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。汽車裝配過程中，螺栓連接具有可批量化、標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)簡單、易于拆卸等優(yōu)點而得到最為廣泛的應(yīng)用。車輛在行駛過程中，因為振動、高低載荷變化、沖擊或者長期處于工作狀態(tài)時，螺栓容易產(chǎn)生松動甚至脫落現(xiàn)象，給汽車的行駛帶來很大的安全隱患，對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 個被連接件緊密貼合，因為連接件要承受一定的動載荷，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”來實現(xiàn)的，擰緊的過程就是施加扭矩的過程，如圖 1 所示。

在擰緊的過程中，扭矩、預(yù)緊力隨著角度的變化而變化，大致可以分為 3 個階段（見圖 2）。

第1 階段：在開始擰緊時，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 持在一個較小的數(shù)值。第 2 階段：當(dāng)螺栓與被連接件開始接觸后，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，螺栓開始塑性變形，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，與螺栓的型號有關(guān)；K 為扭矩系數(shù)，與支承面粗糙度和潤滑情況、螺紋副精度和潤滑情況等有關(guān)。 

1.2 螺栓擰緊的控制方式 

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

在工藝過程、零件質(zhì)量等因素穩(wěn)定的前提下，該擰緊方式操作簡單、直觀，目前 被廣泛采用。由于外界不穩(wěn)定條件對扭矩擰緊法的影響很多，所以通過控制擰緊扭矩間接地實施預(yù)緊力控制的扭矩法將導(dǎo)致對軸向預(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很小，目視不容易發(fā)現(xiàn)。此時扭矩值合格，但預(yù)緊力很小，甚至沒有。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)展起來的。螺栓擰緊時的旋轉(zhuǎn)角度與螺 栓伸長量與被擰緊件松動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)角度擰緊法的實質(zhì)是控制螺栓的伸長量，在彈性范圍內(nèi)軸向預(yù)緊力與伸長量成正比，控制伸長量就是控制軸向力。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、抗疲勞性能更佳。 

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

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

02 螺栓連接的防松措施

螺栓防松是通過消除（或限制）螺紋副之間的相對運動， 或增大相對運動的難度，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，兩種螺母在使用過程中，通過自身的形變產(chǎn)生鎖緊效果， 在底盤的關(guān)鍵部位使用廣泛，如圖 8 所示。

2.2 機械防松 

機械防松主要有六角開槽螺母配開口銷、圓螺母與止動墊片等結(jié)構(gòu)。六角開槽螺母配開口銷是開口銷穿過螺母的槽和螺栓末端的銷孔，并將開口銷尾部掰開與螺母側(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、振動部位。圓螺母與止動墊片是將單耳或者雙耳止動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)過一定的時間可以固化， 從而可靠地粘結(jié)螺紋，防止螺紋相對運動。永久防松：在螺栓與螺母接觸面上通過端鉚、沖點、點焊等方式，使螺栓與螺母形成剛性連接防止其相對運動。除了以上防松的措施外，還可以通過更換細(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。