柯勝藍 張少甫 張曉俊

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 前言

緊固件連接是汽車零部件的重要連接方式，相比于焊接和膠接，其因可靠性高、可拆卸的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在汽車零部件裝配中。常見緊固件類型有螺栓、自攻螺釘、螺母、鉚釘、雙頭螺柱。受實際生產(chǎn)過程中各種異常因素的影響，緊固件會出現(xiàn)斷裂[1-2]、滑牙[3-4]、松動[5-6]、無法有效擰緊[7]等失效。

汽車偏心螺栓將汽車彈簧擺臂擰緊在螺母上從而固定在副車架上，偏心螺栓的轉(zhuǎn)動會帶動彈簧擺臂一起移動，彈簧擺臂的移動會導(dǎo)致車輪傾角變化。因此，汽車偏心螺栓的作用是調(diào)節(jié)車輪傾角的大小，偏心螺栓在汽車行駛過程中不允許出現(xiàn)轉(zhuǎn)動和竄動。目前關(guān)于汽車偏心螺栓的失效原理研究較少，王韶普等[8]研究了汽車偏心螺栓的滑牙失效，朱凌靜[9]研究了偏心螺栓的斷裂失效。詳細研究偏心螺栓轉(zhuǎn)動的原因，并提出優(yōu)化方案，最終通過功能性試驗驗證優(yōu)化措施有效。

2 問題描述

某車型經(jīng)過整車濫用路試試驗后，后橋前束調(diào)節(jié)螺栓螺母出現(xiàn)連接副異常轉(zhuǎn)動。路試試驗時連接副螺栓螺母的轉(zhuǎn)動方向如圖1 所示。連接副的螺母出現(xiàn)了順時針方向轉(zhuǎn)動，如圖1a 所示；螺栓出現(xiàn)逆時針方向轉(zhuǎn)動，如圖1b 所示。由于螺栓螺母的轉(zhuǎn)動觀察方向相反，因此螺栓螺母連接副整體是沿同一方向轉(zhuǎn)動的。

圖1 連接副螺栓螺母的轉(zhuǎn)動方向

3 測試分析

3.1 自鎖螺母的摩擦因數(shù)和自鎖特性測試

連接副的螺母為自鎖螺母，如圖2 所示，通過在普通螺母上部嵌入尼龍從而實現(xiàn)螺母的自鎖。螺母的表面處理為鋅鋁涂覆并做潤滑，總摩擦因數(shù)控制范圍為0.10～0.16。

采用SCHATZ 摩擦因數(shù)機，按照標準ISO 2320: 2015 Fasteners-Prevailing torque steel nuts-Functional properties 對同批次自鎖螺母的摩擦因數(shù)和自鎖特性進行測試，測試結(jié)果如表1所示，其中擰入扭矩為5.5～6.5 N·m，符合＜10.5 N·m 的標準要求；第1次松脫扭矩為6.1～7.5 N·m，符合＞3.1 N·m的標準要求；第3次松脫扭矩為5.3～6.5 N·m，符合＞2.1 N·m 的標準要求；總摩擦因數(shù)的測試方法為ISO 16047: 2005 Fasteners-Torque/clamp force testing，實測值為0.122～0.132，符合標準值0.10～0.16 的要求。

表1 自鎖螺母擰入扭矩和總摩擦因數(shù)測試結(jié)果

3.2 失效件自鎖螺母的硬度和金相測試

該自鎖螺母的等級為10 級，參照標準ISO 898- 2: 2022 Fasteners- Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel-Part 2:Nuts with specified property classes，對失效件自鎖螺母的硬度和金相測試。采用Wilson UH750 型萬能硬度機進行硬度測試，測試結(jié)果如表2 所示，實測數(shù)值為312～321 HV10，滿足標準值295～353 HV10 的要求。

表2 失效件自鎖螺母硬度測試結(jié)果 HV10

采用Axiovert 200MAT 型顯微鏡對失效件進行金相檢驗，結(jié)果顯示失效螺栓的主要組織為回火索氏體，組織正常，金相如圖3 所示。

圖3 失效件自鎖螺母金相圖

3.3 失效件偏心螺栓的硬度和金相測試

該偏心螺栓的等級為10.9 級，參照標準ISO 898-1: 2013(en) Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel — Part 1: Bolts,screws and studs with specified property classes —Coarse thread and fine pitch thread，對失效件自鎖螺母進行硬度和金相測試。采用Wilson UH750 型萬能硬度機進行硬度測試，測試結(jié)果如表3所示，實測數(shù)值為361～368 HV10，滿足標準值320～370 HV10的要求。

表3 失效件偏心螺栓硬度測試 HV10

采用Axiovert 200MAT 型顯微鏡對失效件進行金相檢驗，檢驗的結(jié)果顯示失效螺栓的主要組織為回火索氏體，組織正常，金相如圖4 所示。

圖4 失效件偏心螺栓金相圖

3.4 偏心螺栓摩擦因數(shù)測試

對同批次螺栓的失效件進行摩擦因數(shù)測試，采用SCHATZ 摩擦因數(shù)機，參考標準為ISO 16047:2005 Fasteners-Torque/clamp force testing，測試結(jié)果如表4 所示，其中螺紋摩擦因數(shù)為0.11～0.12，符合標準值0.08～0.16 的要求。頭部摩擦因數(shù)為0.25～0.27，總摩擦因數(shù)為0.18～0.20，超出標準要求的0.08～0.16 摩擦因數(shù)范圍。

表4 偏心螺栓摩擦因數(shù)測試結(jié)果

摩擦因數(shù)測試后，螺栓頭部法蘭面僅摩擦到了根部。公式（1）為頭部摩擦因數(shù)μb計算公式，當頭部摩擦力矩Tb和夾緊力F不變時，摩擦半徑Db越小，頭部摩擦因數(shù)則越大。因為該螺栓頭部僅摩擦到了根部，摩擦半徑較小，導(dǎo)致頭部摩擦偏大。

法蘭面平整度狀態(tài)如圖5 所示，螺栓的法蘭面內(nèi)凸較嚴重，摩擦過程中僅摩擦到螺桿根部。當擰緊后的螺栓僅螺桿根部與被連接件接觸，法蘭面由面接觸變?yōu)榫€接觸，螺栓的防松和防轉(zhuǎn)動性能下降。

圖5 偏心螺栓法蘭狀態(tài)

4 螺栓的優(yōu)化措施

針對偏心螺栓法蘭面內(nèi)凸嚴重的問題，從以下幾方面進行優(yōu)化。

4.1 減小六角連接處臺階高度

如圖6 所示，將六角連接處臺階高度從3.2～3.25 mm 降低至3.1～3.15 mm，降低螺栓和墊片組合后根部的高度，有利于擴大法蘭螺栓擰緊時的摩擦面。

圖6 偏心螺栓六角連接處臺階高度優(yōu)化尺寸

4.2 墊片初始平面度和孔徑優(yōu)化

如圖7 所示，將墊片孔徑由13.85～13.9 mm 增大至14.3～14.35 mm，螺栓與墊片的配合方式從過盈配合變成間隙配合，避免螺栓根部因材料較多導(dǎo)致突起，進而減小摩擦面積。

圖7 偏心螺栓法蘭孔徑和平面度優(yōu)化方案

將墊片從平面優(yōu)化成反角度0.5°～1°，保證了墊片鉚接后不會凸起，將摩擦面線接觸轉(zhuǎn)化為面接觸。

5 優(yōu)化后的測試

5.1 螺栓摩擦因數(shù)測試

優(yōu)化后的螺栓摩擦因數(shù)測試結(jié)果如表5 所示，其中頭部摩擦因數(shù)為0.095～0.101，螺紋摩擦因數(shù)為0.107～0.118，總的摩擦因數(shù)為0.102～0.108，滿足標準值0.08～0.16 的要求。

表5 優(yōu)化后的偏心螺栓摩擦因數(shù)測試結(jié)果

優(yōu)化后經(jīng)過摩擦因數(shù)測試的法蘭面摩擦情況如圖8a 所示，頭下摩擦面摩擦較均勻，摩擦面由線接觸變?yōu)槊娼佑|，摩擦面的面積較優(yōu)化前明顯增加。法蘭面平整度狀態(tài)如圖8b 所示，螺栓法蘭面平整，無肉眼可觀的內(nèi)凸，法蘭面平整有利于提升連接副的防松動和防轉(zhuǎn)動性能。

圖8 偏心螺栓法蘭狀態(tài)

5.2 路試驗證

將優(yōu)化后的螺栓按照扭矩法擰緊在副車架上，重新進行整車濫用路試試驗（路試條件和失效件路試條件一致），路試試驗后，螺栓未出現(xiàn)轉(zhuǎn)動。測試結(jié)果顯示螺栓優(yōu)化方法有效，證明了螺栓的轉(zhuǎn)動是由于偏心螺栓法蘭墊片內(nèi)凸和連接副的防松動能力下降導(dǎo)致的。

6 結(jié)論

a. 失效件偏心螺栓硬度和金相滿足標準和圖紙要求；自鎖螺母硬度、金相和扭矩特性滿足標準和圖紙要求。

b. 整車濫用路試試驗后，螺栓出現(xiàn)轉(zhuǎn)動的主要原因是螺栓法蘭面內(nèi)凸、摩擦不均勻及摩擦因數(shù)不符合標準要求。法蘭摩擦面為線接觸，相比于面接觸，螺栓的防松和防轉(zhuǎn)動性能較差，螺栓防松和防轉(zhuǎn)動性能下降導(dǎo)致偏心螺栓整車濫用路試試驗后出現(xiàn)轉(zhuǎn)動。

c. 通過降低螺栓六角連接處臺階高度、增大墊片鉚接前的孔徑、將鉚接前墊片做成反角度，提升了螺栓法蘭面的平面度和法蘭面摩擦均勻度，優(yōu)化后的螺栓摩擦因數(shù)合格，整車濫用路試試驗后未出現(xiàn)轉(zhuǎn)動。