汽車緊固件問題分析解決

趙哲南

(上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺 264006)

汽車緊固件問題分析解決

趙哲南

(上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺 264006)

汽車關鍵部位的螺紋連接在保證車輛正常功能方面起著重要的作用。闡述緊固系統組成部分，列舉了緊固系統類型及常見問題，從組成系統的3個方面選取典型案例進行剖析分解，提出解決辦法。

緊固件；緊固系統;分析解決

0 引言

隨著汽車進入大批量專業化生產時代，高效的螺紋連接在汽車裝配中的應用越來越廣泛。汽車關鍵部位的螺紋連接起著重要的作用，一旦失效，往往會導致車輛功能問題，如零件異響、功能下降、部件損壞等，嚴重的可能導致汽車某項功能喪失、安全性能下降、引發惡性事故等。而螺紋連接類緊固問題，其原因是多方面的。要全面分析各相關要素，有針對性地找到有效的控制辦法。

1 緊固系統概述

緊固是將兩個或多個零件用緊固件連接到一起的過程，產生一定的預緊力，把零件壓緊，從而使被緊固件可靠地傳遞動力或得到有效支撐。這個預緊力的方向是沿著緊固件軸向產生的，所以也可稱為軸力、壓緊力、緊固力等。

緊固系統是緊固件、被緊固件、緊固策略3者的有機組合。其中的緊固策略又包含控制方法、緊固工具、擰緊速率、扭矩等因素。

緊固的目的是獲得預緊力而不僅僅是扭矩。

緊固效果的評價，理論上最直接的就是測量預緊力的大小。但是，這個參數很難測量，實際工作時，一般是通過測量緊固過程中施加到緊固件上的扭矩來間接評價緊固的效果。

2 緊固問題類型

在汽車生產使用過程中，緊固類問題發生的頻次很高，種類也繁多，從表現方面，大致可以分3個大類：緊固件異常、被緊固件異常和擰緊異常。緊固件表現方面，常見的有緊固件滑牙、螺栓斷裂、連接松動3種；被緊固件方面，常見的有被緊固件壓饋、內螺紋滑牙、自攻底孔滑牙3種；擰緊過程方面，常見有靜態扭矩偏低、打不到底、監控角度偏大等5種，詳見圖1。

3 緊固問題影響因素

緊固類問題應從組成緊固系統的緊固件、被緊固件和緊固策略3個方面進行分析。

3.1 緊固件因素

3.1.1 緊固件的螺紋參數

緊固件的螺紋參數包括螺紋大徑、小徑、中徑、螺距、導程、螺紋公差等參數。一般用螺紋止通規進行檢測。

3.1.2 緊固件強度

考慮以下強度：

(1)抗拉強度是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。

(2)屈服強度是金屬材料發生屈服現象時的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的能力。

(3)保證載荷是指螺紋產品實物不產生明顯塑性變形所能承受的極限載荷。

3.1.3 緊固件表面摩擦因數

摩擦因數是摩擦力與正壓力的比值，是影響預緊力的重要參數。摩擦因數主要取決于涂層類型，和材料、零件的表面狀態密切相關。

3.2 被緊固件因素

(1)被緊固件在安裝孔周圍應具備一定的剛性。

(2)安裝平面要求平整，應有平面度、粗糙度、面輪廓度等要求。

(3)安裝表面無油污、焊渣、膠等雜物。

3.3 擰緊策略因素

(1)扭矩控制法。當達到規定扭矩時擰緊過程即停止的控制方法。

(2)扭矩+轉角控制法。當達到貼合扭矩，再增加一個角度時擰緊過程即停止的控制方法。和扭矩控制法相比，可以有效減小緊固件摩擦因數波動對預緊力的影響，緊固效果更穩定。

(3)屈服點控制法。屈服點法也稱為斜率控制法，它是通過監控擰緊過程中扭矩和轉角的變化關系(如圖2所示)，判斷螺栓拉伸到接近屈服極限時，擰緊過程即停止。螺栓能得到充分利用，緊固效果最優；但設備復雜，成本很高。

4 緊固問題案例

4.1 案例一：螺栓斷裂

如圖3所示，螺母緊固過程中，螺柱被擰斷。基本信息如下：螺紋參數：M10×1.5，緊固扭矩：58 N·m，螺母強度：10級，螺柱強度：10.9級。

原因分析：螺柱表面有防銹油，降低了螺紋副的表面摩擦因數，在同樣扭矩下，產生的軸向力超出了螺栓的抗拉強度，導致螺柱斷裂。

解決措施：擦除螺柱表面的防銹油。

解析：緊固件斷裂、拉伸類問題，要先檢查緊固件強度是否偏低，除此之外，摩擦因數偏低或緊固件表面的異常，也可導致軸向拉力過大，需要格外關注。

套筒類鑄件主要包括管類、軸套和襯套等。薄壁管類鑄件要避免圓口變形，軸套類零件禁止出現夾渣及氣孔缺陷。針對此類零件的特點，歸納出澆注系統設計時的參考標準，如表1所示。

4.2 案例二：扭矩衰減

某板類零件在被螺栓緊固過程中，螺栓靜態扭矩偏低，超出生產線靜態扭矩控制的下限，有松動傾向。

原因分析：安裝孔周圍有PVC膠(圖4(a))，螺栓緊固后，膠層緩慢變形，導致螺栓預緊力降低，表現為扭矩衰減。

措施：安裝孔表面去除PVC膠(圖4(b))。

解析：在分析緊固件問題時，不僅要關注緊固件，還要關注被緊固件，其表面的異常情況也可能導致嚴重問題。

4.3 案例三：螺栓松動

如圖5所示連接結構中，連接件有開槽結構，通過螺母緊固將軸壓緊，車輛路試時螺母松動，產生異響。

緊固扭矩：90 N·m。

原因分析：開槽部位變形，夾持厚度減小，導致扭矩衰減，最終導致預緊力不足，在交變載荷作用下產生松動。

解決措施：改變緊固策略，先擰緊至90 N·m再將螺母回退120 °，然后重新擰緊至90 N·m+35°。

解析：根據連接結構特點，選擇合適的緊固策略，包括合適的工具、扭矩、控制方法、轉速等。

5 結論

緊固件、被緊固件、緊固策略3者有機結合，形成一個穩定的緊固系統。對于緊固類問題，要從系統入手，找出可能影響系統的關鍵因素，然后分析制定有效對策。

【1】滕冠.高強度螺栓的緊固分析[J].裝備制造技術,2009(4):163-165，171.

【2】任春紅.對螺紋聯接預緊力控制方法的分析[J].煤礦機械,2005(6):43-44.

【3】濮良貴，紀名剛.機械設計[M].7版.北京：高等教育出版社，2001.

Analysis and Solution of Fastening Issue for Automobiles

ZHAO Zhenan

(SAIC General Motors Corporation Limited, Yantai Shandong 264006,China)

The screw thread connect shows important effect on main locations for automobile keeping normal function.The components of the fastening system were expounded, the type and frequent fastening issues were enumerated, typical examples were chosen to analyze from three parts of the fastening system and corresponding solutions were given.

Fastener；Fastening system；Analysis and solution

2015-07-07

趙哲南，男，本科，工程師，研究方向為車輛工程、機械工程。E-mail:zhenan_Zhao.sgmyt@saic-gm.com。