某车型控制臂螺栓滑丝原因浅析

孙春光 张宏君

摘 要：某款车型在试制过程中，装配控制臂时，安装螺栓出现滑丝问题。本文章主要对产生此问题的原因进行分析。根据装配要求，通过理论校核计算、强度试验最终确定问题真因为控制臂轴套内管强度不足，其在装配过程中轴套内管被压溃，导致出现螺栓滑丝问题。

关键词：滑丝；内管强度；压溃

控制臂作为悬架系统中的导向结构，不但支撑车身重量，承受来自不平路面的冲击，同时在行车过程中控制车轮姿态，保证车轮有正确的运动轨迹。控制臂实现上述功能除本身的可靠性外，其与相关零部件配合位置连接的可靠性同样至关重要，连接失效后不但会行车异响，轮胎磨损，操稳变差，甚至造成事故。

我公司某款车型试制过程中装配控制臂时，力矩打至（140～150）N.m后暂停上升，继续紧固约720°后，力矩继续上升至190N.m，个别螺栓出现滑丝问题，同时螺栓外露螺纹长度超过设计值。

1 故障件分析

1.1 故障件拆解测量

螺栓装配过程中出现滑丝主要原因为：螺栓选取的规格与拧紧力矩不匹配；螺栓本身质量出现问题；力矩扳手存在异常，显示值与实际值不一致；螺栓与螺母螺纹连接位置存在杂质；相连接零部件强度不足。通过现场排查验证，可以排除前四方面原因，将原因锁定在最后一项。为进一步确认真因，对故障件进行拆解，发现滑丝位置均位于螺栓螺纹根部，推断螺栓打紧过程中，由于相连接零部件发生变形，螺母旋合至螺纹根部时力矩仍未达到设计要求，继续打紧时导致螺栓出现滑丝。对拆解的零部件进行尺寸测量，发现零部件均发生不同变形量，具体统计见表1。

表1

[项目＼&轴套变形量＼&垫片变形量＼&支撑管变形量＼&螺栓拉伸变形量＼&总变形量＼&变形量（mm）＼&2.5 ＼&1 ＼&0.5 ＼&0.05 ＼&＼&数量＼&2 ＼&2 ＼&1 ＼&1 ＼&＼&合计（mm） ＼&5 ＼&2 ＼&0.5 ＼&0.05 ＼&7.55 ＼&]

由上表分析可得，轴套内管的屈服变形，即轴套内管压溃是螺栓外露长度超差及滑扣的主要原因。

1.2 轴套内管压溃分析 在螺栓拧紧力矩的作用下，轴套内管受轴向压力F，根据材料屈服特性曲线的规律，当轴套内管在压力F作用下，内部所受应力大于材料的屈服强度时，材料会产生塑性变形，即轴套内管被压溃。故，为保证内管不被压溃，轴套所承受的应力值σ不得大于材料的许用应力[σ]（ [σ]=σs*/n， σs为材料屈服强度，n为产品安全系数，n=1.2～2.2），即σ<[σ]。根据材料力学，内管所受应力σ=F/S，即材料的所受应力的大小与压力F、面积S存在相应的关系。

内管材质屈服强度要求不低于335MPa，螺栓拧紧力矩为190N.m，根据《QC/T 518-2007 汽车用螺纹紧固件紧固扭矩》将拧紧力矩转化为轴向力即：F=T/（K×d）。

式中：F——轴向力，单位为牛顿（N）；T——拧紧力矩 单位为牛米（N.m）；K——扭矩系数；d——螺纹公称直径，单位为米（m）。

失效位置的面积S=183.8mm2，经过计算，内管承受应力σ=F/S=75390N/183.8mm2=410N/mm2，其需用应力[σ]min=335MPa/1.2=279.2MPa，σ>[σ]即螺栓打紧过程中产生的应力超过了材料的需用应力。

经查摆臂支座材料为铝合金（牌号6082-T6），材料抗拉强度为310MPa ，屈服强度为260 MPa，即失效位置在螺栓拧紧过程中应力超过材料的屈服强度。

1.3 故障件试验验证

表2

[标准尺寸62±0.2mm＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&6＼&7＼&8＼&9＼&10＼&装配前

装配后

变形量＼&62.1

59.86

2.24＼&62.14

59.68

2.46＼&62.08

59.96

2.12＼&61.98

59.72

2.26＼&62.04

59.52

2.52＼&62.1

59.58

2.52＼&62.08

59.78

2.3＼&62.06

59.64

2.42＼&62.14

59.68

2.46＼&62.12

59.8

2.32＼&]

轴套一端被固定，另一端施加力F，验证10组数据，确认轴套内管变形量，见表2。通过理论计算及实际验证，由于轴套内管材料强度不能满足拧紧力矩要求导致被压溃。

2 整改方案制定

由于许用应力与材料本身的强度存在正比关系，应力与零件截面面积存在正比关系，可以通过提高材料本身的强度提高许用应力，增加零件截面面积降低零件受力产生的应力。方案一：增加轴套内管截面面积至275mm2；方案二：轴套内管进行调质处理，加载100kN外力，内管长度变化量δ不超过其总长度的0.2%即δ≤ 0.13mm。受空间及轴套本身刚度限制，方案一无法实现，采取方案二。

3 方案验证

在要求的轴向力加载下，内管变形量见图1，其变形量可以满足要求。经实际装车验证，螺栓滑丝问题消除，且拆解后测量轴套内管长度变化量，均小于0.13mm，见表3，方案可行，满足整车要求。

图1

表3

[序号＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&6＼&7＼&8＼&9＼&10＼&内管尺寸mm（装配前）

内管尺寸mm（装配后）

变形量mm＼&62.04

61.96

0.08＼&62

61.94

0.06＼&62

61.92

0.08＼&62.02

61.94

0.08＼&62

61.96

0.04＼&62.06

61.98

0.08＼&62

61.98

0.02＼&62

61.9

0.1＼&62

61.96

0.04＼&62.06

62.04

0.02＼&]

4 总结

①控制臂连接位置的可靠性直接影响车辆的行驶及安全，产品设计初期要根据整车的装配力矩要求核算连接件的强度，针对薄弱及风险位置提前做出改进，对关键位置要有特殊要求，后期样件制作时重点关注，及时跟踪生产过程中的信息。②问题分析应现地现物，围绕故障件进行展开，集思广益。③从机理出发，分析关键特性。

参考文献：

[1]机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]卜炎.螺纹联接设计与计算[M].北京：高等教育出版社，1995.

[3]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1992.