汽車底盤系統螺紋聯接防松策略探究

摘 要：螺紋聯接是汽車底盤系統最廣泛的聯接方式，螺紋聯接技術是確保聯底盤聯接可靠性的最重要技術之一；緊固聯接松動是螺紋聯接最常見的失效問題，如何有效解決螺紋防松問題一直是確保汽車底盤聯接設計的關鍵環節；通過對螺紋聯接系統原理及敏感因素DOE分析，TOP3影響因素為摩擦系數（端面摩擦系數及螺紋摩擦系數）、螺栓伸長量；對TOP3因素的防松策略進行探究，提出汽車底盤系統螺紋聯接防松策略，以供行業參考。

關鍵詞：螺紋聯接系統原理 端面摩擦系數 螺紋摩擦系數 螺栓伸長量

螺紋緊固件因其裝卸方便、復用性高被汽車行業廣泛應用，在ISO、JIS中已形成標準化設計；汽車底盤緊固螺紋在受到路面沖擊、交變載荷、溫度影響時，螺紋聯接副因磨損易導致聯接返松問題；隨著汽車行駛里程的增加，緊固聯接結構中夾緊長度的變化也會導致聯接返松問題；隨著汽車行業不斷趨向電動化、高速化的發展，汽車底盤系統螺紋聯接可靠性直接影響車輛行駛安全，可通過對緊固聯接螺紋松動機理進行分析，探究合理的防松策略，提升汽車底盤系統緊固聯接可靠性。

1 螺紋松動原因

緊固聯接系統原理見圖1，緊固聯接系統依靠緊固力矩使螺栓伸長獲得夾緊軸力，通過系統摩擦性能抑制螺栓伸長率變化，產生防松力矩TL，實現緊固聯接可靠性；聯接系統受到沖擊、交變載荷、溫度影響時，聯接系統摩擦性能因螺紋副滑移、松動而降低，螺栓伸長量因螺栓蠕變/塑變而減小，最終導致緊固聯接失效，前者稱為旋轉松動，后者稱為非旋轉松動。

螺紋擰緊過程中，克服螺紋部分阻力：

其中α為螺紋牙型半角，為螺紋摩擦系數

克服支撐面部分阻力：

其中為端面摩擦系數

克服螺紋部分力矩：

其中，為螺距，為螺紋中徑

克服支撐面部分力矩：

其中，

為支撐面等效直徑，見圖2

緊固扭矩T可表達為：

公式中d2μs/cosα、dwμw因子屬緊固系統摩擦屬性，對防止螺紋松動有利，P/π因子對應緊固時軸向拉伸引起的螺紋升程反作用力，緊固完成后，此因素對防止螺紋松動不利；

防松力矩TL可表達為：

其中K=EL/A，E為螺栓彈性模量，一般取值2.1×105MPa，L為螺栓長度，A為螺栓截面積，以M12-1.5，長度95mm，10.9級對應KB約6.3×104N/mm；

以M12螺栓為例，對防松力矩衰減敏感度進行DOE分析，涉及螺栓伸長量ΔLB等8項因子，見表1。

通過DOE分析，防松力矩TL衰減的TOP3因素為摩擦系數（端面摩擦系數及螺紋摩擦系數）、螺栓伸長量，在螺紋防松設計時需重點關注。

2 摩擦系數

摩擦系數μ是通常意義上的物理概念，是摩擦力與正壓力的比值。在螺紋中，摩擦可分為螺紋副摩擦及端面摩擦兩部分，摩擦系數因材質、表面狀況及潤滑條件的不同而不同。一般鋼結構結合面的平均摩擦系數見表2。

螺紋副摩擦系數、端面摩擦系數因材料及工藝等差異存在一定波動，工程應用時，建議采用實測結果提升設計準確度，檢測方法可參考GB/T 16823.3《緊固件 扭矩-夾緊力試驗》對應要求。

螺栓結構承受振動、沖擊載荷時，結構變形引起結合面磨損，摩擦系數降低，導致防松性能衰減；通過摩擦系數衰減抑制，可提升防松性能，常見策略有端面滾齒類（滾齒、凸點等），墊片類（厚平墊等），機械自鎖類（自鎖螺母，鎖止墊片等），化學鎖固類（螺紋鎖固膠）、其它（化學穩定劑）等，其中端面滾齒類、機械自鎖類會消耗防松力矩，實際應用時不能忽略此影響；常見防松策略應用見表3。

摩擦系數穩定劑可減小摩擦系數分布散差，提升螺栓強度利用率，改善結構防松性能；在豐田、大眾等汽車企業均有廣泛應用，應用效果見表4及圖4。

3 螺栓伸長量

緊固裝配時，螺栓受到拉伸作用而伸長，產生夾緊力；螺栓伸長量主要因工作載荷、磨損會發生塑性變形導致夾緊力衰減，導致防松性能下降；鋼制無涂層螺栓、螺母和緊湊夾緊的變形量可在 VDI 2230中已有建議，詳見表5，設計建議考慮此影響；

4 結語

螺紋聯接防松設計通過對其系統原理及DOE研究識別端面摩擦系數、螺紋摩擦系數、螺栓伸長量為關鍵因素；在工程應用時需重點關注，以期提高螺紋聯接穩健性設計。

在實際裝配設計時，裝配力矩因工具精度存在一定偏差，約5%～15%，在設計時應予以考量。

參考文獻：

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