某車型下擺臂連接螺栓滑絲問題分析及改進(jìn)

梁成成

山西工程職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山西太原 030009

0 引言

懸架系統(tǒng)在車輛行駛中起著非常關(guān)鍵的作用，直接影響車輛行駛的安全性、穩(wěn)定性、操控性及平順性[1]。麥迪遜獨立懸架系統(tǒng)是汽車廠家使用最廣泛的懸架形式之一，主要由螺旋彈簧、減震器、下擺臂及緊固螺栓螺母組成。下擺臂是麥迪遜獨立懸架系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵安全部件，通過球頭銷、螺栓螺母等方式連接汽車車身與車輪，起著可靠連接、穩(wěn)定行駛、靈活轉(zhuǎn)向的作用，下擺臂出現(xiàn)連接失效問題則會導(dǎo)致汽車底盤異響、方向盤跑偏、車身失穩(wěn)等故障，而在車輛高速駕駛、雨天駕駛或轉(zhuǎn)彎過程中，則會帶來重大交通安全隱患[2]。

1 問題描述

某型乘用車下線后在廠內(nèi)扭曲路面道路進(jìn)行測試時，發(fā)現(xiàn)部分車輛底盤前部有異響，檢查發(fā)現(xiàn)懸架系統(tǒng)下擺臂連接螺栓與副車架鈑金支架上的焊接方螺母出現(xiàn)滑絲失效，引起下擺臂部分脫落，脫落位置如圖1a所示，失效的下擺臂如圖1b所示。更換下擺臂及緊固螺栓及螺母后再進(jìn)行路試，未見異響發(fā)生，確定異響問題由下擺臂與副車架支架連接失效引起。

圖1 下擺臂及脫落位置

通過分析下擺臂連接螺栓的連接結(jié)構(gòu)，判斷該滑絲問題發(fā)生在下擺臂和副車架裝配過程中。拆卸更換下來的失效件，發(fā)現(xiàn)焊接螺母內(nèi)螺紋均出現(xiàn)滑絲損壞，螺栓與螺母擰緊后嚙合的螺牙出現(xiàn)滑絲損壞，未見螺栓存在拉伸“頸縮”變形等明顯的外觀問題?；z的螺栓和螺母如圖2所示。

圖2 滑絲的螺栓和螺母

2 滑絲原因分析

下擺臂與副車架支架是被螺栓及螺母緊固連接在一起的，正常情況下，兩者看作一個零件。螺紋發(fā)生滑絲，說明螺栓及螺母擰緊后所受到的最大擰緊力大于其螺紋所能承受的剪切抗力，即實際擰緊力過大，超過設(shè)計的擰緊力最大值，或者螺栓及螺母的螺紋強(qiáng)度不足。導(dǎo)致螺紋滑絲的因素有很多，根據(jù)上述問題描述及初步分析，筆者采用魚骨圖對螺紋滑絲原因進(jìn)行依次排查及深入分析。

滑絲螺栓是六角法蘭面粗桿帶導(dǎo)向螺栓，其規(guī)格為M14×1.5，材質(zhì)為SCM435，性能等級10.9級，表面涂覆環(huán)保達(dá)克羅，摩擦系數(shù)范圍為0.12±0.03。螺母為標(biāo)準(zhǔn)I型方型螺母，其規(guī)格為M14×1.5，材質(zhì)為SCM435，性能等級為10級。方螺母焊接到鈑金支架后進(jìn)行電泳處理，摩擦系數(shù)為0.12±0.03。下擺臂連接螺栓與副車架鈑金支架上焊接螺母緊固時，要求擰緊扭矩為（185±15） N·m。

通過魚骨圖分析了造成螺紋滑絲的可能原因，如圖3所示。

圖3 魚骨圖

2.1 人員操作排查

通過現(xiàn)場核實，下擺臂安裝工位操作人員均是經(jīng)過崗前專業(yè)培訓(xùn)的老員工，現(xiàn)場按照裝配作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行規(guī)范操作，未見螺栓及螺母重復(fù)擰緊情況，緊固螺栓自帶導(dǎo)向，也不存在未對中而偏心擰緊問題。因此，排除人員不規(guī)范操作因素。

2.2 機(jī)械設(shè)備排查

機(jī)械設(shè)備主要涉及擰緊機(jī)，該擰緊機(jī)已完成校準(zhǔn)，且在有效期內(nèi)。核查擰緊機(jī)輸出精度，發(fā)現(xiàn)該擰緊機(jī)標(biāo)定的輸出扭矩波動范圍不大于設(shè)定扭矩值的±5%，精度滿足要求?，F(xiàn)場隨機(jī)抽取部分螺栓及螺母，對擰緊機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行SPC過程統(tǒng)計分析，已驗證其輸出的穩(wěn)定性；過高的扭矩會造成螺紋滑牙，而擰緊機(jī)過程能力指數(shù)（CPK）=1.69＞1.33，說明擰緊機(jī)輸出扭矩穩(wěn)定性良好[3-4]，因此，擰緊機(jī)的精度和穩(wěn)定性滿足要求，排除擰緊機(jī)設(shè)備因素。

2.3 材料排查

緊固件材料不合格會直接影響其使用性能?，F(xiàn)對滑絲失效螺栓及螺母的材質(zhì)采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢驗分析，結(jié)果見表1。SCM435鋼是一種日本牌號的合金結(jié)構(gòu)鋼，含有Cr、Mo等提高淬透性和屈服強(qiáng)度的合金元素，其經(jīng)常用來制造10.9～12.9級高強(qiáng)度的螺栓和螺母[5]。由表1可知，滑絲螺栓及螺母化學(xué)成分均符合日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G4053—2008對SCM435鋼化學(xué)成分的要求，因此，排除螺栓和螺母材質(zhì)問題。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果 單位：%

2.4 設(shè)計方面排查

螺栓及螺母緊固后受到的擰緊力過大，會直接導(dǎo)致螺紋滑絲，現(xiàn)通過理論計算校核設(shè)計的擰緊力是否合理。

螺栓擰緊后，螺紋承受的擰緊力公式如下：

式中，T為擰緊扭矩，（185±15）N·m；d2為螺栓中徑，13.026 mm；P為螺距，1.5 mm；μ為螺栓摩擦系數(shù)，0.09～0.15；Dm為螺母安裝面等效摩擦半徑，11.68 mm；fm為螺母安裝面摩擦系數(shù)，0.09～0.15。

將以上參數(shù)代入公式，可以得出，摩擦系數(shù)0.09時，軸向力Fb為115.62～127.79 kN；摩擦系數(shù)0.15時，軸向力Fb為81.01～95.31 kN。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.2—2000《緊固件機(jī)械性能螺母粗牙螺紋》要求，M14×1.5規(guī)格的10級螺母保證載荷為M14x15規(guī)格的10級螺母保證載荷為：在138.8 kN拉力作用下，保持1 SS，能用手而不借助外力擰下螺母。通過螺母保載要求與設(shè)計的擰緊力比較，可以看出設(shè)計的擰緊力合理，因此，排除擰緊力設(shè)計過大導(dǎo)致滑絲的因素。

2.5 環(huán)境方面排查

總裝車間裝配現(xiàn)場及線邊物料均實施6S管理，故障件及同批次螺栓和螺母螺紋上未見油污、鐵屑等雜質(zhì)，同批次螺栓及螺母也未見明顯螺紋磕碰痕跡。因此排除環(huán)境問題因素。

2.6 尺寸及性能檢測方面排查

2.6.1 尺寸檢驗

緊固件內(nèi)外螺紋尺寸超差，如螺栓外徑偏小或螺母內(nèi)徑偏大，都會造成螺紋嚙合面積的減小，在擰緊力作用下就會產(chǎn)生滑絲。對同批次螺栓及螺母抽樣進(jìn)行ISIR全尺寸檢測發(fā)現(xiàn)，螺栓尺寸全部符合圖紙要求；而螺母內(nèi)螺紋孔口2～3牙處的直徑尺寸在φ13.1 mm左右（標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)孔尺寸為12.376～12.676 mm），且孔口呈喇叭口狀。因此，螺母內(nèi)徑尺寸偏大是產(chǎn)生滑絲的要因。

2.6.2 力學(xué)性能檢驗

（1）緊固件硬度不足，在擰緊力作用下很容易發(fā)生彎曲變形，從而引起螺紋滑絲。對失效的螺栓及螺母進(jìn)行維氏硬度檢測，分別選取3點打硬度，螺栓實際測量值為HV345、HV349、HV342，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》對10.9級螺栓HV320～380的要求；螺母實際測量值為HV336、HV343、HV352，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.2—2000對10級1型螺母HV295～353的要求。

（2）螺栓硬度和抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān)，螺栓抗拉強(qiáng)度超差，也會引起螺紋滑絲。由于螺栓螺紋已拉脫，不能在失效件上進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測，現(xiàn)隨機(jī)抽取同批次3根螺栓檢驗，抗拉強(qiáng)度實測值為1200 N/mm2、1198 N/mm2、1187 N/mm2，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1—2010對10.9級螺栓≥1040 N/mm2的要求。

（3）螺母強(qiáng)度較弱，也會引起螺紋滑絲。由于螺母內(nèi)螺紋已拉脫，不能在失效件上檢測，現(xiàn)隨機(jī)抽取同批次3支螺母進(jìn)行破壞拉力試驗，當(dāng)擰緊力分別達(dá)到151 kN、144 kN、146 kN后在螺紋部分產(chǎn)生拉脫，破壞拉力均大于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.2—2000規(guī)定的138.8 kN，因此螺母保證載荷滿足要求。

螺栓及螺母力學(xué)性能滿足設(shè)計要求，因此排除力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)因素。

2.6.3 金相組織及脫碳檢驗

緊固件微觀組織缺陷及螺紋脫碳都會導(dǎo)致螺紋處硬度降低，在擰緊力作用下非常容易發(fā)生彎曲，從而引起螺紋滑絲。將失效螺栓在螺紋未拉脫部分進(jìn)行切割、鑲嵌、制樣后做金相檢驗[6]，其金相組織和螺紋脫碳分別如圖4a和圖4b所示；將失效螺母切割、鑲嵌、做樣后進(jìn)行金相檢測，其金相組織如圖4c所示。

圖4 緊固件金相組織及脫碳

對失效螺栓及螺母進(jìn)行微觀檢驗，其金相組織均為正常的回火索氏體，螺栓螺牙處未見脫碳、螺紋折疊等明顯的異常問題。因此，排除緊固件微觀組織缺陷及螺紋脫碳因素。

2.6.4 摩擦系數(shù)檢驗

摩擦系數(shù)對緊固件擰緊力有著重要的影響，同樣扭矩下不同摩擦系數(shù)產(chǎn)生的擰緊力不同，摩擦系數(shù)越小，實際產(chǎn)生的夾緊力越大[7]。分別選取同批次螺栓及螺母各5支，進(jìn)行摩擦系數(shù)測試，測試使用的是德國SCHATZ螺紋緊固試驗分析系統(tǒng)，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16823.3—2010《緊固件 扭矩-夾緊力試驗》進(jìn)行測試，螺栓總摩擦系數(shù)μTot分別為0.12、0.13、0.13、0.12、0.14，符合0.09～0.15的技術(shù)要求；螺母摩擦系數(shù)μTot分別為0.07、0.07、0.06、0.08、0.07，不符合0.09～0.15的技術(shù)要求，均低于技術(shù)要求的下限。螺母摩擦系數(shù)偏小的原因是其焊接到支架后經(jīng)過了電泳處理，而電泳處理沒有控制摩擦系數(shù)，導(dǎo)致其數(shù)值偏小。按μTot等于0.06計算，擰緊力已達(dá)到149 kN，擰緊后很容易導(dǎo)致螺紋滑絲問題。因此，螺母摩擦系數(shù)偏小是產(chǎn)生滑絲失效的要因。

3 建議措施

（1）對螺母內(nèi)徑尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，在條件允許的情況下，可以增加螺母高度提高螺紋的承載能力，這樣可以避免螺紋拉脫現(xiàn)象。

（2）嚴(yán)格控制焊接螺母電泳后的摩擦系數(shù)，或合理選擇裝配工藝，將擰緊力保持在螺栓的安全區(qū)域內(nèi)，保證夾緊件與被夾緊件完全緊固，從而杜絕滑絲問題的產(chǎn)生。

4 驗證

按上述建議措施整改后的螺母在實車試裝驗證后，連續(xù)批量裝車半月，未發(fā)生螺栓及螺母滑絲問題。