汽車底盤系統(tǒng)螺紋聯(lián)接防松策略探究

摘 要：螺紋聯(lián)接是汽車底盤系統(tǒng)最廣泛的聯(lián)接方式，螺紋聯(lián)接技術(shù)是確保聯(lián)底盤聯(lián)接可靠性的最重要技術(shù)之一；緊固聯(lián)接松動(dòng)是螺紋聯(lián)接最常見(jiàn)的失效問(wèn)題，如何有效解決螺紋防松問(wèn)題一直是確保汽車底盤聯(lián)接設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；通過(guò)對(duì)螺紋聯(lián)接系統(tǒng)原理及敏感因素DOE分析，TOP3影響因素為摩擦系數(shù)（端面摩擦系數(shù)及螺紋摩擦系數(shù)）、螺栓伸長(zhǎng)量；對(duì)TOP3因素的防松策略進(jìn)行探究，提出汽車底盤系統(tǒng)螺紋聯(lián)接防松策略，以供行業(yè)參考。

關(guān)鍵詞：螺紋聯(lián)接系統(tǒng)原理 端面摩擦系數(shù) 螺紋摩擦系數(shù) 螺栓伸長(zhǎng)量

螺紋緊固件因其裝卸方便、復(fù)用性高被汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，在ISO、JIS中已形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；汽車底盤緊固螺紋在受到路面沖擊、交變載荷、溫度影響時(shí)，螺紋聯(lián)接副因磨損易導(dǎo)致聯(lián)接返松問(wèn)題；隨著汽車行駛里程的增加，緊固聯(lián)接結(jié)構(gòu)中夾緊長(zhǎng)度的變化也會(huì)導(dǎo)致聯(lián)接返松問(wèn)題；隨著汽車行業(yè)不斷趨向電動(dòng)化、高速化的發(fā)展，汽車底盤系統(tǒng)螺紋聯(lián)接可靠性直接影響車輛行駛安全，可通過(guò)對(duì)緊固聯(lián)接螺紋松動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，探究合理的防松策略，提升汽車底盤系統(tǒng)緊固聯(lián)接可靠性。

1 螺紋松動(dòng)原因

緊固聯(lián)接系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1，緊固聯(lián)接系統(tǒng)依靠緊固力矩使螺栓伸長(zhǎng)獲得夾緊軸力，通過(guò)系統(tǒng)摩擦性能抑制螺栓伸長(zhǎng)率變化，產(chǎn)生防松力矩TL，實(shí)現(xiàn)緊固聯(lián)接可靠性；聯(lián)接系統(tǒng)受到?jīng)_擊、交變載荷、溫度影響時(shí)，聯(lián)接系統(tǒng)摩擦性能因螺紋副滑移、松動(dòng)而降低，螺栓伸長(zhǎng)量因螺栓蠕變/塑變而減小，最終導(dǎo)致緊固聯(lián)接失效，前者稱為旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，后者稱為非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。

螺紋擰緊過(guò)程中，克服螺紋部分阻力：

其中α為螺紋牙型半角，為螺紋摩擦系數(shù)

克服支撐面部分阻力：

其中為端面摩擦系數(shù)

克服螺紋部分力矩：

其中，為螺距，為螺紋中徑

克服支撐面部分力矩：

其中，

為支撐面等效直徑，見(jiàn)圖2

緊固扭矩T可表達(dá)為：

公式中d2μs/cosα、dwμw因子屬緊固系統(tǒng)摩擦屬性，對(duì)防止螺紋松動(dòng)有利，P/π因子對(duì)應(yīng)緊固時(shí)軸向拉伸引起的螺紋升程反作用力，緊固完成后，此因素對(duì)防止螺紋松動(dòng)不利；

防松力矩TL可表達(dá)為：

其中K=EL/A，E為螺栓彈性模量，一般取值2.1×105MPa，L為螺栓長(zhǎng)度，A為螺栓截面積，以M12-1.5，長(zhǎng)度95mm，10.9級(jí)對(duì)應(yīng)KB約6.3×104N/mm；

以M12螺栓為例，對(duì)防松力矩衰減敏感度進(jìn)行DOE分析，涉及螺栓伸長(zhǎng)量ΔLB等8項(xiàng)因子，見(jiàn)表1。

通過(guò)DOE分析，防松力矩TL衰減的TOP3因素為摩擦系數(shù)（端面摩擦系數(shù)及螺紋摩擦系數(shù)）、螺栓伸長(zhǎng)量，在螺紋防松設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。

2 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)μ是通常意義上的物理概念，是摩擦力與正壓力的比值。在螺紋中，摩擦可分為螺紋副摩擦及端面摩擦兩部分，摩擦系數(shù)因材質(zhì)、表面狀況及潤(rùn)滑條件的不同而不同。一般鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合面的平均摩擦系數(shù)見(jiàn)表2。

螺紋副摩擦系數(shù)、端面摩擦系數(shù)因材料及工藝等差異存在一定波動(dòng)，工程應(yīng)用時(shí)，建議采用實(shí)測(cè)結(jié)果提升設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度，檢測(cè)方法可參考GB/T 16823.3《緊固件 扭矩-夾緊力試驗(yàn)》對(duì)應(yīng)要求。

螺栓結(jié)構(gòu)承受振動(dòng)、沖擊載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)變形引起結(jié)合面磨損，摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)致防松性能衰減；通過(guò)摩擦系數(shù)衰減抑制，可提升防松性能，常見(jiàn)策略有端面滾齒類（滾齒、凸點(diǎn)等），墊片類（厚平墊等），機(jī)械自鎖類（自鎖螺母，鎖止墊片等），化學(xué)鎖固類（螺紋鎖固膠）、其它（化學(xué)穩(wěn)定劑）等，其中端面滾齒類、機(jī)械自鎖類會(huì)消耗防松力矩，實(shí)際應(yīng)用時(shí)不能忽略此影響；常見(jiàn)防松策略應(yīng)用見(jiàn)表3。

摩擦系數(shù)穩(wěn)定劑可減小摩擦系數(shù)分布散差，提升螺栓強(qiáng)度利用率，改善結(jié)構(gòu)防松性能；在豐田、大眾等汽車企業(yè)均有廣泛應(yīng)用，應(yīng)用效果見(jiàn)表4及圖4。

3 螺栓伸長(zhǎng)量

緊固裝配時(shí)，螺栓受到拉伸作用而伸長(zhǎng)，產(chǎn)生夾緊力；螺栓伸長(zhǎng)量主要因工作載荷、磨損會(huì)發(fā)生塑性變形導(dǎo)致夾緊力衰減，導(dǎo)致防松性能下降；鋼制無(wú)涂層螺栓、螺母和緊湊夾緊的變形量可在 VDI 2230中已有建議，詳見(jiàn)表5，設(shè)計(jì)建議考慮此影響；

4 結(jié)語(yǔ)

螺紋聯(lián)接防松設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)其系統(tǒng)原理及DOE研究識(shí)別端面摩擦系數(shù)、螺紋摩擦系數(shù)、螺栓伸長(zhǎng)量為關(guān)鍵因素；在工程應(yīng)用時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注，以期提高螺紋聯(lián)接穩(wěn)健性設(shè)計(jì)。

在實(shí)際裝配設(shè)計(jì)時(shí)，裝配力矩因工具精度存在一定偏差，約5%～15%，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考量。

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