導讀

作者：王道斌,、劉 亮（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

來源：《中國高新技術》2020年第5期

摘要：通過螺栓連接緊固的原理分析,，確定了在擰緊過程中螺栓及連接件的受力關系,。根據受力分析及實際生產過程的經 驗,，確定了擰緊的控制方式和常用的防松措施，解決了螺栓在復雜工況下工作的安全隱患,，可為汽車裝配生產提供參考,。

    螺栓連接廣泛應用于機械裝備、航天航空,、汽車,、軌道 交通等領域，是緊固件連接中最基本的結構形式,。汽車裝配 過程中,，螺栓連接具有可批量化、標準化,、結構簡單,、易于 拆卸等優(yōu)點而得到最為廣泛的應用。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 栓容易產生松動甚至脫落現象,，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,。

1. 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緊力。軸向預緊力的施加是依靠“擰 緊”來實現的,，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 持在一個較小的數值。第 2 階段：當螺栓與被連接 件開始接觸后,，壓緊力 F 和扭矩 T 隨轉角 A 的增加迅速 上升,。第 3 階段：達到屈服點,，螺栓開始塑性變形，轉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,，螺栓產生斷裂,。 

    根據螺紋的特性和擰緊過程中的力學分析，T 與 F 的關 系為：T=K F d,，其中：T 為擰緊扭矩,；F 為預緊力；d 為公 稱直徑,，與螺栓的型號有關,；K 為扭矩系數，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,。

1.2 螺栓擰緊的控制方式 

1.2.1 扭矩直接擰緊法 

    扭矩擰緊法的理論基礎是扭矩大小和軸向預緊力之間存 在 T=K F d 的關系。通過將擰緊工具設置到某個扭矩值來控 制被聯接件的預緊力,，如圖 3 所示,。在工藝過程、零件質 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 矩間接地實施預緊力控制的扭矩法將導致對軸向預緊力控制 精度低。而且有極少數的螺栓聯接,，扭矩已達到規(guī)定值,，而 螺栓頭還未完全與被聯接件貼合或間隙有時很小，目視不容 易發(fā)現,。此時扭矩值合格,，但預緊力很小，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,，主要用在非關鍵部位,。

    轉角擰緊法是在扭力直接擰緊法的基礎上發(fā)展起來的。螺栓擰緊時的旋轉角度與螺 栓伸長量與被擰緊件松動量 的總和大致成比例關系，因而 可采取按規(guī)定旋轉角度來達 到預定擰緊力的方法,。轉角擰 緊法的曲線走向如圖 4 所示,。

將螺栓擰緊到起始力矩，再旋轉一 定的角度,，將螺栓拉伸到彈性變形 區(qū)域。旋轉角度擰緊法的實質是控 制螺栓的伸長量,，在彈性范圍內軸 向預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,，一 般用于要求較高的裝配部位，抗松 動,、抗疲勞性能更佳,。

1.2.3 屈服點擰緊法 

    屈服點擰緊法是利用材料屈服的現象發(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,，之后經過簡短的變緩后而保持恒定（a-b 之間）， 過 b 點后,，其斜率經簡短的緩 慢下降后,，有快速下降。當斜 率下降一定值時（一般定義為 最大斜率的 1/2）,，說明已達 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,，預緊力大約在 ±4% 左右,，其擰緊工具的價格昂貴。

2. 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：雙螺母擰緊結構,、 彈簧墊圈擰緊結構及自鎖螺母擰緊結構,。雙螺母擰緊結構是 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 圈擰緊結構是依靠墊圈壓平而產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,。但這種結構在振動沖擊載荷作用下 防松效果較差，一般用于非關鍵連接,，如圖 7 所示,。自鎖螺 母擰緊結構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,，通過自身的形變產生鎖緊效果,， 在底盤的關鍵部位使用廣泛，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 等結構。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 與螺母側面貼緊,，將螺母和螺栓 鎖緊，如圖 9 所示,。這種結構防 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面折彎貼緊,，如圖 10 所示。

2.3 其他方式 

    化學防松：在螺紋間增加厭 氧膠等密封材料,，擰緊螺母后,， 厭氧膠經過一定的時間可以固化， 從而可靠地粘結螺紋,，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,，還可以通過更換細牙螺栓,、增 大預緊力（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,。

3. 結語 

    本文通過對螺栓連接原理的研究，分析得出常用的擰緊 方式和防松措施，可以有效地保證車輛組裝過程中的螺栓連 接效果,，為車輛使用過程中的安全提供有力的保證,。螺栓的 擰緊和防松是一個復雜的課題，相信隨著機械行業(yè)技術的不 斷發(fā)展和技術人員的不斷研究,，汽車用螺栓連接的擰緊技術 和防松技術也會得到進一步提升,。