重型汽车螺栓松动成因与防松探讨

苏战波，谢立峰,2

（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2.军事交通学院，天津 300161）

重型汽车螺栓松动成因与防松探讨

苏战波1，谢立峰1,2

（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2.军事交通学院，天津 300161）

重型汽车生产装配中各零部件大多使用螺栓联接，特别是重型汽车底盘使用了大量的高强度螺栓联接，这些螺栓联接的质量将直接影响整车的行驶安全性，螺栓松动与断裂将导致汽车停止行驶、翻车、损坏车辆甚至危及人的生命安全。文章对螺栓联接松动问题产生的原因进行了理论分析，并相应提出几种有效防松方法。

螺栓联接；夹紧力；拧紧力矩；摩擦系数；弹力松弛

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.074

CLC NO.: U469.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-221-03

1、拧紧力矩

在重型汽车生产中装配螺栓时，为保证螺栓可靠联接，必须在装配时确保螺栓联接副有适当的轴向夹紧力，该夹紧力为轴向预紧力。预紧力是保证零件联接质量的重要因素。由于受到装配位置、工具等因素的影响，还不能在生产线上通过直接控制预紧力来保证装配螺栓联接质量，目前，最经济、可行的方法是通过控制扭矩间接实现对轴向预紧力的控制。

螺栓拧紧过程是一个克服摩擦的过程，其中存在螺纹副间的摩擦及螺栓与联接零件的端面摩擦。在装配螺纹副的过程中，影响装配质量的因素有很多，不仅螺纹的材料、螺纹表面的粗糙度、螺纹表面的处理、润滑情况和装配速度、温度、螺纹的直径大小对拧紧扭矩有较大的影响，螺栓联接零件与接触面之间的摩擦系数对装配扭矩的大小起到关键的作用。螺栓拧紧力矩分布及夹紧力和摩擦系数关系见图1、图2所示。

由图可知：在拧紧力矩中，由于紧固扭矩的90%左右被螺纹和支撑面摩擦扭矩所消耗，实际的夹紧力只有10%，当螺栓头下加润滑后，摩擦系数变小，损耗减少，夹紧力增大，螺栓承受轴向力变大可能被拉断。要使预紧力保持在一个标准的范围内，则摩擦系数就要限定在一个规定的范围内，且波动不大。

当螺纹副中有杂质时，当螺栓联接在受到瞬时的较大冲击、持续的振动时，当温度较高或变化时，由于联接各部尺寸微小变化及相互位置的瞬时移动，都可使接触面的摩擦阻力瞬时减小或消失而使拧紧力矩全部丧失，造成松动失效。

接触面的摩擦力矩要占到拧紧力矩的50%左右，是拧紧力矩的主要组成部分。在上述因素影响下，将最先发生降低或丧失，而导致联接可靠性迅速降低。

螺栓松动与断裂都是螺栓联接失效的重要表现，螺栓断裂是轴向预紧力过大，超出材料的抗拉强度造成，螺栓断裂易于发现进行补救，螺栓松动是潜在危害，通常都是螺栓松动后受剪切力产生的螺栓断裂。由于拧紧扭矩的90%左右被螺纹和支撑面摩擦扭矩所消耗，因此摩擦系数的变化对拧紧力矩的影响比较大，所以在联接中，必须保证有稳定的摩擦系数，才不至于使拧紧力矩迅速降低而产生松动。

2、弹力松弛

螺栓联接拧紧时，会产生弹性变形。即使在其弹性限制之内，也会产生塑性变形。由于在螺栓拧紧操作中，80%以上的能量用来克服摩擦力，这就不可避免地导致螺栓和被螺栓联接的零件发热。拧紧螺栓联接完成后，由于预紧力的作用，螺栓初期产生弹性变形，随时间的推移将引起局部塑性变形，即造成松弛。联接的各表面由于螺距误差、粗糙度、毛刺以及安装过程中的破损碰伤等因素影响，加之螺栓内应力的存在必然要产生一定的局部塑性变形，随外部工作环境的影响及外载荷的累积作用，将使局部塑性变形继续增加，这样就将造成联接的初始松动，当联接完全适应工作环境及外载荷后，松动过程将停止达到一定稳定状态，所以弹力松弛必然造成联接在某种程度上的初始松动。对这种松动若不及时处理就有可能导致联接可靠性进一步降低，甚至丧失工作能力。重型汽车装配生产中选择合适摩擦系数的螺栓和拧紧工具，能降低螺栓联接过程热量产生，减少松弛现象发生，保证拧紧质量。为判定螺栓是否产生足够的预紧力，工程上需要通过实验来确定预紧力的损失情况。

3、横向载荷的影响

对不同螺母，参照GB/T 10431-2008 在相同实验条件下进行横向振动实验，轴向夹紧力（简称轴力）随时间衰减如下图3所示。

表1 不同涂层横向对比试验

从上述横向对比试验曲线及表1可以看出，不同表面处理对防松性能的影响很大，达克罗涂层螺栓防松性能较差。该结论是基于某螺栓供方提供的涂层螺栓，小样本的对比试验。实际指导生产过程中，还需做大量的试验数据积累。螺栓联接中，当受有横向载荷即与螺栓轴向垂直方向的载荷、变载荷或振动时，将易造成联接的松动。受横向载荷的紧螺栓联接，除横向工作载荷外。也可能受到各种原因产生的横向振动，若振动频率较高，振动力较大则将使松动力矩逐渐减少，研究表明，当振动力增大到一定数值就可能使摩擦系数减小到零。进而使由摩擦决定的拧紧力矩全部丧失，失去预紧力作用而导致联接自行松动、失效。

4、工程上防松措施

螺栓联接松动影响因素：预紧力、摩擦系数、螺旋升角、横向震动力、振幅和频率、其它。为防止松动，可采取以下预防措施：

4.1 预紧力

预紧力越大防松能力越强。但是，由于结构限制或成本原因，螺栓规格受到限制，预紧力也受到限制，因此，只能在采用提高螺栓强度的办法，同时，紧固时尽量采用大的预紧力。例如：某6×2牵引车二轴前板簧支架螺栓频繁松动，经分析、计算、将板簧支架与车架连接孔扩大，将M14螺栓换成M16螺栓的方案实施后问题解决。

4.2 摩擦系数

虽然摩擦系数越大防松能力越强，但是，摩擦系数大造成螺纹间摩擦加剧，容易出现螺纹烧结的现象。在一组螺栓紧固时，各个螺栓之间预紧力不均匀影响紧固性能。例如：全金属有效力矩螺母、尼龙螺母。

4.3 螺旋升角

采用细牙螺纹，以降低螺旋升角。对于防松要求较为苛刻的重要联接，可以采用细牙螺纹，防松较为有效且自锁性好。重型汽车的重要联接大多采用细牙螺纹，如推力杆螺栓、板簧支架螺栓、发动机悬置螺栓等。

4.4 契形螺纹

契形螺纹改变接触的法向力比普通螺纹接触的法向力大的多，因而产生的摩擦力也大的多，从而达到防松效果。如上海底特公司的施必牢自锁防脱螺母，在重型汽车推力杆、传动轴、主传动差速器等。

4.5 附件

通过增加附件（锁片、窜钢丝、开口销、螺纹胶、双螺母等）阻止螺栓或螺母转动。此类防松在重型卡车上应用较多，如发动机止推垫片、油箱拉带螺栓开口销、平衡轴双头螺栓涂螺纹胶等。

4.6 定期复紧

为防止由于弹力松弛而产生的初始松动，对于采用螺栓联接的机械设备在工作一定时间或周期后应进行一次补充拧紧，以消除因弹力松弛造成的松动。如平衡轴U型螺栓拧紧力矩定期复紧。

4.7 其他防松

特殊机械防松方法，如采用长螺栓与厚垫圈或套筒的组台；螺栓头底部带齿的螺钉；凸凹成对使用的新型垫圈与弹簧垫圈配合使用不仅防振及防松效果好。

5、结语

实现螺纹联接的防松，需要从螺纹生命期中设计、制造、使用3个阶段和材料对产生松动的影响因素进行识别，对螺栓材料的松弛以及螺旋副配合的微动磨损机理等方面找出螺纹联接松动的原因，以便找到克服螺纹联接松动的对策，增强螺纹联接的可靠性。工程上，要针对特定的使用场合通过计算、分析、试验选用合理的联接结构，采取合理的措施，以有效地提高螺纹联接的防松性能，有效地提高机械设备的可靠性。这就要求在设备设计中尽量减少对联接件的冲击和振动；在制造中降低螺栓和与被联接件接触表面的表面粗糙度和形状误差；在装配过程中，减少螺纹联接的拆卸次数，防止联接表面的损伤，在使用中，加强对螺纹联接的正确维护和保养。

[1] 吴国志.谈螺纹紧固件连接的防松[J].现代制造技术与装备,2008 (5)：39-41.

[2] QC/T 518—2007.汽车用螺纹紧固件紧固扭矩［S］.

Heavy duty truck bolt looseness causes and locking

Su Zhanfeng1, Xie Lifeng1,2
(1.Shaanxi heavy-duty truck Co. ltd., Shaanxi Xi 'an 710200; 2.Institute of military traffic, Tianjin 300161 )

Heavy duty truck parts in the assembly of production mostly use the bolt connection, especially heavy car chassis use a lot of high strength bolt connection, the bolt connection will directly affect the quality of the vehicle driving safety, bolt loosening and fracture will result in the car to stop driving, rollover, damage to vehicles, and even endanger people's life. Article on the causes of loose bolt coupling problems are analyzed in theory, and put forward several effective corresponding locking method.

bolt connection; Clamping force; Tightening torque; The friction coefficient; Elastic relaxation

U469.1

A

1671-7988(2016)10-221-03

苏战波，（1979-），男，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。谢立峰，（1977-），男，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。