重卡螺栓聯(lián)接特性的設(shè)計研究

張媛　郭成杰

摘 要：隨著我國制造業(yè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，汽車制造業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模日益壯大。重型載貨卡車的生產(chǎn)數(shù)量逐年增多，螺栓作為重卡機械設(shè)計應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)件，在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。但由于我國國內(nèi)螺栓聯(lián)接特性的研究還處在初級階段，螺栓在聯(lián)接中失效問題頻發(fā)，給我國重卡汽車的安全性與穩(wěn)定性帶來了影響，本文通過從研究背景、國內(nèi)研究現(xiàn)狀、螺栓失效模式以及影響螺栓擰緊扭矩的因素分析入手，力圖找到失效問題的根源，從而提高重卡汽車的安全性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：重卡;螺栓;聯(lián)接特性;設(shè)計研究

制造業(yè)作為支撐國家經(jīng)濟的主體，制造業(yè)的興衰直接關(guān)系到國家經(jīng)濟的基礎(chǔ)，是一個國家的立國之本與強國之基，重型汽車制造業(yè)作為我國制造業(yè)的核心產(chǎn)業(yè)之一，其產(chǎn)品安全性、質(zhì)量穩(wěn)定性尤為重要。螺栓是重型卡車中最為常見螺紋緊固件，在重型卡車中廣泛應(yīng)用，其安全性直接影響著重型卡車的安全性與穩(wěn)定性，故重卡螺栓聯(lián)接特性的設(shè)計研究一直是汽車設(shè)計研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容。

1 研究背景

信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用推動工業(yè)革命再一次向前邁出步伐，跨入以信息技術(shù)廣泛滲透與深度應(yīng)用的信息化工業(yè)產(chǎn)業(yè)模式之中。汽車產(chǎn)業(yè)作為工業(yè)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，最先感受到產(chǎn)業(yè)革命帶來的創(chuàng)新與發(fā)展。

我國的汽車根據(jù)其用途途主要可以分為商用車與乘用車兩大類。[1]商用車又根據(jù)商業(yè)用途、載重方式與汽車結(jié)構(gòu)可以細化為貨車、半掛牽引車與客車三大類。其中貨車的生產(chǎn)比例在整個商用車中的比例較大，而且類別也比較多，其分類以總質(zhì)量作為其分類的標(biāo)準(zhǔn)，主要有總質(zhì)量大于14噸的重型載貨車，大于6噸小于等于14噸的中型載貨車，大于1.8噸小于等于6噸的輕型載貨車，還有小于1.8噸的微型載貨車。重型卡車作為載貨汽車的主要車型，但因載重巨大，危險性高的特點，其安全性在設(shè)計方面相對于智能化、輕量化、環(huán)保性、經(jīng)濟性等是因素排在首位。根據(jù)我國最新的商用貨車分類將重型卡車進行擴展，將半掛牽引車之中，本文研究螺栓聯(lián)接特性主要是針對重型載貨汽車與重型半掛牽引車的研究，以下的重型載貨汽車與重型半掛牽引車的研究中統(tǒng)一簡稱為重卡。

在重卡的機械設(shè)計中螺紋緊固件的數(shù)量在2000至4000件之間，類型達到150種以上，螺栓作為螺紋緊固件的重要組成部分，在數(shù)量上占到了了80%，具有穩(wěn)定性強、通用性高等方面的優(yōu)秀性能，廣泛應(yīng)用于重卡的機械應(yīng)用之中。重卡螺栓聯(lián)接在擰緊前和擰緊后的失效問題，成為重點卡車的安全性提高的關(guān)鍵問題之一。

但是我國國內(nèi)螺栓聯(lián)接特性的研究還處在初級階段，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較少，而國外重卡生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)由于單位的不同（國外采用英制，國內(nèi)采用公制），而無法為我國的重卡螺栓技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立提供參考，我國標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立只有依靠國內(nèi)學(xué)術(shù)界與重卡企業(yè)聯(lián)手進行探索，重卡螺栓聯(lián)接特性的設(shè)計研究也成為了當(dāng)前國內(nèi)重卡汽車設(shè)計領(lǐng)域研究的重中之重。

2 螺栓聯(lián)接特性國內(nèi)研究現(xiàn)狀

螺栓作為重卡汽車最為標(biāo)準(zhǔn)的零部件，在汽車的設(shè)計與生產(chǎn)過程中被廣泛應(yīng)用。在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織關(guān)于重卡生產(chǎn)與設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)中對螺栓在內(nèi)的所有標(biāo)準(zhǔn)件從尺寸和強度等多個方面進行了分類，并制定了標(biāo)準(zhǔn)件目錄表與標(biāo)準(zhǔn)件手冊。依據(jù)目錄表與手冊，可以清晰、明了地了解與選用所有規(guī)格的螺紋緊固件，尤其螺栓的選用過程變得更為簡潔、明了，從而使對于螺栓的設(shè)計成為了一種單純的選擇。

對于重卡汽車中的螺栓與螺母的選擇變成了參考國際重卡企業(yè)的類似產(chǎn)品與技術(shù)條件車型的選擇，而仿造性地選擇，忽略了螺栓在使用過程的摩擦系數(shù)、應(yīng)用環(huán)境、被聯(lián)接件情況等諸多實際影響因素。由于諸多實際影響因素在設(shè)計中的忽視，我國重卡汽車的螺栓聯(lián)接設(shè)計出現(xiàn)了扭矩不適應(yīng)，繼而容易產(chǎn)生了聯(lián)接失效，甚至產(chǎn)生整車失效等質(zhì)量事故。即便聯(lián)接失效現(xiàn)象沒有發(fā)生，對于設(shè)計的合理性由于影響因素的缺失而缺乏分析依據(jù)，從而造成由設(shè)計缺失而產(chǎn)生的浪費。

3 螺紋聯(lián)接的失效模式分析

螺紋聯(lián)接的失效模式的分類主要是依據(jù)失效的發(fā)生時間作為標(biāo)志，劃分擰緊過程中的失效與擰緊后的失敗。首先是擰緊過程中的失效主要體現(xiàn)在螺栓的斷裂失效、螺栓的螺紋失效以及被聯(lián)接件的被壓潰失效。[2]這部分的失效容易被觀察發(fā)現(xiàn)，可通過有針對性地方法在制作工序中控制不合格產(chǎn)品的應(yīng)用，從而避免事故的產(chǎn)生。其次是擰緊后的失效主要體現(xiàn)在螺栓的靜態(tài)斷裂失效、螺栓的延遲斷裂失效、螺栓的疲勞斷裂失效、螺栓和被聯(lián)接件間的腐蝕開裂失效、被聯(lián)接件的相對滑移失效、螺栓與被聯(lián)接件的分離失效以及螺栓的松動失效。[3]此環(huán)節(jié)的失效是難以觀測與發(fā)現(xiàn)，螺栓在擰緊后的失效通常發(fā)生在用戶的使用過程中，由于用戶專業(yè)知識的潰乏與使用過程中的多種因素的復(fù)雜性，失效情況發(fā)生率極高，對于重卡汽車的穩(wěn)定運行影響很大，導(dǎo)致傷亡事故的發(fā)生率增加，不僅會造成用戶的經(jīng)濟損失，同時也給汽車生產(chǎn)企業(yè)造成了巨大的負責(zé)影響。

4 螺栓擰緊扭矩的影響因素分析

4.1 螺栓的軸向預(yù)緊力與緊固扭矩之間的關(guān)系

通過對影響螺栓擰緊因素的分析，可以確定螺栓擰緊扭矩的范圍。第一步通過被聯(lián)接件上穿過螺栓，螺栓上輕輕地擰上螺母，在螺母的擰緊的時候，反作用同時在支承面與螺紋面出現(xiàn)，螺栓的軸向預(yù)緊力受摩擦系統(tǒng)的影響巨大。所以，為了避免螺栓松動現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而使螺栓軸向預(yù)緊力穩(wěn)定，不僅要充分關(guān)注螺栓的擰緊扭矩的控制，同時需要注意摩擦系數(shù)的考慮。同時摩擦系統(tǒng)主要包括支承面摩擦系數(shù)和螺栓摩擦系數(shù)兩個摩擦系數(shù)。因此，合理地控制支承面摩擦系數(shù)和螺栓摩擦系數(shù)這兩個摩擦系數(shù)，可以獲得較大的軸向預(yù)緊力。

4.2 螺栓聯(lián)接對于潤滑的影響

在螺栓擰緊的過程當(dāng)中，確定被聯(lián)接件與螺栓型號作為前提，扭矩系數(shù)決定了總摩擦系數(shù)。通過M14螺栓為例的分析，我們來直觀地觀測軸向預(yù)緊力在潤滑狀態(tài)與非潤滑狀態(tài)之間的差別，M14螺栓對邊尺寸為21毫米，公稱直徑為14毫米，螺紋中經(jīng)為13.65毫米，螺距為2毫米。假使擰緊扭矩為200牛米，在總摩擦系數(shù)為0.1的前提下，軸向預(yù)緊力大約為109.17牛米，扭矩系數(shù)大約為0.131;當(dāng)總摩擦系數(shù)為0.29時，軸向預(yù)緊力大約為42.48牛米，扭矩系數(shù)大約為0.336。通過計算測算與理論分析，在潤滑與非潤滑的兩種不同狀態(tài)下，總摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)數(shù)據(jù)差距比較大，即使擰緊力矩相同，螺栓的軸向預(yù)緊力也有很大的差別。

4.3 螺栓擰緊方法對扭矩影響

螺栓擰緊的常用方法主要有塑性區(qū)緊固法與扭矩緊固法兩種。首先，塑性區(qū)緊固法的應(yīng)用需要定扭矩擰緊設(shè)備等專業(yè)工具的使用，過程比較繁雜，但螺栓擰緊的精度比較高。其次是塑性區(qū)緊固法，此種方法操作難度比較低，對于其他設(shè)備與工具的要求也比較低，易于操作，但螺栓擰緊的精度也比較低。對螺栓實施擰緊力矩相同的條件下，只要在抗拉強度的范圍之內(nèi)，前者相較于后者得到的軸向預(yù)緊力更大，螺栓松動的現(xiàn)象不易出現(xiàn)。

方法一：扭矩緊固法，此種方法擰緊螺栓是采用對扭矩進行控制的方式，扭力扳手是其主要的實施工具，主要分為預(yù)置式扭力扳手、數(shù)顯式扭力扳手、擰緊機幾種。其中預(yù)置式扭力扳手可以對扭矩值進行精確設(shè)定，在達到設(shè)定值以后扳手會發(fā)出噠噠聲響，雖可保證下差的達到，卻無力監(jiān)控上差。數(shù)顯式扭力扳手提供了數(shù)值顯示，可以實現(xiàn)1%的精度。擰緊機的精度更高，可以實現(xiàn)0.5%。以上三種工具在使用中預(yù)置式扭力扳手應(yīng)用最為廣泛，占據(jù)了工具應(yīng)用總量的七層左右，4%精度控制可以滿足生產(chǎn)的需要，同時成本低、使用便捷的優(yōu)勢使其廣泛應(yīng)用的主要原因。扭矩擰緊法精確的控制不僅與工具有關(guān)，同時摩擦系數(shù)也有巨大的聯(lián)系，只有控制系數(shù)的偏差，螺栓聯(lián)接的穩(wěn)定性才可以得到保證。

方法二：塑性區(qū)緊固法，作為最新研究的方法，實現(xiàn)螺栓擰緊在屈服點之上，達到塑性區(qū)。其方法的主要原理是在螺栓上實施外載荷，保證螺栓最大抗拉強度大于軸向預(yù)緊力，軸向預(yù)緊力在初始階段越大，在擰緊后殘余的軸向預(yù)緊力也即將越大，螺栓的防松效果良好。通過控制擰緊過程中的角度與斜率，主要有角度緊固法與扭矩斜率緊固法兩種方法。

5 螺栓聯(lián)接的改進建議

通過上述的研究，在螺栓擰緊的改進過程中，擰緊扭矩的合理設(shè)計，擰緊工具與設(shè)備的選用適當(dāng)與否，決定著螺栓聯(lián)接的效果優(yōu)劣，結(jié)合研究與分析，以實現(xiàn)國內(nèi)重卡螺栓聯(lián)接質(zhì)量的提升，可以從下述幾個方面進行改進。

（1）在重卡汽車的關(guān)鍵聯(lián)接部件應(yīng)用潤滑劑，提高部件的潤滑效果，從而使螺栓、螺母乃至被聯(lián)部件的摩擦系數(shù)降低，使螺栓的摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，減低螺栓在擰緊中的損壞發(fā)生率，提高螺栓的軸向預(yù)緊力，降低螺栓松動現(xiàn)象的出現(xiàn)。

（2）應(yīng)用擰緊、停頓、靠緊、預(yù)緊等多種方式對重卡的重要部分的螺栓進行聯(lián)接，從而減少螺栓在擰緊后，力矩的減弱。

（3）加大信息技術(shù)對于螺栓聯(lián)接技術(shù)的分析，應(yīng)用分析軟件，找到螺栓聯(lián)接失效容易發(fā)生的位置，并結(jié)合軟件分析的結(jié)果，對于找到位置的螺栓在形狀上進行改進，以提高其強度與質(zhì)量，避免螺栓聯(lián)接失效情況的發(fā)生。

上述的改進建議是通過對于重卡汽車螺栓聯(lián)接的失效模式與螺栓擰緊扭矩的影響因素的分析基礎(chǔ)之上形成的改進方法，建議的實施有利于大幅度地提升螺栓的擰緊扭矩，降低螺栓擰緊扭矩的偏差，減少栓在擰緊后力矩的減弱情況的發(fā)生率，從而提升重卡螺栓聯(lián)接的效果。

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