汽車底盤高強度螺栓的擰緊與防松研究

馮興雙

摘 要：隨著社會經濟的快速發展，汽車已經成為非常普及的交通工具。本文就汽車底盤高強度螺栓的裝配開展深入的研究和分析工作，分析了影響汽車底盤高強度螺栓防松性能的主要因素，并提出了具體的螺栓防松策略，以期能保障車輛的安全行駛。

關鍵詞：汽車底盤；高強度螺栓；防松

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.183

0 引言

汽車底盤是汽車的重要組成部分，起到了支撐汽車、形成汽車整體造型和接受發動機動力等關鍵作用。目前，汽車底盤的生產裝配用到了大量高強度螺栓，這些螺栓的連接質量直接關系到汽車的行駛安全。如果高強度螺栓出現松動的情況，車輛就很可能出現損壞、翻車等事故，甚至危及到乘客和駕駛員的人身生命安全。

1 影響汽車底盤高強度螺栓防松性能的因素

1.1 螺栓頭部結構

汽車底盤螺紋緊固件的類型比較多，按照螺栓的防松形式可分普通六角頭螺栓、六角法蘭螺栓、六角頭螺栓和平墊圈組合件、六角頭螺栓和彈簧墊圈組合件、六角頭螺栓和平墊圈彈簧墊圈組合件5種。由于頭部結構不同，各種螺栓頭部與連接件接觸的外徑也有著較大區別。在普通螺紋的連接上，一般來說，螺紋頭部的外徑越大，其接觸面的面積越大，螺栓的摩擦力矩也就相應得越大。

1.2 彈簧墊圈

通過對帶彈簧墊圈的螺栓進行力學仿真實驗發現，彈簧墊圈在螺紋連接中容易出現局部接觸較小、支承面較小的情況，以及開口端容易壓饋的問題，最終造成螺栓的軸向力下降，彈簧墊圈的防松性能下降。同時，彈簧墊圈具備彈性作用，可在一定程度上補償因連接件變形而減小的軸向力，可見彈簧墊圈對于汽車底盤高強度螺栓能夠起到一定的防松作用。

1.3 支承面接觸狀態

在實際的裝配過程中發現，螺栓與被連接件表面貼合得不均勻，會對螺栓的連接強度構成一定影響，導致螺栓荷載分布出現問題。螺栓與連接件的接觸面較小，將會導致局部應力集中，使材料表面出現壓饋，最終影響螺栓的預緊力大小。影響支撐面接觸狀態和摩擦系數的原因很多，首先是被連接件的表面處理方式，如表面鍍層厚度、鈍化層處理、強度等級等，會直接影響到支承面粗糙度及摩擦系數，導致螺栓防松性能受到一定程度的影響。其次是螺栓頭部結構，如前文所述，頭部結構決定了支承面的接觸面積，以及軸向力補償作用的大小，對防松性能有很大影響。在預緊力比較大的情況下，防松性能由高到低的順序依次為：六角法蘭螺栓；六角頭和平墊圈組合件；六角頭、平墊和彈簧墊圈組合件；六角頭和彈簧墊圈組合件；普通六角頭螺栓。

2 汽車底盤高強度螺栓防松策略

2.1 擰緊扭矩

在汽車生產裝配過程中，為了提高螺栓聯接的可靠性，應讓螺栓聯接副保持一定的軸向夾緊力，即預緊力。受各方面因素影響，直接控制預緊力存在一定難度，最經濟可行的方案就是控制扭矩，以間接實現對軸向預緊力的調控。螺栓擰緊實際上是一個克服各種摩擦的過程，在擰緊扭矩中，大約90%的緊固扭矩被用于克服螺紋及支承端面的摩擦扭矩，導致真正的夾緊力只有10%左右，若通過潤滑方式減少摩擦損耗，則夾緊力增大，但過大的軸向力有可能造成螺栓產生屈服變形或被拉斷，因此，必須將摩擦系數控制在一個合理、穩定的范圍，從而使預緊力也維持在一個比較合理的范圍之內。此外，螺紋副含有雜質會導致螺栓聯接在承受高強度瞬時沖擊時產生微小位移，而瞬間造成擰緊扭矩減少或消失，進而逐漸造成螺栓松動，因此防止螺紋副混入雜質也是控制擰緊扭矩的一個重要方面。

2.2 預防彈力松弛

彈力松弛是汽車底盤高強度螺栓出現松動的主要原因。因此，為防止由于彈力松弛而產生的松動，必須在高強度螺栓所聯接的機械設備運行一段時間之后進行補償擰緊，消除彈力松弛造成的松動。比如，對平衡軸U型螺栓擰緊扭矩進行定期復緊，充分避免高強度螺栓松動對汽車性能造成的影響。

2.3 控制橫向載荷

為控制高強度螺栓的橫向載荷，可以通過增加防松附件的方式增大螺栓與螺母之間的摩擦力，阻止螺栓或者螺母的轉動。目前，汽車底盤高強度螺栓比較常見的增加附件有鎖片、開口銷、雙螺母、竄鋼絲以及螺紋膠（微膠囊型粘接劑）等，根據汽車底盤的實際情況，可適當地進行選用，從而顯著減少振動等造成的螺栓松動問題。

2.4 完善表面處理

螺栓接受不同的表面處理，其夾緊力存在很大區別。其中，摩擦系數越小，防松性能越差。對比鍍鋅D級鈍化層的高強度螺栓與摩擦系數為0.13的達克羅螺栓，在2分鐘后前者的軸向力出現約0.05%的降幅，同時夾緊力進入相對穩定的狀態；而在2分鐘后后者的軸向力降幅高達1.25%，且夾緊力仍在持續衰減之中。可見，摩擦系數對防松性能有重要影響。因此，對于同一型號的螺栓，應結合其實際的防松需求，選擇恰當的表面處理手段，同時盡可能減少摩擦系數的散差，以防因摩擦系數波動而降低防松性能穩定性。

2.5 工程防松措施

除上述預防和處理措施之外，還可以采取工程防松措施，以提升高強度螺栓防松效果，降低汽車底盤各固件運行過程中所產生的振動對高強度螺栓的影響。比如，可以采用長螺栓與厚墊圈或者套筒的組合方式，避免高強度螺栓松動。其次，可以選用螺栓頭部端面帶齒的螺栓，使螺栓上的徑向棘爪嵌入連接件的材料內，從而防止螺栓的自行松動。也可以選用凹凸成對的新型墊圈，與彈簧墊圈配合使用，這樣也能夠有效地降低振動影響，緩解高強度螺栓的松動問題。

3 結語

綜上所述，汽車底盤高強度螺栓防松性能的影響因素眾多，對此，應采取以下策略：合適的擰緊扭矩、預防彈力松弛、控制橫向載荷、完善表面處理、采用工程防松措施，從而改善螺栓防松性能，確保汽車行車安全。

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