某特種車轉向器螺栓松動實例分析與改進

李海蛟，居剛，章健國，黃先科，李文博

某特種車轉向器螺栓松動實例分析與改進

李海蛟，居剛，章健國，黃先科，李文博

（安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車研究院，安徽 合肥 230601）

在汽車行業中，螺栓松動是螺栓連接最常見的故障形式之一。螺栓松動會對連接部件產生嚴重的影響，危及行車安全。文章對某特種車轉向器固定螺栓松動的實際案例進行分析計算，探究螺栓緊固力、摩擦系數與擰緊力矩的關系，依此提出相應的優化方案，并進行試驗驗證。文章詳細闡述了螺栓摩擦系數、連接件材料強度、擰緊力矩等因素對螺栓松動的影響，表明調節螺栓摩擦系數、擰緊力矩以及連接件材料強度是改善防松效果的有效措施。

轉向器；螺栓松動；摩擦系數；擰緊力矩

前言

螺栓連接是汽車行業中最為普遍的一種零部件連接方式。該連接方式有著便于拆裝、維修容易的優點[1]。但是，螺栓連接容易出現松動現象。當螺栓松動時，螺栓會受到彎曲交變載荷的沖擊，使螺栓表面產生裂紋，并逐步擴展至芯部，最終產生斷裂[2]，嚴重影響車輛的安全性能。

文獻資料表明[3]，導致螺栓松動的原因主要有：（1）支撐面壓潰，產生塑形變形導致螺栓松動；（2）螺栓的共振迫使螺紋面產生塑形變形導致松動；（3）外載荷的作用下，螺母自動回轉，引起松動。但是，目前對螺栓松動機理的探究大多在已確定載荷（方向、振幅、頻率）的模擬試驗上進行，而實際路況中，車輛所受載荷較為復雜，特別是較為惡劣的路況，很難用單一載荷進行模擬。因此，本文結合特種車路試過程中的試驗問題，對轉向器螺栓松動進行實例分析。

1 轉向器螺栓松動實例分析

某8×4重型特種車輛在進行越野路試驗時，轉向器固定螺栓產生松動現象。本文通過對該處螺栓設計情況進行防松分析，探究轉向器螺栓松動的故障原因，并提出優化措施，為解決同類問題提供可參考的途徑。

1.1 螺栓松動原理分析

首先，對螺栓松動的原理進行分析。螺栓緊固時，需要克服螺栓與各連接接觸面的摩擦力，通常包括螺紋副中的摩擦力和支撐面的摩擦力。也就是說，螺栓的擰緊力矩為螺紋副中的摩擦力矩1與支撐面的摩擦力矩2之和。即公式：

=1+2（1）

根據文獻資料[2]，公式（1）中，1與2可由下式表達：

故總扭矩可表達為：

式中，為緊固力；2為螺紋中徑；d為支撐面等效摩擦直徑；為牙型半角；為螺紋升角；為螺距；μ為支撐面摩擦系數；μ為螺紋副摩擦系數。螺紋副摩擦系數和支撐面摩擦系數大致相當，由式（4）可知，當扭矩一定時，螺栓緊固力與摩擦系數成反比[4]。對公式（4）進行轉化，螺栓緊固力與摩擦系數存在如下關系：

按照公式（5），以一定的扭矩擰緊螺栓，當螺栓的摩擦系數增大時，螺栓的緊固力減小，當緊固力小于螺栓所需要的夾緊力，就會產生松動。

但是，螺栓的摩擦系數也并非越小越好。緊固軸力受螺栓的規格所限有一個上限值，當螺栓的摩擦系數減小，擰緊力矩的上限值就會減小，此時，絕大部分擰緊力矩用來抵抗摩擦力，實際作用于防松部分的擰緊力矩很小，導致螺栓的防松性能下降。因此，在螺栓防松設計中，要達到較好的防松效果，除了設定適當的擰緊力矩外，必須選擇合適的螺栓摩擦系數，保證擰緊力矩能夠達到設定值，使螺栓的緊固力大于防松所需要的夾緊力，取得良好的防松效果。

1.2 轉向器固定螺栓松動實例計算

上文分析了螺栓預緊力與摩擦系數的關系。在實際應用過程中，車輛使用工況較為復雜，同時，各零部件受力情況也有很大的差別，需要進行具體案例具體分析。下文根據轉向器固定螺栓松動的具體案例進行計算分析。

轉向器的緊固方式為：通過5顆M20×1.5的螺栓穿過轉向器連接板，擰入轉向器支架上的螺紋孔將轉向器與轉向器連接板緊固在一起。轉向器最大輸出力矩6 847 Nm，垂臂長度286 mm。轉向器固定螺栓的位置及尺寸如圖1所示。根據圖1可以得出，轉向器上5顆緊固螺栓安裝孔與輸出軸的位置分別為：1=172.27 mm，2=89 mm，3=147.5 mm，4=172.27 mm，5=89 mm。

圖1 轉向器固定螺栓的位置及尺寸圖

轉向器螺栓安裝方式為先風槍預緊，然后采用定扭扳手按（500±50）Nm擰緊，其連接副信息如表1所示：

表1 轉向器固定螺栓連接副信息表

連接副名稱連接副信息 轉向器轉向器自攻螺紋深度31 mm，殼體為鑄件，材料QT500 連接板轉向器連接板厚23 mm，材料為Q235 轉向器固定螺栓M20×1.5×45（六角頭與內六角均為該規格），達克羅表面處理

首先計算轉向器固定螺栓所需要的最小夾緊力。轉向器輸出端的力矩載荷是固定螺栓的主要受力源，按照圖1的螺栓位置尺寸，可得：

式中，k為可靠性系數[5]（考慮接觸面摩擦不穩定等因素，一般取1.2～1.5），T為轉向器外載荷，1為1點螺栓的軸向緊固力，1為1點螺栓軸心相對輸出軸的扭矩半徑（2點至5點螺栓的緊固軸力與扭矩半徑以此類推），μ為轉向器安裝板和轉向器支架接觸面摩擦系數。在此連接副中，μ取2.0，k取1.5，T取6 847 Nm，假定單個轉向器固定螺栓所需的夾緊力Fmin相等，即Fmin=1=2=3=4=5，整理公式Fmin可表達為：

將數據帶入式（7），可得：Fmin=76.6 kN。即轉向器固定螺栓所需要的最小緊固力為76.6 kN。

表2 轉向器固定螺栓信息表

螺栓規格等級連接板安裝孔徑dh螺栓支撐面外徑dm螺紋中徑d2摩擦系數μ應力截面積A0屈服強度σ M20×1.5×4510.9級21 mm30 mm19.026 mm0.15～0.30272 mm2940 MPa

再計算螺栓所提供最小預緊力Fmin，轉向器固定螺栓信息表如表2所示。

轉向器固定螺栓表面為普通達克羅，頂端涂不帶摩擦控制的潤滑劑，支撐面摩擦系數μ與螺紋副摩擦系數μ近似看作，該值范圍為0.15～0.30，按預緊力最小時進行取值，即為=μ=μ=0.30。支撐面等效摩擦直徑d按照公式（8）進行計算：

可得d=25.74 mm。根據公式（6），取=30°，擰緊力矩取下限值450 Nm，帶入數值，可得：

根據式（9）計算，Fmin=60.9 kN。經對比，Fmin=60.9 kN<Fmin=76.6 kN，即螺栓最小緊固力小于螺栓所需的夾緊力，螺紋在外載荷的情況下有滑移風險，防松性能較差。

同時，進行連接件強度校核，在極限情況下，取550 Nm，摩擦系數取0.15，根據公式（6），計算可得最大緊固力Fmax=144.1 kN。螺栓頭下支撐面壓強max計算如下：

而連接板的材料為Q235，屈服強度P為235 MPa，max＞P，連接板有受壓屈服變形的風險。此時螺栓頭部與基體接觸面產生塑形變形，導致螺栓夾緊力衰減，產生松動。

1.3 轉向器固定螺栓改進措施

根據上文計算結果，影響螺栓緊固力不足的因素是螺栓擰緊力矩與摩擦系數。適當增大擰緊力矩值，同時減小摩擦系數，并降低摩擦系數散差，可以有效地增大螺栓緊固力。影響連接板支撐面壓強過大的因素是螺栓軸向力與接觸面積。在緊固力增大的前提下，可以通過增大螺栓接觸面積來減小壓強，或者增強連接件材料，提高連接件的屈服強度。根據分析結果，按照以下措施進行整改：

（1）螺栓緊固力矩調整為（550±50）Nm；

（2）減小螺栓摩擦系數并控制散差，通過涂覆摩擦控制潤滑劑，摩擦系數控制在0.12～0.18；

（3）增強連接板材料，更換為45號鋼；

（4）采用同規格法蘭面螺栓，螺栓支撐面直徑d為40 mm。

1.4 轉向器固定螺栓整改驗證結果

1.4.1理論驗證

按照整改狀態進行計算，根據公式（9），算得Fmin=110.4 kN，與螺栓所需的最小夾緊力進行對比，可得Fmin=110.4 kN>Fmin=76.6 kN，滿足使用要求。

根據公式（9）、（10），Fmax=221 kN，max=243.1 MPa，45號鋼的屈服強度P為355 MPa，二者進行對比，max<P，滿足使用要求。

1.4.2可靠性試驗驗證

按以上整改措施，對兩臺試驗樣車進行整改優化。完成后在越野路、強化路等多種試驗條件下進行驗證。兩臺樣車驗證里程均在10 000 km以上，驗證具體工況及結果如表3所示，試驗過程中未出現轉向器固定螺栓松動、斷裂等故障，整改效果明顯。

表3 可靠性驗證工況及結果 單位：km

樣車編號越野路里程強化路里程高環試驗里程高溫試驗里程高寒試驗里程其他道路里程總里程驗證結果 1#樣車3 5062 8864 850002 45613 698無松動 2#樣車07402091 9895 1322 50010 570無松動

2 結論

（1）通過理論計算，分析了螺栓緊固力與摩擦系數、擰緊力矩的關系，表明摩擦系數以及擰緊力矩是影響螺栓松動的主要因素。摩擦系數不宜太大，也不宜太小，控制在0.12～0.18較為合適。

（2）以轉向器固定螺栓為例，根據其實際載荷，分別計算螺栓所需的夾緊力與實際提供的緊固力，進行對比分析，確認松動原因為摩擦系數與擰緊力矩設定不當，依此制定相應的整改措施，并進行理論與試驗驗證，有效地改善螺栓的防松性能，同時也為此類問題的分析提供了理論參考。

（3）通過計算螺栓頭接觸面壓強，與接觸面材料的屈服強度進行對比，論證了螺栓接觸面壓強對螺栓松動的影響，依此制定相應的改善措施，并進行理論與試驗驗證，進一步改善螺栓的防松性能。

[1] 張鵬,賢業飛,崔征宇.螺栓防松技術研究[J].工業與信息化,2019(7): 123.

[2] 武永亮,郭海霞.摩擦系數對于輪胎螺栓防松性能的影響[J].汽車工藝與材料,2018(3):32-35.

[3] 于俊輝,李維榮,許昊.螺栓摩擦系數對連接松動性能影響的實驗研究[J].機電產品開發與創新,2015,28(3):10-12.

[4] 孫紀偉.螺栓裝配扭矩控制方法及其應用分析[J].內燃機與配件, 2019(4):102-104.

[5] 李祥喜.分析擰緊力矩對后橋輪胎螺栓斷裂的影響[J].汽車實用技術,2017(17):114-117.

Analysis and Improvement of Steering Gear Fixing Bolt Loosening in Special Vehicle

LI Haijiao, JU Gang, ZHANG Jianguo, HUANG Xianke, LI Wenbo

( Heavy Commercial Vehicle Academe of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Loosening is one of the most commom form of failure in bolted connections in automobile trade. The lossening of bolts have severe effects on connected parts, which endangered driving safety. This paper analyzes the cause of loose bolts, and research the relationship between bolt tightening force, friction coefficient and tightening torque by theoretical calculation. The article calculates the actual case such of steering gear fixing bolt loosening of a special vehicle. Than the optimization plans have been proposed and the experiments have been completed after analyzed. The article elaborated the effects of bolt friction coefficient ,material strength of joints, tightening torque and other factors on bolt loosening, which indicates having a effective measure on the improvement of anti-losseness effect.

Steering gear;Bolt loosening;Friction coefficient;Tightening torgue

A

1671-7988(2021)22-75-03

U464.133+.2

A

1671-7988(2021)22-75-03

CLC NO.: U464.133+.2

李海蛟，男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車研究院，主要負責汽車底盤設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.019