用后夾緊力變小。因螺栓承受交變載荷、振動或高溫環(huán)境等影響因素，夾緊力隨著使用周期的變長而減小，甚至夾緊力可能完全消失[1]。

第一種情況，可以通過螺栓螺母的配合結(jié)構(gòu)、原材料、生產(chǎn)過程控制、表面處理以及規(guī)范鎖緊力矩進行規(guī)避；但第二種情況，這種失效模式危害性更大，是行業(yè)內(nèi)一直在致力改善的問題。

2 試驗概況

2.1 試驗方案

為驗證空氣懸架支架樞軸螺栓組件的防松效果，確定樞軸螺栓組件的最佳組合，在某檢測中心分別開展了三種組合的M24螺栓副測試，螺栓螺紋規(guī)格為M24×2細牙，性能等級為10.9級，配套的螺母螺紋規(guī)格也是M24×2，性能等級為10級，按國標GB/T 3098.1-2010，螺栓的保證載荷（或者說屈服載荷）是319kN，正常安全地使用應(yīng)保證夾緊力為 319kN× 0.75 = 239.25kN，根據(jù)表面處理控制的摩擦系數(shù)，轉(zhuǎn)換成鎖緊力矩為650N·m，但受生產(chǎn)過程、表面粗糙度、表面處理等因素影響，同一批次螺栓，施加相同鎖緊力矩時，螺栓初始狀態(tài)夾緊力可能有差異，螺栓組件裝配如圖1所示。

圖1 螺栓組件裝配

2.1.1 方案1：螺栓+平墊片+機械壓點自鎖螺母

這種組合為現(xiàn)有市面上常用的配合狀態(tài)，其使用機械壓點自鎖螺母進行防松，但經(jīng)實際使用驗證防松效果并不理想，特別是在路況較差、車輛行駛振動大的條件下，極有可能螺栓松脫，進行測試目的是作為對比基準，以便比較其他方案的優(yōu)劣。

2.1.2 方案2：螺栓+平墊片+防松墊片+機械壓點自鎖螺母

防松墊圈由2片墊圈組成，如下圖2所示：相互間對向齒配合，并且另一面都有防滑紋；鎖緊過程中，2片墊圈間對向斜齒與螺紋旋向相反，對向斜齒配合無相對旋轉(zhuǎn)；鎖緊后防滑紋在夾緊力的作用下，2片防松墊圈的防滑紋保證與螺母、平墊圈相對固定，對向斜齒處于楔形上升狀態(tài)，增大松脫難度，采用這種方式達到放松的目的。

圖2 防松墊圈

2.1.3 方案3：螺栓+平墊片+機械壓點自鎖螺母+薄螺母

薄螺母是通過迫緊靠近里面的機械自鎖壓點螺母，強制其無法旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)防松。以上方案考慮不變化螺栓，通過變化螺母及墊圈實現(xiàn)達到放松目的。

2.2 試驗條件

這3種組合的螺栓橫向振動試驗，按ISO 16130：2015 《緊固件橫向振動試驗方法》同等測試，試驗條件如下表1所示。

表1 試驗條件

螺栓橫向振動試驗在安布內(nèi)科振動試驗機上完成，緊固件橫向振動試驗機包括主機、液壓站、控制臺3個部分。螺栓在橫向振動試驗過程中的夾緊力數(shù)據(jù)通過安裝在連接板下部的壓力傳感器測出，在試驗機的顯示屏直接顯示并由計算機記錄[2]。該文選取涂油一組數(shù)據(jù)，未涂油一組數(shù)據(jù)，各繪制夾緊力變化曲線。

2.3 試驗數(shù)據(jù)

涂油一組試驗過程中各方案夾緊力變化曲線如圖3所示；未涂油一組試驗過程中各方案夾緊力變化曲線如圖4所示。

圖3 涂油一組試驗過程各方案夾緊力變化曲線

圖4 不涂油一組試驗過程各方案夾緊力變化曲線

2.4 試驗數(shù)據(jù)分析

在實際使用中，裝配前螺紋位置涂黃油潤滑，降低了螺紋配合的摩擦系數(shù)，使用650N·m的鎖緊力矩產(chǎn)生的夾緊力比理論計算的75%保證載荷要大些，但未超過螺栓的保證載荷319kN，螺栓仍處于安全使用范圍，即螺栓此時雖然有變形，但如釋放夾緊力，螺栓將完全回彈恢復(fù)初始狀態(tài)，屬彈性變形；如裝配前螺紋位置不涂黃油潤滑，使用650N·m鎖緊力矩產(chǎn)生的夾緊力與理論計算的75%保證載荷一致；裝配前涂油潤滑或者不進行涂油潤滑，只會影響初始鎖緊時的夾緊力，不會影響夾緊力的衰退程度；不管是裝配前是否涂油潤滑，方案1夾緊力衰退均最厲害，與實際使用驗證防松效果不相符，須被改進；方案2中增加使用防松墊圈，雖然測試結(jié)果夾緊力基本沒有衰退，但是初始鎖緊狀態(tài)的夾緊力遠未達設(shè)計目標（設(shè)計要求初始夾緊力239.25kN），初始夾緊力不夠，同樣會造成螺栓失效；方案3中使用650N·m力矩鎖緊機械壓點自鎖螺母后，又在外面增加1個薄螺母，使用650N·m力矩鎖緊迫緊內(nèi)螺母，初始鎖緊狀態(tài)下比方案1夾緊力大些，但增加有限，并且使用雙螺母后夾緊力衰退不明顯，屬比較理想的數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果評判

因為無法直接采用振動過程中的夾緊力來評價螺栓的防松性能，所以采用振動1500周期后，靜止2 min，待應(yīng)力釋放，測量殘留夾緊力，采用“夾緊力的衰退率（%）”這一無量綱指標來評價螺栓的防松性能[3]。

夾緊力的衰退率（%）= 減少的夾緊力 / 初始夾緊力 × 100%。

試驗過程中振動1500周期后夾緊力的衰退率如表2所示。按照 ISO 16130：2015 《航空航天系列 - 橫向負載條件下，螺栓連接鎖定性能的動態(tài)測試（振動試驗）》，根據(jù)表3所示的評判分類，對實際測量出來的夾緊力衰退率進行評判。

表2 振動1500周期后夾緊力的衰退率

表3 評判分類

3.1 方案1

裝配前涂油潤滑，使用650N·m初始力矩鎖緊，初始夾緊力平均為275kN，符合設(shè)計要求，振動1500周期后平均衰退率為56%；裝配前未涂油潤滑，同樣使用650N·m初始力矩鎖緊，初始夾緊力平均為231kN，符合設(shè)計要求，振動1500周期后平均衰退率為54%；對比評判標準，屬于二類，結(jié)合實際使用確實不理想，須被改進。

3.2 方案2

裝配前涂油潤滑，使用650N·m初始力矩鎖緊，初始夾緊力平均為160kN，不符合設(shè)計要求，振動1500周期后平均衰退率為5%；裝配前未涂油潤滑，同樣使用650N·m初始力矩鎖緊，初始夾緊力平均為131kN，不符合設(shè)計要求，振動1500周期后平均衰退率為6%；對比評判標準，屬于一類，是3個方案中自鎖防松效果最好，但不管裝配前有無涂油潤滑，初始夾緊力不足（設(shè)計要求初始夾緊力239.25kN），可能造成螺栓失效，所以不能被選用；并且額外試驗同一套的螺栓、螺母、防松墊圈，經(jīng)過5次鎖緊后，所有配件都沒有損壞，表明防松墊圈可以重復(fù)多次使用；但測量每次重復(fù)鎖緊的初始夾緊力，發(fā)現(xiàn)第5次鎖緊比第1次鎖緊后初始夾緊力下降了40%，防松墊圈的防護紋在多次鎖緊后，將螺母及平墊圈壓出越來越深的凹痕，螺母鎖緊阻力越來越大，試驗表明多次重復(fù)鎖緊后，初始夾緊力將下降，確定方案2不能被選用。

3.3 方案3

裝配前涂油潤滑，使用650N·m初始力矩鎖緊，初始夾緊力平均為280kN，滿足設(shè)計要求，振動1500周期后平均衰退率為14%；裝配前未涂油潤滑，同樣使用650N·m初始力矩鎖緊，初始夾緊力平均為237kN，符合設(shè)計要求，振動1500周期后平均衰退率為14%；對比評判標準，屬于一類，自鎖防松效果較好，結(jié)合初始夾緊力及夾緊力衰退率，屬于比較理想的選擇。

4 結(jié)論

該文通過開展空氣懸架支架樞軸M24螺栓組件的橫向振動試驗研究，確定了該螺栓組件的最佳組合，證實了最佳的組合應(yīng)為雙螺母螺栓組件，可以擁有良好的防松性能，并且成本相對最低。

主要結(jié)論如下。添加防松墊片的螺栓組件雖然比普通螺栓組件的夾緊力衰退率降低了不少，但帶來的負面影響是夾緊力不足，特別是重復(fù)使用后，各項性能均會下降很多尤其是它的夾緊力。另一方面，防松墊圈單價過高，成本壓力大，而雙螺母是成本最低防松性能又可以滿足使用的方案，所以優(yōu)選雙螺母方案。

在該次實驗中方案3的2個螺母厚度和鎖緊力矩是一樣的，但有文獻表明上下2個螺母的厚度不同以及上下2個螺母的鎖緊力矩不同將會對螺栓連接的夾緊力衰退率值帶來很大的影響。所以在不增加成本的情況下為了進一步降低方案3的夾緊力衰退率，可對該螺栓組件的雙螺母厚度比例和鎖緊力矩比例進行進一步的改進。另外，也可以采用唐氏螺紋螺母防松，即將左旋和右旋2種螺旋線復(fù)合在同一螺紋段上，它既可以和左旋螺紋配合又可以和右旋螺紋配合，在連接時只需用2種不同旋向的螺母分別擰緊即可。最后，從該實驗中也可以知道螺栓受振動時，螺母容易松脫，所以亦可考慮減少螺栓組件的振動來防止螺栓的松脫。