汽車螺栓連接的擰緊與防松是怎么做的？

螺栓連接廣泛應(yīng)用于機(jī)械裝備、航天航空、汽車、軌道交通等領(lǐng)域，是緊固件連接中最基本的結(jié)構(gòu)形式。汽車裝配過(guò)程中，螺栓連接具有可批量化、標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆卸等優(yōu)點(diǎn)而得到最為廣泛的應(yīng)用。車輛在行駛過(guò)程中，因?yàn)檎駝?dòng)、高低載荷變化、沖擊或者長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)時(shí)，螺栓容易產(chǎn)生松動(dòng)甚至脫落現(xiàn)象，給汽車的行駛帶來(lái)很大的安全隱患，對(duì)于汽車用螺栓連接的擰緊與防松的研究成為各汽車廠研究的課題。

01 螺栓連接的擰緊

1.1 螺栓緊固原理 

采用螺栓連接的目的是使 2 個(gè)被連接件緊密貼合，因?yàn)檫B接件要承受一定的動(dòng)載荷，所以還需要被連接件具備足夠的壓緊力，以保證被連接零件的可靠連接和正常工作。這樣就要求作為連接的螺栓在擰緊后要具有足夠的軸向預(yù)緊力。軸向預(yù)緊力的施加是依靠“擰 緊”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，擰緊的過(guò)程就是施加扭矩的過(guò)程，如圖 1 所示。

在擰緊的過(guò)程中，扭矩、預(yù)緊力隨著角度的變化而變化，大致可以分為 3 個(gè)階段（見(jiàn)圖 2）。

第1 階段：在開(kāi)始擰緊時(shí)，由于螺栓與被連接件未接觸，故壓緊力為零，但是存在一定的摩擦力，所以扭矩 T 保 持在一個(gè)較小的數(shù)值。第 2 階段：當(dāng)螺栓與被連接件開(kāi)始接觸后，壓緊力 F 和扭矩 T 隨轉(zhuǎn)角 A 的增加迅速上升。第 3 階段：達(dá)到屈服點(diǎn)，螺栓開(kāi)始塑性變形，轉(zhuǎn)角增加較大而壓緊力和扭矩卻增加較小，甚至不變。如在繼續(xù)擰緊，扭矩 T 和壓緊力 F 下降，螺栓產(chǎn)生斷裂。 

根據(jù)螺紋的特性和擰緊過(guò)程中的力學(xué)分析，T 與 F 的關(guān) 系為：T=K F d，其中：T 為擰緊扭矩；F 為預(yù)緊力；d 為公稱直徑，與螺栓的型號(hào)有關(guān)；K 為扭矩系數(shù)，與支承面粗糙度和潤(rùn)滑情況、螺紋副精度和潤(rùn)滑情況等有關(guān)。 

1.2 螺栓擰緊的控制方式 

扭矩直接擰緊法：扭矩?cái)Q緊法的理論基礎(chǔ)是扭矩大小和軸向預(yù)緊力之間存在T=KFd的關(guān)系。通過(guò)將擰緊工具設(shè)置到某個(gè)扭矩值來(lái)控制被聯(lián)接件的預(yù)緊力，如圖 3 所示。

在工藝過(guò)程、零件質(zhì)量等因素穩(wěn)定的前提下，該擰緊方式操作簡(jiǎn)單、直觀，目前 被廣泛采用。由于外界不穩(wěn)定條件對(duì)扭矩?cái)Q緊法的影響很多，所以通過(guò)控制擰緊扭矩間接地實(shí)施預(yù)緊力控制的扭矩法將導(dǎo)致對(duì)軸向預(yù)緊力控制精度低。而且有極少數(shù)的螺栓聯(lián)接，扭矩已達(dá)到規(guī)定值，而螺栓頭還未完全與被聯(lián)接件貼合或間隙有時(shí)很小，目視不容易發(fā)現(xiàn)。此時(shí)扭矩值合格，但預(yù)緊力很小，甚至沒(méi)有。所以扭矩直接控制擰緊法操作方便，但是精度較低，一般控制在±25%左右，主要用在非關(guān)鍵部位。 

轉(zhuǎn)角擰緊法：轉(zhuǎn)角擰緊法是在扭力直接擰緊法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。螺栓擰緊時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度與螺 栓伸長(zhǎng)量與被擰緊件松動(dòng)量的總和大致成比例關(guān)系，因而可采取按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度來(lái)達(dá)到預(yù)定擰緊力的方法。轉(zhuǎn)角擰緊法的曲線走向如圖 4 所示。

將螺栓擰緊到起始力矩，再旋轉(zhuǎn)一 定的角度，將螺栓拉伸到彈性變形區(qū)域。旋轉(zhuǎn)角度擰緊法的實(shí)質(zhì)是控制螺栓的伸長(zhǎng)量，在彈性范圍內(nèi)軸向預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量成正比，控制伸長(zhǎng)量就是控制軸向力。該方法裝配精度高，可控制在±15%以內(nèi)，一 般用于要求較高的裝配部位，抗松動(dòng)、抗疲勞性能更佳。 

屈服點(diǎn)擰緊法：屈服點(diǎn)擰緊法是利用材料屈服的現(xiàn)象發(fā)展起來(lái)的高精度擰緊方法。這種控制方法是通過(guò)對(duì)擰緊的扭矩 / 轉(zhuǎn)角曲線斜 率的連續(xù)計(jì)算來(lái)判斷確定屈服點(diǎn)的。螺栓在擰緊的過(guò)程中， 期扭矩 - 轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖 5 所示。

真正擰緊開(kāi)始時(shí)，斜率上升很快，之后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)短的變緩后而保持恒定（a-b 之間）， 過(guò) b 點(diǎn)后，其斜率經(jīng)簡(jiǎn)短的緩慢下降后，有快速下降。當(dāng)斜率下降一定值時(shí)（一般定義為最大斜率的 1/2），說(shuō)明已達(dá)到了屈服點(diǎn)，立即發(fā)出停止擰緊信號(hào)。屈服點(diǎn)控制法的擰緊精度非常高，預(yù)緊力大約在±4%左右，其擰緊工具的價(jià)格昂貴。

02 螺栓連接的防松措施

螺栓防松是通過(guò)消除（或限制）螺紋副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 或增大相對(duì)運(yùn)動(dòng)的難度，防止連接松脫，保證連接安全可靠。防松的措施多種多樣，下面介紹幾種常用的防松措施。 

2.1 附加摩擦力的防松 

附加件摩擦力防松主要有 3 種方式：雙螺母擰緊結(jié)構(gòu)、 彈簧墊圈擰緊結(jié)構(gòu)及自鎖螺母擰緊結(jié)構(gòu)。雙螺母擰緊結(jié)構(gòu)是通過(guò)增加一顆螺母與原有緊固螺母相互擠壓，使其受到附加的壓力和摩擦力，從而增加防松效果，如圖 6 所示。

彈簧墊圈擰緊結(jié)構(gòu)是依靠墊圈壓平而產(chǎn)生的彈性反力使旋合螺紋間壓緊，同時(shí)墊圈斜口的尖端抵住螺栓或者螺母與被連接件的支撐面，也有防松作用。但這種結(jié)構(gòu)在振動(dòng)沖擊載荷作用下防松效果較差，一般用于非關(guān)鍵連接，如圖 7 所示。

自鎖螺母擰緊結(jié)構(gòu)有全金屬自鎖金螺母和非金屬嵌件鎖緊螺母兩種，兩種螺母在使用過(guò)程中，通過(guò)自身的形變產(chǎn)生鎖緊效果， 在底盤(pán)的關(guān)鍵部位使用廣泛，如圖 8 所示。

2.2 機(jī)械防松 

機(jī)械防松主要有六角開(kāi)槽螺母配開(kāi)口銷、圓螺母與止動(dòng)墊片等結(jié)構(gòu)。六角開(kāi)槽螺母配開(kāi)口銷是開(kāi)口銷穿過(guò)螺母的槽和螺栓末端的銷孔，并將開(kāi)口銷尾部掰開(kāi)與螺母?jìng)?cè)面貼緊，將螺母和螺栓鎖緊，如圖 9 所示。

這種結(jié)構(gòu)防松可靠，可用于激烈的沖擊、振動(dòng)部位。圓螺母與止動(dòng)墊片是將單耳或者雙耳止動(dòng)墊片分別向螺母和被連接件的側(cè)面折彎貼緊，如圖 10 所示。

2.3 其他方式 

化學(xué)防松：在螺紋間增加厭氧膠等密封材料，擰緊螺母后， 厭氧膠經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間可以固化， 從而可靠地粘結(jié)螺紋，防止螺紋相對(duì)運(yùn)動(dòng)。永久防松：在螺栓與螺母接觸面上通過(guò)端鉚、沖點(diǎn)、點(diǎn)焊等方式，使螺栓與螺母形成剛性連接防止其相對(duì)運(yùn)動(dòng)。除了以上防松的措施外，還可以通過(guò)更換細(xì)牙螺栓、增大預(yù)緊力（在可行的范圍呢）、提高員工的操作技能、提升零件螺栓和連接件的制造精度等途徑提升螺栓的防松效果。