汽车紧固件问题分析解决

赵哲南

(上汽通用东岳汽车有限公司，山东烟台 264006)

汽车紧固件问题分析解决

赵哲南

(上汽通用东岳汽车有限公司，山东烟台 264006)

汽车关键部位的螺纹连接在保证车辆正常功能方面起着重要的作用。阐述紧固系统组成部分，列举了紧固系统类型及常见问题，从组成系统的3个方面选取典型案例进行剖析分解，提出解决办法。

紧固件；紧固系统;分析解决

0 引言

随着汽车进入大批量专业化生产时代，高效的螺纹连接在汽车装配中的应用越来越广泛。汽车关键部位的螺纹连接起着重要的作用，一旦失效，往往会导致车辆功能问题，如零件异响、功能下降、部件损坏等，严重的可能导致汽车某项功能丧失、安全性能下降、引发恶性事故等。而螺纹连接类紧固问题，其原因是多方面的。要全面分析各相关要素，有针对性地找到有效的控制办法。

1 紧固系统概述

紧固是将两个或多个零件用紧固件连接到一起的过程，产生一定的预紧力，把零件压紧，从而使被紧固件可靠地传递动力或得到有效支撑。这个预紧力的方向是沿着紧固件轴向产生的，所以也可称为轴力、压紧力、紧固力等。

紧固系统是紧固件、被紧固件、紧固策略3者的有机组合。其中的紧固策略又包含控制方法、紧固工具、拧紧速率、扭矩等因素。

紧固的目的是获得预紧力而不仅仅是扭矩。

紧固效果的评价，理论上最直接的就是测量预紧力的大小。但是，这个参数很难测量，实际工作时，一般是通过测量紧固过程中施加到紧固件上的扭矩来间接评价紧固的效果。

2 紧固问题类型

在汽车生产使用过程中，紧固类问题发生的频次很高，种类也繁多，从表现方面，大致可以分3个大类：紧固件异常、被紧固件异常和拧紧异常。紧固件表现方面，常见的有紧固件滑牙、螺栓断裂、连接松动3种；被紧固件方面，常见的有被紧固件压馈、内螺纹滑牙、自攻底孔滑牙3种；拧紧过程方面，常见有静态扭矩偏低、打不到底、监控角度偏大等5种，详见图1。

3 紧固问题影响因素

紧固类问题应从组成紧固系统的紧固件、被紧固件和紧固策略3个方面进行分析。

3.1 紧固件因素

3.1.1 紧固件的螺纹参数

紧固件的螺纹参数包括螺纹大径、小径、中径、螺距、导程、螺纹公差等参数。一般用螺纹止通规进行检测。

3.1.2 紧固件强度

考虑以下强度：

(1)抗拉强度是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。

(2)屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的能力。

(3)保证载荷是指螺纹产品实物不产生明显塑性变形所能承受的极限载荷。

3.1.3 紧固件表面摩擦因数

摩擦因数是摩擦力与正压力的比值，是影响预紧力的重要参数。摩擦因数主要取决于涂层类型，和材料、零件的表面状态密切相关。

3.2 被紧固件因素

(1)被紧固件在安装孔周围应具备一定的刚性。

(2)安装平面要求平整，应有平面度、粗糙度、面轮廓度等要求。

(3)安装表面无油污、焊渣、胶等杂物。

3.3 拧紧策略因素

(1)扭矩控制法。当达到规定扭矩时拧紧过程即停止的控制方法。

(2)扭矩+转角控制法。当达到贴合扭矩，再增加一个角度时拧紧过程即停止的控制方法。和扭矩控制法相比，可以有效减小紧固件摩擦因数波动对预紧力的影响，紧固效果更稳定。

(3)屈服点控制法。屈服点法也称为斜率控制法，它是通过监控拧紧过程中扭矩和转角的变化关系(如图2所示)，判断螺栓拉伸到接近屈服极限时，拧紧过程即停止。螺栓能得到充分利用，紧固效果最优；但设备复杂，成本很高。

4 紧固问题案例

4.1 案例一：螺栓断裂

如图3所示，螺母紧固过程中，螺柱被拧断。基本信息如下：螺纹参数：M10×1.5，紧固扭矩：58 N·m，螺母强度：10级，螺柱强度：10.9级。

原因分析：螺柱表面有防锈油，降低了螺纹副的表面摩擦因数，在同样扭矩下，产生的轴向力超出了螺栓的抗拉强度，导致螺柱断裂。

解决措施：擦除螺柱表面的防锈油。

解析：紧固件断裂、拉伸类问题，要先检查紧固件强度是否偏低，除此之外，摩擦因数偏低或紧固件表面的异常，也可导致轴向拉力过大，需要格外关注。

套筒类铸件主要包括管类、轴套和衬套等。薄壁管类铸件要避免圆口变形，轴套类零件禁止出现夹渣及气孔缺陷。针对此类零件的特点，归纳出浇注系统设计时的参考标准，如表1所示。

4.2 案例二：扭矩衰减

某板类零件在被螺栓紧固过程中，螺栓静态扭矩偏低，超出生产线静态扭矩控制的下限，有松动倾向。

原因分析：安装孔周围有PVC胶(图4(a))，螺栓紧固后，胶层缓慢变形，导致螺栓预紧力降低，表现为扭矩衰减。

措施：安装孔表面去除PVC胶(图4(b))。

解析：在分析紧固件问题时，不仅要关注紧固件，还要关注被紧固件，其表面的异常情况也可能导致严重问题。

4.3 案例三：螺栓松动

如图5所示连接结构中，连接件有开槽结构，通过螺母紧固将轴压紧，车辆路试时螺母松动，产生异响。

紧固扭矩：90 N·m。

原因分析：开槽部位变形，夹持厚度减小，导致扭矩衰减，最终导致预紧力不足，在交变载荷作用下产生松动。

解决措施：改变紧固策略，先拧紧至90 N·m再将螺母回退120 °，然后重新拧紧至90 N·m+35°。

解析：根据连接结构特点，选择合适的紧固策略，包括合适的工具、扭矩、控制方法、转速等。

5 结论

紧固件、被紧固件、紧固策略3者有机结合，形成一个稳定的紧固系统。对于紧固类问题，要从系统入手，找出可能影响系统的关键因素，然后分析制定有效对策。

【1】滕冠.高强度螺栓的紧固分析[J].装备制造技术,2009(4):163-165，171.

【2】任春红.对螺纹联接预紧力控制方法的分析[J].煤矿机械,2005(6):43-44.

【3】濮良贵，纪名刚.机械设计[M].7版.北京：高等教育出版社，2001.

Analysis and Solution of Fastening Issue for Automobiles

ZHAO Zhenan

(SAIC General Motors Corporation Limited, Yantai Shandong 264006,China)

The screw thread connect shows important effect on main locations for automobile keeping normal function.The components of the fastening system were expounded, the type and frequent fastening issues were enumerated, typical examples were chosen to analyze from three parts of the fastening system and corresponding solutions were given.

Fastener；Fastening system；Analysis and solution

2015-07-07

赵哲南，男，本科，工程师，研究方向为车辆工程、机械工程。E-mail:zhenan_Zhao.sgmyt@saic-gm.com。