1、引言
螺栓松動(dòng)失效是螺紋聯(lián)接常見的失效形式。接觸表面的材料相互嵌入、材料蠕變、預(yù)緊力不夠、摩擦系數(shù)的變化等因素，都會(huì)導(dǎo)致螺栓的夾緊力下降[1,11]；當(dāng)螺栓承受交變載荷、振動(dòng)或高溫環(huán)境下，更容易松動(dòng)[2]。我國(guó)傳統(tǒng)汽車產(chǎn)品的螺紋連接一般基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)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(shè)計(jì)制造、裝配時(shí)缺乏相關(guān)參數(shù)的控制，螺紋聯(lián)接可靠性較差，影響汽車的安全性。
對(duì)螺栓的防松原理，影響防松性能的因素進(jìn)行理論研究，并通過(guò)橫向振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了這些因素的影響，提出了部分高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)用建議。
2、螺紋聯(lián)接防松原理
2.1 螺紋聯(lián)接擰緊力矩與松脫力矩計(jì)算模型
為保證螺栓的可靠服役，應(yīng)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(shí)，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(shí)，螺紋副間的摩擦力矩不同。假設(shè)緊固螺栓時(shí)，采用擰緊螺栓頭部的方法，擰緊力矩T的計(jì)算公式為：
T=T1+T2 (1)
螺栓松脫力矩T的計(jì)算公式為：
有文獻(xiàn)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(shù)取0．2，查GB／T-16823．1—1997得到不同規(guī)格的環(huán)形接觸面的外徑、內(nèi)徑，計(jì)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(xì)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(xì)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(duì)于較大扭矩的高強(qiáng)度螺栓，可通過(guò)更換細(xì)牙螺栓來(lái)提高螺栓的松脫力矩。
2.2 影響高強(qiáng)度螺栓防松性能的因素分析
從式(1)．式(6)可得出，螺栓的預(yù)緊力大小、摩擦系數(shù)、螺栓與被連接件的環(huán)形接觸面的外徑、內(nèi)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(dòng)的可能性越小，防松性能越好。在實(shí)際裝配中，有些因素可能間接導(dǎo)致這些參數(shù)的變化。
2.2.1螺栓的頭部結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)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(xiàn)[6]對(duì)于帶彈簧墊圈的螺栓進(jìn)行力學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致螺栓的軸向力下降，彈簧墊圈的防松性能較差。又有文獻(xiàn)表明彈簧墊圈的彈性作用[7]，可補(bǔ)償連接件變形減小的軸向力，應(yīng)具有一定的防松作用。彈簧墊圈的防松作用、彈簧墊圈的應(yīng)用范圍，需要試驗(yàn)進(jìn)一步探索。
2.2.3 支承面的接觸表面狀態(tài)
實(shí)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(shí)，接觸面小可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，材料表面發(fā)生壓潰等，也影響螺栓的預(yù)緊力大小。螺栓與被連接件的表面狀態(tài)也包括摩擦系數(shù)的變化，摩擦系數(shù)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(qiáng)度等級(jí)等因素，對(duì)螺栓的摩擦系數(shù)影響較大[8]。因此，必須對(duì)摩擦系數(shù)加以控制，避免摩
擦系數(shù)的波動(dòng)導(dǎo)致防松性能不穩(wěn)定。
3、影響高強(qiáng)螺栓防松性能關(guān)鍵因素的試驗(yàn)研究
橫向振動(dòng)比軸向振動(dòng)更易使螺栓松動(dòng)[9]。因此，對(duì)試驗(yàn)螺栓采取橫向振動(dòng)的方法，記錄螺栓的夾緊力隨時(shí)間的變化情況，可比較不同試驗(yàn)螺栓的防松性能。選取M 1 0x 1.25—8.8級(jí)的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)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(gè)螺栓螺母。橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的振幅為(±1．0)mm，橫向位移測(cè)量誤差在(±1)％內(nèi)，夾緊力測(cè)量誤差在(±3)％內(nèi)。試驗(yàn)按照GB/T1043l一2008執(zhí)行。
在螺栓滿足工況載荷要求下，螺栓的初始預(yù)緊力在屈服軸向力的(50～75)％范圍可保證擰緊[10]。本次試驗(yàn)選擇螺栓屈服軸向力的55％，65％，75％三種預(yù)緊力，即14．5kN，16．6kN，19．8kN分別擰緊，以不同頭部結(jié)構(gòu)的螺栓進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果，如圖l～圖3所示。
為研究摩擦系數(shù)對(duì)高強(qiáng)度螺栓的影響，試驗(yàn)螺栓選取3種摩擦系數(shù)的六角頭法蘭面螺栓，表面處理為Fe／Ep·Zn8·d2D(鍍鋅D級(jí)鈍化層)、Fe／Ep·Zn8·c2C(鍍鋅C級(jí)鈍化層)、達(dá)克羅處理的螺栓，摩擦系數(shù)分別為0.25，0.2，0.13。分別進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。
3.1頭部結(jié)構(gòu)對(duì)高強(qiáng)螺栓的防松性能的影響
不同頭部結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)螺栓在不同初始預(yù)緊力下的夾緊力隨時(shí)間的變化情況，如圖1～圖3所示。由圖1可得，當(dāng)預(yù)緊力較大時(shí)，防松性能對(duì)比結(jié)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(dāng)預(yù)緊力為16．6kN時(shí)，防松性能對(duì)比結(jié)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(duì)比結(jié)果一致，但是預(yù)緊力較小時(shí)，普通六角頭螺栓的軸向夾緊力衰減較為厲害，振動(dòng)60s已經(jīng)下降至初始預(yù)緊力的30％，螺栓與螺母已發(fā)生明顯的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖l～圖3可得，不同初始預(yù)緊力下，不同頭部結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)螺栓的防松性能有差異，六角法蘭螺栓受預(yù)緊力的影響較小，防松性能較為穩(wěn)定，六角頭螺栓幾乎沒(méi)有防松效果，彈簧墊圈的防松性能不穩(wěn)定，從圖1可以看出，六角頭+彈墊組合件夾緊力有持續(xù)下降的趨勢(shì)，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(yù)緊力較高時(shí)，防松性能不明顯，但初始預(yù)緊力較低時(shí)，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(tài)。從圖4可以看出，當(dāng)彈簧墊圈未壓死時(shí)，若螺紋連接發(fā)生微量變形，螺栓軸向力的減少量較沒(méi)有使用彈墊的螺栓的減少量小，具有一定的軸向力補(bǔ)償作用，當(dāng)彈簧墊圈在較高的預(yù)緊力下，處于“壓死”狀態(tài)，無(wú)法起到補(bǔ)償作用。彈簧墊圈“未壓死”時(shí)，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(wěn)定。
3.2 預(yù)緊力對(duì)高強(qiáng)螺栓的防松性能的影響
取六角法蘭面螺栓在不同預(yù)緊力下的橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，擬合出圖5中不同預(yù)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(yù)緊力為19.8kN，16.6kN，14.4kN的高強(qiáng)度螺栓，經(jīng)過(guò)120s振動(dòng)后，軸向夾緊力的降幅分別8.0％，11.8％，13.9％，可以得出，初始預(yù)緊力越大，螺栓的防松性能越好。對(duì)于高強(qiáng)度螺栓，可利用其屈服軸向力較大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)際使用中通過(guò)提高軸向力的來(lái)增強(qiáng)其防松性能，同時(shí)提高了螺栓強(qiáng)度與材料的利用率。
從圖1。圖3可以看出，在不同初始預(yù)緊力下，不同螺栓的防松性能有所差異，經(jīng)過(guò)以上對(duì)彈簧墊圈防松原理的理論分析，預(yù)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(dāng)初始預(yù)緊力為屈服軸向力的55％時(shí)，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(yù)緊力為屈服軸向力的75％時(shí)，軸向夾緊力降幅為13．8％，因此，為保持六角頭螺栓的可靠聯(lián)接，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)控制其初始預(yù)緊力的范圍。
高強(qiáng)度六角頭螺栓在微車中較為普遍，扭矩一般設(shè)為屈服扭矩的(50～70)％，通過(guò)橫向振動(dòng)試驗(yàn)可知，處于振動(dòng)環(huán)境下，對(duì)于普通六角頭螺栓，設(shè)計(jì)扭矩為屈服扭矩的55％可能會(huì)導(dǎo)致螺栓松脫失效，在使用中應(yīng)設(shè)計(jì)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(dòng)的環(huán)境下，如發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤等關(guān)鍵位置。
3.3 表面處理對(duì)防松性能的影響
通過(guò)不同表面處理的螺栓軸向夾緊力變化曲線對(duì)比，如圖6所示。發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)越小，螺栓的防松性能越差。從圖6可以看出，鍍鋅D級(jí)鈍化層的高強(qiáng)度螺栓，在120s后軸向力的降幅為0.05％。夾緊力已趨于穩(wěn)定，而摩擦系數(shù)為0.13的達(dá)克羅螺栓，120s后的軸向夾緊力的降幅為1．25％，仍有繼續(xù)衰減的趨勢(shì)。
通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果分析，可得摩擦系數(shù)對(duì)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(shù)越大，螺栓所能提供的摩擦力矩增大。對(duì)于相同型號(hào)的螺栓，針對(duì)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(shù)的散差，摩擦系數(shù)的波動(dòng)會(huì)影響螺栓防松性能的穩(wěn)定性。
4、結(jié)論
(1) 對(duì)螺栓的擰緊力矩與松脫力矩進(jìn)行分析，得出粗牙螺栓的松脫力矩約為擰緊力矩的80％，細(xì)牙螺栓的松脫力矩約為擰緊力矩的85％。對(duì)于相同公稱直徑的螺栓，保持相同的夾緊力，細(xì)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(xì)牙螺栓的防松性能較粗牙螺栓好。
(2) 通過(guò)對(duì)影響高強(qiáng)螺栓的防松性能的因素進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)粗細(xì)牙、預(yù)緊力大小、螺栓的頭部結(jié)構(gòu)、支承面的表面狀態(tài)、摩擦系數(shù)等因素，可影響螺栓提供的摩擦力矩，是影響高強(qiáng)螺栓防松性能的主要因素。
(3) 對(duì)不同頭部結(jié)構(gòu)的螺栓進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)六角法蘭螺栓的防松性能好，且防松性能穩(wěn)定。彈簧墊圈受初始預(yù)緊力的影響較大，當(dāng)初始預(yù)緊力較大時(shí)，彈簧墊圈不具備防松性能，初始預(yù)緊力較小時(shí)，低于屈服軸向力的65％時(shí)，具備一定的防松性能。普通六角頭螺栓基本無(wú)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(fā)動(dòng)機(jī)等位置；同時(shí)為保證其可靠聯(lián)接，應(yīng)預(yù)緊力大小不應(yīng)低于70％的屈服軸向力。
(4) 預(yù)緊力大小為影響螺栓防松性能的重要因素，預(yù)緊力越大，螺栓的防松性能越好。
(5) 對(duì)不同表面處理的六角法蘭螺栓進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)越大，螺栓的防松性能越好。摩擦系數(shù)的波動(dòng)會(huì)影響螺栓的防松性能。實(shí)際使用中，可針對(duì)不同防松需求，選擇不同的表面處理方法。
(6) 高強(qiáng)度螺栓在汽車行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，通過(guò)對(duì)高強(qiáng)螺栓的防松性能的影響分析，可指導(dǎo)實(shí)際使用情況，例如：盡可能通過(guò)提高預(yù)緊力或摩擦系數(shù)來(lái)提高螺栓的防松性能，以滿足當(dāng)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(yù)緊力大小，并在振動(dòng)較厲害時(shí)，彈簧墊圈不具有理想的防松效果；普通六角頭螺栓預(yù)緊力較低時(shí)，夾緊力衰減嚴(yán)重。
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