重卡用環槽鉚釘的性能研究

文博，桂顯明

眉山中車緊固件科技有限公司，四川眉山 620010

0 引言

現有重卡緊固連接方式一般使用半圓頭鉚釘、螺栓、環槽鉚釘進行緊固連接。國內多采用半圓頭鉚釘+螺栓連接方式，環槽鉚釘只是初步應用，如東風重卡、宏泰專用汽車、昌驊專用車等。環槽鉚釘連接技術作為一種成熟可靠的新型拉鉚連接技術，在國外重卡行業已得到了大批量的推廣運用，如Mack、奔馳、斯堪尼亞、萬國、沃爾沃等重卡巨頭都在重卡底架、懸掛等需要防松的部位大量使用短尾環槽鉚釘。

1 環槽鉚釘介紹

相較于半圓頭鉚釘和螺栓連接，環槽鉚釘新型鉚接技術具有安裝簡單快速、強度高、軸力穩定、防松性能好等顯著優勢，適用于重型載貨汽車車架、大客車底盤等載荷要求較高的行業。經過多年的努力研究，終于實現了環槽鉚釘的國產化，制定了GB/T 36993—2018《環槽鉚釘連接副技術條件》國家標準，并將環槽鉚釘推廣應用到各個領域。

1.1 鉚接原理

環槽鉚釘利用虎克原理，采用鉚接工具擠壓套環發生塑性變形，將套環金屬擠入鉚釘環槽內，完成永久性連接，安裝示意如圖1所示。安裝步驟如下：

圖1 安裝示意

(1)鉚釘穿入安裝孔，套環套在釘桿上；

(2)鉚槍槍頭頂在釘桿尾部，使卡爪卡入拉槽；

(3)按住鉚接開關開始鉚接，鉚槍鐵砧擠壓套環，最快3 s完成鉚接；

(4)鉚接完成后，退出鉚槍。

1.2 鉚接設備

鉚接設備有智能液壓泵站(圖2)、高壓油管、鉚接槍(圖3)。鉚接工作時，液壓泵站輸出壓力，通過高壓油管傳遞到鉚接槍，推動槍頭擠壓套環完成鉚接。

圖2 智能液壓泵站

圖3 鉚接槍

2 重卡緊固連接方式

國內重卡常見半圓頭鉚釘+螺栓連接方式如圖4所示。其成本較低，但半圓頭鉚釘性能較低，在承受交變載荷等復雜工況時，螺栓和半圓頭鉚釘松脫和斷裂的風險較大，實際使用時，需要定期檢查螺栓和鉚釘是否緊固，并及時進行維護。圖5為國內某款重卡采用環槽鉚釘進行連接，具有強度高、軸力穩定的優勢，且由于環槽鉚釘的結構具有很好的防松性能，無須經常檢查維護，節約維護成本。

圖4 半圓頭鉚釘+螺栓連接方式

圖5 環槽鉚釘連接方式

3 環槽鉚釘對比分析

3.1 強度對比

環槽鉚釘和螺栓相對于半圓頭鉚釘具有較高的強度和抗剪性能，表1為M14鉚釘和螺栓的性能對比。由表中的數據可以看出，半圓頭鉚釘機械性能最低，與螺栓和環槽鉚釘相差較大，環槽鉚釘的抗剪力比螺栓高出20%左右，重卡貨車飛機梁等主要部位緊固件受力主要為剪切力，所以環槽鉚釘性能最好。

表1 M14鉚釘和螺栓的性能對比

3.2 軸力穩定性

在同等規格條件下，環槽鉚釘能提供更大的軸力，且具有良好的軸力穩定性。鉚釘和螺栓的軸力對比曲線如圖6所示。由圖可以看出，10.9R環槽鉚釘的軸力較同等級的螺栓提升了20%，與12.9級螺栓相當;同等級環槽鉚釘軸力浮動在10%以內，螺栓軸力浮動卻超過30%。在同一應用條件下，環槽鉚釘能夠有效減少鉚接數量，在結構輕量化設計的同時提供更高的連接強度，提升結構可靠性。

圖6 鉚釘和螺栓的軸力對比曲線

3.3 防松性能

防松性能對比如圖7 所示。由圖可以看出，環槽鉚釘與傳統螺栓相比能有效消除釘桿與套環之間的橫向間隙，具有良好的防松性能。因此，環槽鉚釘適用于重卡底架、橋梁建筑、城軌車架等長期承受振動的結構，能有效提升結構整體的安全性和防松性能。通過橫向振動試驗驗證螺栓和環槽鉚釘的防松性能，規格M16，頻率12.5 Hz，振幅1.6 mm，振動時間90 s，螺栓很快松動，環槽鉚釘剩余夾緊力仍然大于70%。

圖7 防松性能對比

3.4 抗疲勞性能

圖8為環槽鉚釘與普通螺栓牙型對比。由圖可以看出，環槽鉚釘牙底高度比普通螺栓螺紋高出50%以上，且牙型圓滑過渡，所受應力比螺栓減少30%以上。從配合面積來看，環槽鉚釘整個環槽無間隙配合，螺栓螺母有間隙單面配合，環槽鉚釘連接副接觸面積約為普通螺栓螺母連接的2倍。因此，環槽鉚釘具有較高的抗疲勞性能。

圖8 環槽鉚釘與普通螺栓牙型對比

3.5 環境適應性

環槽牙型與外界隔絕，阻止腐蝕物質進入;螺旋牙型與外界連通，腐蝕物質容易進入。在經過長時間的耐腐蝕試驗后，高強螺栓的性能下降了50%以上，環槽鉚釘性能只下降了10%左右。

螺栓和環槽鉚釘腐蝕對比如圖9所示。由圖可以看出：環槽鉚釘與套環接觸區間的牙型與鉚接前保持一致，并未腐蝕；螺栓的整個牙型都隨著試驗時間的增加發生了不同程度的腐蝕。

圖9 螺栓和環槽鉚釘腐蝕對比

螺栓和環槽鉚釘防腐蝕性能對比曲線如圖10所示。由圖10a可以看出，隨著時間的增加，鉚釘的拉脫力幾乎沒有什么改變，而螺栓的拉脫力卻呈現明顯減小的趨勢。

圖10 螺栓和環槽鉚釘防腐蝕性能對比曲線

由圖10b可以看出，環槽鉚釘具有良好的環境適應性，能夠適應極端的天氣和溫度變化。研究試驗發現，環槽鉚釘能在-60 ℃和70 ℃環境中能夠保持良好的力學性能和疲勞性能。同時，環槽鉚釘在一些極端高溫條件下也具有比高強螺栓更好的力學性能，能夠有效適應各種嚴酷的使用環境。

4 環槽鉚釘應用分析

4.1 重卡緊固件分布

某重卡車架緊固件分布如圖11所示，圖中飛機梁(部件a,b)與兩側大梁連接部位應用鉚釘較多，承受較大的剪切載荷。整車使用鉚釘規格為14 mm，鉚接厚度在14～16 mm，每個飛機梁連接處使用鉚釘數量為11～16顆。

圖11 某重卡車架緊固件分布

4.2 綜合性能分析

表2為環槽鉚釘與半圓頭鉚釘和螺栓連接綜合性能對比。由表可以看出，環槽鉚釘具有明顯優勢。

表2 環槽鉚釘與半圓頭鉚釘和螺栓連接綜合性能對比

5 結束語

環槽鉚釘相較于半圓頭鉚釘和螺栓連接，具有較高的機械性能、防松性能和軸力穩定性，以及操作簡單、安裝快速、生產效率高等顯著優勢，適合用于重型載貨汽車車架、客車底盤等載荷要求高的行業。隨著國內汽車技術發展，環槽鉚釘的國產化推廣必將在國內汽車行業得到廣泛應用。