某车型下摆臂连接螺栓滑丝问题分析及改进

梁成成

山西工程职业学院机械工程系，山西太原 030009

0 引言

悬架系统在车辆行驶中起着非常关键的作用，直接影响车辆行驶的安全性、稳定性、操控性及平顺性[1]。麦迪逊独立悬架系统是汽车厂家使用最广泛的悬架形式之一，主要由螺旋弹簧、减震器、下摆臂及紧固螺栓螺母组成。下摆臂是麦迪逊独立悬架系统中的一个关键安全部件，通过球头销、螺栓螺母等方式连接汽车车身与车轮，起着可靠连接、稳定行驶、灵活转向的作用，下摆臂出现连接失效问题则会导致汽车底盘异响、方向盘跑偏、车身失稳等故障，而在车辆高速驾驶、雨天驾驶或转弯过程中，则会带来重大交通安全隐患[2]。

1 问题描述

某型乘用车下线后在厂内扭曲路面道路进行测试时，发现部分车辆底盘前部有异响，检查发现悬架系统下摆臂连接螺栓与副车架钣金支架上的焊接方螺母出现滑丝失效，引起下摆臂部分脱落，脱落位置如图1a所示，失效的下摆臂如图1b所示。更换下摆臂及紧固螺栓及螺母后再进行路试，未见异响发生，确定异响问题由下摆臂与副车架支架连接失效引起。

图1 下摆臂及脱落位置

通过分析下摆臂连接螺栓的连接结构，判断该滑丝问题发生在下摆臂和副车架装配过程中。拆卸更换下来的失效件，发现焊接螺母内螺纹均出现滑丝损坏，螺栓与螺母拧紧后啮合的螺牙出现滑丝损坏，未见螺栓存在拉伸“颈缩”变形等明显的外观问题。滑丝的螺栓和螺母如图2所示。

图2 滑丝的螺栓和螺母

2 滑丝原因分析

下摆臂与副车架支架是被螺栓及螺母紧固连接在一起的，正常情况下，两者看作一个零件。螺纹发生滑丝，说明螺栓及螺母拧紧后所受到的最大拧紧力大于其螺纹所能承受的剪切抗力，即实际拧紧力过大，超过设计的拧紧力最大值，或者螺栓及螺母的螺纹强度不足。导致螺纹滑丝的因素有很多，根据上述问题描述及初步分析，笔者采用鱼骨图对螺纹滑丝原因进行依次排查及深入分析。

滑丝螺栓是六角法兰面粗杆带导向螺栓，其规格为M14×1.5，材质为SCM435，性能等级10.9级，表面涂覆环保达克罗，摩擦系数范围为0.12±0.03。螺母为标准I型方型螺母，其规格为M14×1.5，材质为SCM435，性能等级为10级。方螺母焊接到钣金支架后进行电泳处理，摩擦系数为0.12±0.03。下摆臂连接螺栓与副车架钣金支架上焊接螺母紧固时，要求拧紧扭矩为（185±15） N·m。

通过鱼骨图分析了造成螺纹滑丝的可能原因，如图3所示。

图3 鱼骨图

2.1 人员操作排查

通过现场核实，下摆臂安装工位操作人员均是经过岗前专业培训的老员工，现场按照装配作业指导书进行规范操作，未见螺栓及螺母重复拧紧情况，紧固螺栓自带导向，也不存在未对中而偏心拧紧问题。因此，排除人员不规范操作因素。

2.2 机械设备排查

机械设备主要涉及拧紧机，该拧紧机已完成校准，且在有效期内。核查拧紧机输出精度，发现该拧紧机标定的输出扭矩波动范围不大于设定扭矩值的±5%，精度满足要求。现场随机抽取部分螺栓及螺母，对拧紧机的输出扭矩进行SPC过程统计分析，已验证其输出的稳定性；过高的扭矩会造成螺纹滑牙，而拧紧机过程能力指数（CPK）=1.69＞1.33，说明拧紧机输出扭矩稳定性良好[3-4]，因此，拧紧机的精度和稳定性满足要求，排除拧紧机设备因素。

2.3 材料排查

紧固件材料不合格会直接影响其使用性能。现对滑丝失效螺栓及螺母的材质采用直读光谱仪进行化学成分检验分析，结果见表1。SCM435钢是一种日本牌号的合金结构钢，含有Cr、Mo等提高淬透性和屈服强度的合金元素，其经常用来制造10.9～12.9级高强度的螺栓和螺母[5]。由表1可知，滑丝螺栓及螺母化学成分均符合日本标准JIS G4053—2008对SCM435钢化学成分的要求，因此，排除螺栓和螺母材质问题。

表1 化学成分检测结果 单位：%

2.4 设计方面排查

螺栓及螺母紧固后受到的拧紧力过大，会直接导致螺纹滑丝，现通过理论计算校核设计的拧紧力是否合理。

螺栓拧紧后，螺纹承受的拧紧力公式如下：

式中，T为拧紧扭矩，（185±15）N·m；d2为螺栓中径，13.026 mm；P为螺距，1.5 mm；μ为螺栓摩擦系数，0.09～0.15；Dm为螺母安装面等效摩擦半径，11.68 mm；fm为螺母安装面摩擦系数，0.09～0.15。

将以上参数代入公式，可以得出，摩擦系数0.09时，轴向力Fb为115.62～127.79 kN；摩擦系数0.15时，轴向力Fb为81.01～95.31 kN。根据标准GB/T 3098.2—2000《紧固件机械性能螺母粗牙螺纹》要求，M14×1.5规格的10级螺母保证载荷为M14x15规格的10级螺母保证载荷为：在138.8 kN拉力作用下，保持1 SS，能用手而不借助外力拧下螺母。通过螺母保载要求与设计的拧紧力比较，可以看出设计的拧紧力合理，因此，排除拧紧力设计过大导致滑丝的因素。

2.5 环境方面排查

总装车间装配现场及线边物料均实施6S管理，故障件及同批次螺栓和螺母螺纹上未见油污、铁屑等杂质，同批次螺栓及螺母也未见明显螺纹磕碰痕迹。因此排除环境问题因素。

2.6 尺寸及性能检测方面排查

2.6.1 尺寸检验

紧固件内外螺纹尺寸超差，如螺栓外径偏小或螺母内径偏大，都会造成螺纹啮合面积的减小，在拧紧力作用下就会产生滑丝。对同批次螺栓及螺母抽样进行ISIR全尺寸检测发现，螺栓尺寸全部符合图纸要求；而螺母内螺纹孔口2～3牙处的直径尺寸在φ13.1 mm左右（标准内孔尺寸为12.376～12.676 mm），且孔口呈喇叭口状。因此，螺母内径尺寸偏大是产生滑丝的要因。

2.6.2 力学性能检验

（1）紧固件硬度不足，在拧紧力作用下很容易发生弯曲变形，从而引起螺纹滑丝。对失效的螺栓及螺母进行维氏硬度检测，分别选取3点打硬度，螺栓实际测量值为HV345、HV349、HV342，符合标准GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》对10.9级螺栓HV320～380的要求；螺母实际测量值为HV336、HV343、HV352，符合标准GB/T 3098.2—2000对10级1型螺母HV295～353的要求。

（2）螺栓硬度和抗拉强度呈正相关，螺栓抗拉强度超差，也会引起螺纹滑丝。由于螺栓螺纹已拉脱，不能在失效件上进行抗拉强度检测，现随机抽取同批次3根螺栓检验，抗拉强度实测值为1200 N/mm2、1198 N/mm2、1187 N/mm2，符合标准GB/T 3098.1—2010对10.9级螺栓≥1040 N/mm2的要求。

（3）螺母强度较弱，也会引起螺纹滑丝。由于螺母内螺纹已拉脱，不能在失效件上检测，现随机抽取同批次3支螺母进行破坏拉力试验，当拧紧力分别达到151 kN、144 kN、146 kN后在螺纹部分产生拉脱，破坏拉力均大于标准GB/T 3098.2—2000规定的138.8 kN，因此螺母保证载荷满足要求。

螺栓及螺母力学性能满足设计要求，因此排除力学性能不达标因素。

2.6.3 金相组织及脱碳检验

紧固件微观组织缺陷及螺纹脱碳都会导致螺纹处硬度降低，在拧紧力作用下非常容易发生弯曲，从而引起螺纹滑丝。将失效螺栓在螺纹未拉脱部分进行切割、镶嵌、制样后做金相检验[6]，其金相组织和螺纹脱碳分别如图4a和图4b所示；将失效螺母切割、镶嵌、做样后进行金相检测，其金相组织如图4c所示。

图4 紧固件金相组织及脱碳

对失效螺栓及螺母进行微观检验，其金相组织均为正常的回火索氏体，螺栓螺牙处未见脱碳、螺纹折叠等明显的异常问题。因此，排除紧固件微观组织缺陷及螺纹脱碳因素。

2.6.4 摩擦系数检验

摩擦系数对紧固件拧紧力有着重要的影响，同样扭矩下不同摩擦系数产生的拧紧力不同，摩擦系数越小，实际产生的夹紧力越大[7]。分别选取同批次螺栓及螺母各5支，进行摩擦系数测试，测试使用的是德国SCHATZ螺纹紧固试验分析系统，按标准GB/T 16823.3—2010《紧固件 扭矩-夹紧力试验》进行测试，螺栓总摩擦系数μTot分别为0.12、0.13、0.13、0.12、0.14，符合0.09～0.15的技术要求；螺母摩擦系数μTot分别为0.07、0.07、0.06、0.08、0.07，不符合0.09～0.15的技术要求，均低于技术要求的下限。螺母摩擦系数偏小的原因是其焊接到支架后经过了电泳处理，而电泳处理没有控制摩擦系数，导致其数值偏小。按μTot等于0.06计算，拧紧力已达到149 kN，拧紧后很容易导致螺纹滑丝问题。因此，螺母摩擦系数偏小是产生滑丝失效的要因。

3 建议措施

（1）对螺母内径尺寸进行严格控制，在条件允许的情况下，可以增加螺母高度提高螺纹的承载能力，这样可以避免螺纹拉脱现象。

（2）严格控制焊接螺母电泳后的摩擦系数，或合理选择装配工艺，将拧紧力保持在螺栓的安全区域内，保证夹紧件与被夹紧件完全紧固，从而杜绝滑丝问题的产生。

4 验证

按上述建议措施整改后的螺母在实车试装验证后，连续批量装车半月，未发生螺栓及螺母滑丝问题。