偏心螺栓異常轉動失效分析

柯勝藍 張少甫 張曉俊

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 前言

緊固件連接是汽車零部件的重要連接方式，相比于焊接和膠接，其因可靠性高、可拆卸的優點被廣泛應用在汽車零部件裝配中。常見緊固件類型有螺栓、自攻螺釘、螺母、鉚釘、雙頭螺柱。受實際生產過程中各種異常因素的影響，緊固件會出現斷裂[1-2]、滑牙[3-4]、松動[5-6]、無法有效擰緊[7]等失效。

汽車偏心螺栓將汽車彈簧擺臂擰緊在螺母上從而固定在副車架上，偏心螺栓的轉動會帶動彈簧擺臂一起移動，彈簧擺臂的移動會導致車輪傾角變化。因此，汽車偏心螺栓的作用是調節車輪傾角的大小，偏心螺栓在汽車行駛過程中不允許出現轉動和竄動。目前關于汽車偏心螺栓的失效原理研究較少，王韶普等[8]研究了汽車偏心螺栓的滑牙失效，朱凌靜[9]研究了偏心螺栓的斷裂失效。詳細研究偏心螺栓轉動的原因，并提出優化方案，最終通過功能性試驗驗證優化措施有效。

2 問題描述

某車型經過整車濫用路試試驗后，后橋前束調節螺栓螺母出現連接副異常轉動。路試試驗時連接副螺栓螺母的轉動方向如圖1 所示。連接副的螺母出現了順時針方向轉動，如圖1a 所示；螺栓出現逆時針方向轉動，如圖1b 所示。由于螺栓螺母的轉動觀察方向相反，因此螺栓螺母連接副整體是沿同一方向轉動的。

圖1 連接副螺栓螺母的轉動方向

3 測試分析

3.1 自鎖螺母的摩擦因數和自鎖特性測試

連接副的螺母為自鎖螺母，如圖2 所示，通過在普通螺母上部嵌入尼龍從而實現螺母的自鎖。螺母的表面處理為鋅鋁涂覆并做潤滑，總摩擦因數控制范圍為0.10～0.16。

采用SCHATZ 摩擦因數機，按照標準ISO 2320: 2015 Fasteners-Prevailing torque steel nuts-Functional properties 對同批次自鎖螺母的摩擦因數和自鎖特性進行測試，測試結果如表1所示，其中擰入扭矩為5.5～6.5 N·m，符合＜10.5 N·m 的標準要求；第1次松脫扭矩為6.1～7.5 N·m，符合＞3.1 N·m的標準要求；第3次松脫扭矩為5.3～6.5 N·m，符合＞2.1 N·m 的標準要求；總摩擦因數的測試方法為ISO 16047: 2005 Fasteners-Torque/clamp force testing，實測值為0.122～0.132，符合標準值0.10～0.16 的要求。

表1 自鎖螺母擰入扭矩和總摩擦因數測試結果

3.2 失效件自鎖螺母的硬度和金相測試

該自鎖螺母的等級為10 級，參照標準ISO 898- 2: 2022 Fasteners- Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel-Part 2:Nuts with specified property classes，對失效件自鎖螺母的硬度和金相測試。采用Wilson UH750 型萬能硬度機進行硬度測試，測試結果如表2 所示，實測數值為312～321 HV10，滿足標準值295～353 HV10 的要求。

表2 失效件自鎖螺母硬度測試結果 HV10

采用Axiovert 200MAT 型顯微鏡對失效件進行金相檢驗，結果顯示失效螺栓的主要組織為回火索氏體，組織正常，金相如圖3 所示。

圖3 失效件自鎖螺母金相圖

3.3 失效件偏心螺栓的硬度和金相測試

該偏心螺栓的等級為10.9 級，參照標準ISO 898-1: 2013(en) Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel — Part 1: Bolts,screws and studs with specified property classes —Coarse thread and fine pitch thread，對失效件自鎖螺母進行硬度和金相測試。采用Wilson UH750 型萬能硬度機進行硬度測試，測試結果如表3所示，實測數值為361～368 HV10，滿足標準值320～370 HV10的要求。

表3 失效件偏心螺栓硬度測試 HV10

采用Axiovert 200MAT 型顯微鏡對失效件進行金相檢驗，檢驗的結果顯示失效螺栓的主要組織為回火索氏體，組織正常，金相如圖4 所示。

圖4 失效件偏心螺栓金相圖

3.4 偏心螺栓摩擦因數測試

對同批次螺栓的失效件進行摩擦因數測試，采用SCHATZ 摩擦因數機，參考標準為ISO 16047:2005 Fasteners-Torque/clamp force testing，測試結果如表4 所示，其中螺紋摩擦因數為0.11～0.12，符合標準值0.08～0.16 的要求。頭部摩擦因數為0.25～0.27，總摩擦因數為0.18～0.20，超出標準要求的0.08～0.16 摩擦因數范圍。

表4 偏心螺栓摩擦因數測試結果

摩擦因數測試后，螺栓頭部法蘭面僅摩擦到了根部。公式（1）為頭部摩擦因數μb計算公式，當頭部摩擦力矩Tb和夾緊力F不變時，摩擦半徑Db越小，頭部摩擦因數則越大。因為該螺栓頭部僅摩擦到了根部，摩擦半徑較小，導致頭部摩擦偏大。

法蘭面平整度狀態如圖5 所示，螺栓的法蘭面內凸較嚴重，摩擦過程中僅摩擦到螺桿根部。當擰緊后的螺栓僅螺桿根部與被連接件接觸，法蘭面由面接觸變為線接觸，螺栓的防松和防轉動性能下降。

圖5 偏心螺栓法蘭狀態

4 螺栓的優化措施

針對偏心螺栓法蘭面內凸嚴重的問題，從以下幾方面進行優化。

4.1 減小六角連接處臺階高度

如圖6 所示，將六角連接處臺階高度從3.2～3.25 mm 降低至3.1～3.15 mm，降低螺栓和墊片組合后根部的高度，有利于擴大法蘭螺栓擰緊時的摩擦面。

圖6 偏心螺栓六角連接處臺階高度優化尺寸

4.2 墊片初始平面度和孔徑優化

如圖7 所示，將墊片孔徑由13.85～13.9 mm 增大至14.3～14.35 mm，螺栓與墊片的配合方式從過盈配合變成間隙配合，避免螺栓根部因材料較多導致突起，進而減小摩擦面積。

圖7 偏心螺栓法蘭孔徑和平面度優化方案

將墊片從平面優化成反角度0.5°～1°，保證了墊片鉚接后不會凸起，將摩擦面線接觸轉化為面接觸。

5 優化后的測試

5.1 螺栓摩擦因數測試

優化后的螺栓摩擦因數測試結果如表5 所示，其中頭部摩擦因數為0.095～0.101，螺紋摩擦因數為0.107～0.118，總的摩擦因數為0.102～0.108，滿足標準值0.08～0.16 的要求。

表5 優化后的偏心螺栓摩擦因數測試結果

優化后經過摩擦因數測試的法蘭面摩擦情況如圖8a 所示，頭下摩擦面摩擦較均勻，摩擦面由線接觸變為面接觸，摩擦面的面積較優化前明顯增加。法蘭面平整度狀態如圖8b 所示，螺栓法蘭面平整，無肉眼可觀的內凸，法蘭面平整有利于提升連接副的防松動和防轉動性能。

圖8 偏心螺栓法蘭狀態

5.2 路試驗證

將優化后的螺栓按照扭矩法擰緊在副車架上，重新進行整車濫用路試試驗（路試條件和失效件路試條件一致），路試試驗后，螺栓未出現轉動。測試結果顯示螺栓優化方法有效，證明了螺栓的轉動是由于偏心螺栓法蘭墊片內凸和連接副的防松動能力下降導致的。

6 結論

a. 失效件偏心螺栓硬度和金相滿足標準和圖紙要求；自鎖螺母硬度、金相和扭矩特性滿足標準和圖紙要求。

b. 整車濫用路試試驗后，螺栓出現轉動的主要原因是螺栓法蘭面內凸、摩擦不均勻及摩擦因數不符合標準要求。法蘭摩擦面為線接觸，相比于面接觸，螺栓的防松和防轉動性能較差，螺栓防松和防轉動性能下降導致偏心螺栓整車濫用路試試驗后出現轉動。

c. 通過降低螺栓六角連接處臺階高度、增大墊片鉚接前的孔徑、將鉚接前墊片做成反角度，提升了螺栓法蘭面的平面度和法蘭面摩擦均勻度，優化后的螺栓摩擦因數合格，整車濫用路試試驗后未出現轉動。