導(dǎo)讀

作者：王于閩 （云度新能源汽車有限公司，福建 莆田 351100）

來源：《機電技術(shù)》2022年4月

摘要：螺栓與螺母完成擰緊裝配后，隨著使用時間的推移，螺栓力矩會有一定程度的扭矩衰減，導(dǎo)致螺紋聯(lián)接松弛 脫扣失效問題。文章以螺栓螺母性能等級匹配為出發(fā)點，通過理論和試驗分析，驗證螺栓螺母性能等級匹配與力矩衰減 關(guān)聯(lián)性，找到不同性能等級的螺栓螺母匹配選型對力矩衰減的影響，推薦了合理的螺栓螺母等級匹配選型方向，為后續(xù)開 發(fā)設(shè)計提供指導(dǎo)。

    螺紋聯(lián)接因其結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便、成本低 廉，而廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)連接，尤其在汽車 零部件裝配過程中，采用了大量的螺栓螺母連接。以底盤前副車架與車身螺紋聯(lián)接為例，隨著使用 時間的推移及經(jīng)各種復(fù)合路況后，緊固螺栓均會 有一定程度的扭矩衰減，導(dǎo)致預(yù)緊力減小造成螺 紋聯(lián)接松弛的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響汽車運行的可靠性 和安全性。本文主要針對某車型副車架安裝螺栓 在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)扭矩衰減問題，從螺栓螺母性 能等級匹配角度出發(fā)，以擰緊力矩理論分析為基 礎(chǔ)，根據(jù)某車型副車架螺栓與車身焊接螺母的實 際匹配情況，模擬設(shè)計靜態(tài)扭矩衰減試驗，并結(jié)合 對總裝車輛下線、動態(tài)充放電路試兩種工況下，副 車架緊固螺栓力矩變化狀態(tài)的檢測，驗證螺栓螺 母等級匹配與力矩衰減關(guān)聯(lián)性，為后續(xù)車身緊固 件選型匹配提供理論支持和工程指導(dǎo)。

1 問題來源 

    底盤前副車架總成采用螺栓聯(lián)接形式與車身 進(jìn)行連接，其主要是利用內(nèi)外螺紋旋合所構(gòu)成的 螺旋副的自鎖特性形成連接關(guān)系，為確保螺紋連 接的剛性、防松功能以及受拉螺栓的疲勞強度，往 往會賦予連接螺栓一定的預(yù)緊力。圖 1為某車型前副車架螺栓（10.9 級）與車身焊接螺母（6.8 級） 的裝配截面圖，副車架安裝螺栓聯(lián)接了前副車架 總成、車身總成。該車型副車架與車身的螺栓設(shè) 計力矩要求為 120 Nm，車輛經(jīng)過總裝下線處力矩 復(fù)檢時發(fā)現(xiàn)，力矩衰減至 90.5 Nm，衰減率高達(dá) 24.6%，如表1所示。力矩衰減可能引起底盤副車 架松動異響，情況嚴(yán)重時造成副車架脫落，嚴(yán)重影 響行車安全。

2 螺栓螺母性能等級匹配與力矩衰減關(guān)聯(lián)性分析 

    螺紋連接主要目的是使夾緊物體的力必須大 于使它們分開的力，實現(xiàn)兩個及兩個以上零件接觸，并保證零件之間的相對關(guān)系。若初始的預(yù)緊 力太小，將導(dǎo)致螺栓副無法實現(xiàn)鎖緊功能，造成螺 栓連接松動；若初始預(yù)緊力太大，則預(yù)緊的過程可 能導(dǎo)致螺栓斷裂失效。由此可見螺栓的可靠度完 全依賴于正確的預(yù)緊力。

    本文中的螺栓功能是固定副車架與車身的位 置，保證兩者緊密結(jié)合；其中預(yù)緊力F的大小表示 螺栓的擰緊情況，而預(yù)緊力 F 是由正確的擰緊扭 矩T來間接實現(xiàn)的。 

    彈性區(qū)內(nèi)擰緊扭矩T與預(yù)緊力F的關(guān)系，見式（1）：

式中：T——擰緊扭矩，Nm；T1——螺紋扭矩，Nm；T2——支承面扭矩，Nm；K——扭矩系數(shù)；F——預(yù) 緊力，N；d——螺紋公稱直徑，mm。

式中：P——螺距，mm；d2——螺紋中徑，mm；α ——螺紋牙側(cè)角，°；Dw——支承面摩擦扭矩等效 直徑，mm；μw——支撐面摩擦系數(shù)；μs ——螺紋摩 擦系數(shù)。 

    根據(jù)式（1）、式（2）得出：

    結(jié)合式（3）和圖 2 可得出摩擦系數(shù)為緊固件 結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，直接影響標(biāo)準(zhǔn)件軸向預(yù)緊力的 大小；在螺栓緊固力矩T設(shè)計值（前副車架安裝螺 栓設(shè)計扭矩120 ± 12 Nm）、螺栓型號（螺紋公稱直 徑 d、螺距 P）確定的情況下，隨著摩擦系數(shù)的增 加，標(biāo)準(zhǔn)件自身的預(yù)緊力相應(yīng)減小，即摩擦系數(shù)與 預(yù)緊力兩者呈反比關(guān)系。 

    而不同性能等級的螺栓螺母匹配，主要體現(xiàn) 為支撐面摩擦系數(shù)μw、螺紋摩擦系數(shù)μs不同，故產(chǎn) 生的預(yù)緊力F也存在差異，如表2所示。

    由于 6 級焊接螺母硬度低于 10 級螺母硬度， 從而原始方案（6級螺母與 10.9級螺栓匹配）產(chǎn)生 的摩擦系數(shù)大于優(yōu)化方案（10 級螺母與 10.9 級螺 栓匹配），在緊固力矩 T、螺栓型號確定的情況下， 根據(jù)式（3）可得出原始方案產(chǎn)生的初始預(yù)緊力小 于優(yōu)化方案，由圖 3 可得，在螺栓屈服強度范圍 內(nèi)，螺栓的預(yù)緊力越大，其抗松動性能和抗疲勞性 能就越好，更不易產(chǎn)生扭矩衰減 ，故從理論上得 出螺栓螺母性能等級匹配與力矩衰減存在關(guān)聯(lián) 性，可通過試驗加以驗證上述理論分析。

3 試驗驗證及分析 

3.1 靜態(tài)力矩衰減試驗驗證及結(jié)果分析 

    針對原始方案（6級焊接螺母與10.9級螺栓匹 配）和優(yōu)化方案（10 級焊接螺母與 10.9 級螺栓匹 配）分成兩組試驗，每組試驗樣本數(shù)為 10個，為保 證試驗的準(zhǔn)確性和精度，實驗室模擬副車架與車 身 實 際 螺 栓 鎖 付 情 況 ，選 用 厚 度 為 2.0 mm 的 B340/590DP板料作為連接件，每組試驗分別做10 個試驗緊固樣件，每個樣件采用相同的120 Nm動 態(tài)扭矩進(jìn)行擰緊；靜置 30 分鐘后，對每個樣件靜 態(tài)扭矩進(jìn)行檢測，通過采集 10 組數(shù)據(jù)并進(jìn)行對 比，驗證螺栓螺母等級匹配與力矩衰減的關(guān)聯(lián)性。 

    檢測工具：數(shù)顯扳手量程（300 Nm），采用擰 緊法峰值檢測；動態(tài)扭矩：產(chǎn)品設(shè)計以及工藝要求 的裝配擰緊力矩（前副車架M12×1.25螺栓動態(tài)扭矩要求 120 Nm）；靜態(tài)力矩：對已處于擰緊狀態(tài)螺 紋緊固件繼續(xù)擰緊，且螺紋旋合面之間剛剛發(fā)生 轉(zhuǎn)動時的摩擦扭矩。 

    試驗檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)分布，如表3、圖4所示。

    從表 3、圖 4 分析可知：原始方案靜態(tài)扭矩均 值（114.5 Nm）較動態(tài)力矩設(shè)計值（120 Nm）出現(xiàn)一 定的衰減；優(yōu)化方案靜態(tài)扭矩均值（119.5 Nm）與 動態(tài)力矩設(shè)計值（120 Nm）基本保持一致，通過綜 合分析表3和圖4的試驗檢測數(shù)據(jù)，可得出優(yōu)化方 案的力矩值較原始方案更加穩(wěn)定，衰減率更??；故 在螺栓擰緊力矩設(shè)計值確定的情況下，提升螺母機 械等級對副車架螺栓扭矩衰減具有一定的改善。 

3.2 動態(tài)工況扭矩檢測及結(jié)果分析 

    針對原始方案（6級焊接螺母與10.9級螺栓匹 配）和優(yōu)化方案（10 級焊接螺母與 10.9 級螺栓匹 配）分成兩組試驗，每組試驗樣本數(shù)為 13個，分別 進(jìn)行實車鎖付驗證。總裝車間高工位處按設(shè)計及裝配的擰緊力矩要求為120 Nm，對26輛車的副車 架螺栓進(jìn)行擰緊（擰緊數(shù)據(jù)見表4），然后分別在車 輛下線工位、充放電路試兩個地點對原始方案（6 級焊接螺母與10.9級螺栓匹配）和優(yōu)化方案（10級 焊接螺母與 10.9 級螺栓匹配）的螺栓力矩進(jìn)行復(fù) 檢，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

    檢測工具：數(shù)顯扳手（量程 300 Nm），采用擰 緊法峰值檢測；檢測工況：1. 車輛下線工位；2. 一 次充放電路試工位?？傃b高工位處的副車架安裝螺栓力矩檢測數(shù) 據(jù)，如表4、表5所示。 

    分別在車輛下線工位、充放電路試工位，對原 始方案和優(yōu)化方案的副車架安裝螺栓力矩進(jìn)行復(fù) 檢，試驗數(shù)據(jù)如表6、表7所示。 

    由表6~7的試驗數(shù)據(jù)分析可知： 

1）針對原始方案在下線工位及充放電工位， 完成#1~#13 號車的副車架安裝點力矩復(fù)檢測量 （M12×1.25安裝螺栓扭矩檢測要求為108~144 Nm）， 測量結(jié)果如表6所示：9臺車力矩值合格，4臺車出 現(xiàn)力矩值衰減，車輛不合格率為 30.1%，副車架螺 栓檢測點不良率為6%，原始方案檢測力矩平均值 為114 Nm，低于擰緊力矩設(shè)計值要求120 Nm。其 中車輛下線工位：#11號車的左后安裝點出現(xiàn)扭矩 衰減；一次充放電工位：#1號車的右前安裝點、#3號車的左后和右后安裝點、#7號車的左前安裝點、 11號車的左后安裝點出現(xiàn)扭矩衰減。

2）針對優(yōu)化方案在下線工位和充放電工位，完 成#14~#26 號車的副車架安裝點力矩復(fù)檢測量 （M12×1.25安裝螺栓扭矩檢測要求為108~144 Nm）， 測量結(jié)果如表 7 所示：13 臺車的副車架安裝點力 矩測量數(shù)據(jù)全部合格，均未出現(xiàn)力矩值衰減，同時 優(yōu)化方案檢測力矩平均值為 121 Nm，符合擰緊力 矩設(shè)計值要求120 Nm。 

3）綜上試驗工況分析，可得出優(yōu)化方案螺栓 力矩均值 121 Nm 高于原始方案螺栓力矩均值 114 Nm，且未出現(xiàn)螺栓力矩衰減現(xiàn)象；故優(yōu)化方 案的副車架螺栓力矩保持穩(wěn)定性更優(yōu)，具有更好 的抗力矩衰減功能，可有效改善副車架安裝螺栓扭矩衰減問題。 

4 結(jié)論 

    本文通過對螺栓螺母性能等級匹配與力矩衰 減的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行理論分析校核，并結(jié)合試驗驗證， 得出不同性能等級匹配的螺栓螺母匹配選型對緊 固力矩變化的影響，推薦了合理的螺栓螺母等級 匹配選型方法：在螺栓擰緊力矩 T 設(shè)計值確定的 情況下，建議采用同等級的螺栓螺母匹配方式，可 有效改善螺栓在安裝和使用過程出現(xiàn)力矩衰減現(xiàn) 象，防止副車架螺紋聯(lián)接出現(xiàn)松動失效，增強汽車 的使用安全性。