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                汽車高強度螺栓的防松性能的影響因素研究

                發表時間:2018-11-06

                  1、引言

                  螺栓松動失效是螺紋聯接常見的失效形式。接觸表面的材料相互嵌入、材料蠕變、預緊力不夠、摩擦系數的變化等因素,都會導致螺栓的夾緊力下降[1,11];當螺栓承受交變載荷、振動或高溫環境下,更容易松動[2]。我國傳統汽車產品的螺紋連接一般基于經驗設計,對于普通螺栓的防松性能、影響防松性能的因素缺乏深入的研究。螺栓設計制造、裝配時缺乏相關參數的控制,螺紋聯接可靠性較差,影響汽車的安全性。

                  對螺栓的防松原理,影響防松性能的因素進行理論研究,并通過橫向振動試驗驗證了這些因素的影響,提出了部分高強度螺栓的應用建議。

                  2、螺紋聯接防松原理

                  2.1 螺紋聯接擰緊力矩與松脫力矩計算模型

                  為保證螺栓的可靠服役,應保持足夠的夾緊力。裝配螺栓大多使用扭矩法[3],擰緊或擰松螺栓時,都需要克服螺紋副間的摩擦力矩和螺栓或螺母端面與被連接件支承面間的摩擦力矩[4],但擰緊力矩不等于松脫力矩,這是由于擰緊和擰松時,螺紋副間的摩擦力矩不同。假設緊固螺栓時,采用擰緊螺栓頭部的方法,擰緊力矩T的計算公式為:

                  T=T1+T2                 (1)

                螺栓松脫力矩T的計算公式為:

                  有文獻表明,螺栓松脫力矩為擰緊力矩的80%[5]。取普通六角頭螺栓為例,螺栓摩擦系數取0.2,查GB/T-16823.1—1997得到不同規格的環形接觸面的外徑、內徑,計算松脫力矩與擰緊力矩的比值,如表1所示。

                  從表1可以看出,粗牙螺紋緊固件的松脫力矩約為擰緊力矩的80%,而細牙螺紋緊固件的松脫力矩約為擰緊力矩的85%。相同公稱直徑的螺紋緊固件,在保持相同夾緊力的前提下,細牙螺栓的擰緊力矩較粗牙螺栓小,但是松脫力矩較粗牙螺栓大,且夾緊力越大,二者差值越大,對于較大扭矩的高強度螺栓,可通過更換細牙螺栓來提高螺栓的松脫力矩。

                  2.2  影響高強度螺栓防松性能的因素分析

                  從式(1).式(6)可得出,螺栓的預緊力大小、摩擦系數、螺栓與被連接件的環形接觸面的外徑、內徑、牙型等因素都可能引起摩擦力矩的變化。摩擦力矩越大,螺栓松動的可能性越小,防松性能越好。在實際裝配中,有些因素可能間接導致這些參數的變化。

                  2.2.1螺栓的頭部結構

                  普通螺紋緊固件的類型較多,如六角頭螺栓、六角法蘭螺栓、六角頭帶平墊圈組合件、六角頭帶平墊圈和彈墊圈的組合件。由于頭部結構的不同,螺栓頭部與被連接件接觸的外徑則不同,在普通的螺紋連接中,螺栓頭部外徑越大,接觸面面積越大,螺栓的摩擦力矩越大。

                  2.2.2彈簧墊圈

                  文獻[6]對于帶彈簧墊圈的螺栓進行力學仿真,發現彈簧墊圈在螺紋連接中易形成局部接觸、支撐面較小、開口端易壓潰,從而導致螺栓的軸向力下降,彈簧墊圈的防松性能較差。又有文獻表明彈簧墊圈的彈性作用[7],可補償連接件變形減小的軸向力,應具有一定的防松作用。彈簧墊圈的防松作用、彈簧墊圈的應用范圍,需要試驗進一步探索。

                  2.2.3 支承面的接觸表面狀態

                  實際裝配中,若螺栓與被連接件表面貼合不均勻,影響螺栓載荷的分布。同時,接觸面小可能導致局部應力集中,材料表面發生壓潰等,也影響螺栓的預緊力大小。螺栓與被連接件的表面狀態也包括摩擦系數的變化,摩擦系數直接影響著螺栓的摩擦力矩。螺栓的表面鍍層厚度、鈍化層處理、強度等級等因素,對螺栓的摩擦系數影響較大[8]。因此,必須對摩擦系數加以控制,避免摩

                  擦系數的波動導致防松性能不穩定。

                  3、影響高強螺栓防松性能關鍵因素的試驗研究

                  橫向振動比軸向振動更易使螺栓松動[9]。因此,對試驗螺栓采取橫向振動的方法,記錄螺栓的夾緊力隨時間的變化情況,可比較不同試驗螺栓的防松性能。選取M 1 0x 1.25—8.8級的高強度螺栓進行試驗,試驗螺栓與螺母的表面處理方式相同,螺栓與螺母采用6H/6g配合,每組取10個螺栓螺母。橫向振動試驗機的振幅為(±1.0)mm,橫向位移測量誤差在(±1)%內,夾緊力測量誤差在(±3)%內。試驗按照GB/T1043l一2008執行。

                  在螺栓滿足工況載荷要求下,螺栓的初始預緊力在屈服軸向力的(50~75)%范圍可保證擰緊[10]。本次試驗選擇螺栓屈服軸向力的55%,65%,75%三種預緊力,即14.5kN,16.6kN,19.8kN分別擰緊,以不同頭部結構的螺栓進行試驗,試驗結果,如圖l~圖3所示。

                  為研究摩擦系數對高強度螺栓的影響,試驗螺栓選取3種摩擦系數的六角頭法蘭面螺栓,表面處理為Fe/Ep·Zn8·d2D(鍍鋅D級鈍化層)、Fe/Ep·Zn8·c2C(鍍鋅C級鈍化層)、達克羅處理的螺栓,摩擦系數分別為0.25,0.2,0.13。分別進行橫向振動試驗,試驗結果,如圖6所示。

                  3.1頭部結構對高強螺栓的防松性能的影響

                  不同頭部結構的高強螺栓在不同初始預緊力下的夾緊力隨時間的變化情況,如圖1~圖3所示。由圖1可得,當預緊力較大時,防松性能對比結果為:六角法蘭螺栓>六角頭和平墊組合件>六角頭、平墊和彈墊組合件>六角頭和彈墊組合件>普通六角頭螺栓。由圖2可得,當預緊力為16.6kN時,防松性能對比結果為:六角頭和彈墊組合件>六角法蘭螺栓>六角頭、平墊和彈墊組合件>六角頭和平墊組合件>普通六角頭螺栓。圖3與圖2的防松性能對比結果一致,但是預緊力較小時,普通六角頭螺栓的軸向夾緊力衰減較為厲害,振動60s已經下降至初始預緊力的30%,螺栓與螺母已發生明顯的相對轉動。由圖l~圖3可得,不同初始預緊力下,不同頭部結構的高強螺栓的防松性能有差異,六角法蘭螺栓受預緊力的影響較小,防松性能較為穩定,六角頭螺栓幾乎沒有防松效果,彈簧墊圈的防松性能不穩定,從圖1可以看出,六角頭+彈墊組合件夾緊力有持續下降的趨勢,而從圖2、圖3可以看出,六角頭+彈墊組合件的夾緊力衰減較少。

                  彈簧墊圈在初始預緊力較高時,防松性能不明顯,但初始預緊力較低時,如圖2、圖3所示。具有一定的防松作用,如圖4所示。這是由于彈簧墊圈在使用中存在“壓死”和“不壓死”兩種狀態。從圖4可以看出,當彈簧墊圈未壓死時,若螺紋連接發生微量變形,螺栓軸向力的減少量較沒有使用彈墊的螺栓的減少量小,具有一定的軸向力補償作用,當彈簧墊圈在較高的預緊力下,處于“壓死”狀態,無法起到補償作用。彈簧墊圈“未壓死”時,盡管有一定的防松作用,但其開口端容易劃傷接觸面.防松性能不穩定。

                        3.2 預緊力對高強螺栓的防松性能的影響

                  取六角法蘭面螺栓在不同預緊力下的橫向振動試驗結果,擬合出圖5中不同預緊力的夾緊力衰減曲線,如圖5所示。從圖5可以看出,初始預緊力為19.8kN,16.6kN,14.4kN的高強度螺栓,經過120s振動后,軸向夾緊力的降幅分別8.0%,11.8%,13.9%,可以得出,初始預緊力越大,螺栓的防松性能越好。對于高強度螺栓,可利用其屈服軸向力較大的優勢,實際使用中通過提高軸向力的來增強其防松性能,同時提高了螺栓強度與材料的利用率。

                  從圖1。圖3可以看出,在不同初始預緊力下,不同螺栓的防松性能有所差異,經過以上對彈簧墊圈防松原理的理論分析,預緊力大小影響著彈簧墊圈的防松性能,還影響著普通六角頭螺栓的防松性能。當初始預緊力為屈服軸向力的55%時,普通六角頭的防松性能很差,軸向夾緊力降幅為83.6%,而初始預緊力為屈服軸向力的75%時,軸向夾緊力降幅為13.8%,因此,為保持六角頭螺栓的可靠聯接,實際使用時應控制其初始預緊力的范圍。

                  高強度六角頭螺栓在微車中較為普遍,扭矩一般設為屈服扭矩的(50~70)%,通過橫向振動試驗可知,處于振動環境下,對于普通六角頭螺栓,設計扭矩為屈服扭矩的55%可能會導致螺栓松脫失效,在使用中應設計較高的扭矩,約為屈服扭矩的70%左右,并不建議使用在劇烈振動的環境下,如發動機、底盤等關鍵位置。

                        3.3 表面處理對防松性能的影響

                  通過不同表面處理的螺栓軸向夾緊力變化曲線對比,如圖6所示。發現摩擦系數越小,螺栓的防松性能越差。從圖6可以看出,鍍鋅D級鈍化層的高強度螺栓,在120s后軸向力的降幅為0.05%。夾緊力已趨于穩定,而摩擦系數為0.13的達克羅螺栓,120s后的軸向夾緊力的降幅為1.25%,仍有繼續衰減的趨勢。

                  通過以上試驗結果分析,可得摩擦系數對螺栓的防松性能影響較大,這與螺栓防松原理相吻合,摩擦系數越大,螺栓所能提供的摩擦力矩增大。對于相同型號的螺栓,針對該處的防松性能需求,要選擇合適的表面處理方法,并有必要控制摩擦系數的散差,摩擦系數的波動會影響螺栓防松性能的穩定性。

                  4、結論

                  (1) 對螺栓的擰緊力矩與松脫力矩進行分析,得出粗牙螺栓的松脫力矩約為擰緊力矩的80%,細牙螺栓的松脫力矩約為擰緊力矩的85%。對于相同公稱直徑的螺栓,保持相同的夾緊力,細牙螺栓所需的擰緊力矩較粗牙螺栓的擰緊力矩低,但松脫力矩較粗牙的高,細牙螺栓的防松性能較粗牙螺栓好。

                  (2) 通過對影響高強螺栓的防松性能的因素進行總結,發現粗細牙、預緊力大小、螺栓的頭部結構、支承面的表面狀態、摩擦系數等因素,可影響螺栓提供的摩擦力矩,是影響高強螺栓防松性能的主要因素。

                  (3) 對不同頭部結構的螺栓進行橫向振動試驗,發現六角法蘭螺栓的防松性能好,且防松性能穩定。彈簧墊圈受初始預緊力的影響較大,當初始預緊力較大時,彈簧墊圈不具備防松性能,初始預緊力較小時,低于屈服軸向力的65%時,具備一定的防松性能。普通六角頭螺栓基本無防松|生能,不建議使用在汽車中受沖擊較為頻繁的連接處,如底盤、發動機等位置;同時為保證其可靠聯接,應預緊力大小不應低于70%的屈服軸向力。

                  (4) 預緊力大小為影響螺栓防松性能的重要因素,預緊力越大,螺栓的防松性能越好。

                  (5) 對不同表面處理的六角法蘭螺栓進行橫向振動試驗,發現摩擦系數越大,螺栓的防松性能越好。摩擦系數的波動會影響螺栓的防松性能。實際使用中,可針對不同防松需求,選擇不同的表面處理方法。

                  (6) 高強度螺栓在汽車行業內應用較為廣泛,通過對高強螺栓的防松性能的影響分析,可指導實際使用情況,例如:盡可能通過提高預緊力或摩擦系數來提高螺栓的防松性能,以滿足當前的防松需求,降低使用防松螺母的成本。而一些緊固件的使用需要注意其使用條件:彈簧墊圈的使用需要控制其預緊力大小,并在振動較厲害時,彈簧墊圈不具有理想的防松效果;普通六角頭螺栓預緊力較低時,夾緊力衰減嚴重。

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