螺纹紧固件松动的影响因素及防松工艺...

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导读

作者：罗 威 1，郭 磊 1，鲁 毅 1，冯 策 2（1. 西安庄信新材料科技有限公司，陕西 西安 710018；2. 陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710018）

来源：《北京汽车》2022年8月

摘要：螺纹连接作为汽车零部件装配的主要连接方式，其装配质量直接影响汽车行驶的可靠性和安全性。螺栓的主要失效形式为螺栓松动后引发疲劳断裂，包括旋转松动和非旋转松动。螺纹紧固件松动的影响因素主要有初始预紧力、摩擦系数、初始松动等，提出了预紧力拧紧防松、摩擦防松、机械锁紧防松等防松措施。


0 引 言

    螺纹连接结构简单、拆装方便，且易于标准化生产，被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车制造、风电等领域。螺纹连接长期使用在振动、冲击等复杂的外部环境下，易发生失效，其失效形式主要有断裂和松动，其中松动是引起螺栓断裂的主要因素[1]。螺纹连接松动是指螺纹连接轴向预紧力衰减，可由连接件反复相对滑动磨损或螺栓与连接件的塑性变形引起。螺栓的预紧力对所有连接件起着决定性作用，螺栓预紧力降低会直接导致连接件功能丧失。松动由旋转松动和非旋转松动产生，具体的影响因素如图 1 所示。本文对螺栓松动的影响因素进行分析，并提出相应的防松措施。



1 螺纹连接松动的影响因素     转动预紧力为 Ff 的螺纹连接螺母，其拧紧扭矩 Tf 和松动扭矩 TL的计算式[3]为：


式中：Ff为初始预紧力，N；dp为螺纹有效直径，mm；dw为螺母支撑面摩擦力矩的等效直径，mm；μs 为螺纹副摩擦系数；μw 为支撑面摩擦系数；β 为螺纹升角。其中 TL/Tf 约为 0.8，即松动扭矩约为拧紧扭矩 80%。理论上，当作用在螺母或螺栓头上的松动扭矩不大于 0.8Tf时螺母或螺栓不会发生松动；实际上，螺母即使不松动回转，预紧力也会降低，螺母即使不受松动扭矩作用，也可能松动回转[3]。从式（1）可以看出，初始预紧力、螺纹副和支撑面摩擦系数、螺纹结构尺寸对拧紧扭矩均有影响；此外，拧紧方式、支撑面材料刚度、初始松动、螺母自回转也是螺纹连接松动的影响因素。对初始预紧力、摩擦系数、初始松动进行重点分析。1.1 初始预紧力     采用螺纹连接时为保证被连接零件之间的可靠性和紧密性，需要在被连接零件之间施加足够大的轴向夹紧力，轴向夹紧力与防松性能成正比,实际生产中通过控制拧紧扭矩来控制螺纹连接的轴向预紧力。螺纹紧固件拧紧时，90%扭矩用于克服螺纹副的摩擦力及螺栓螺母与零件之间的摩擦力，10%扭矩转化为轴向夹紧力，并且摩擦力与轴向夹紧力正相关[4]。当作用在紧固件上的横向应力超过螺纹副的摩擦力时，螺纹连接会发生松动。因此，合适的预紧力是螺纹连接防松的重要影响因素。预紧力过大会造成支撑面压溃，导致轴向力衰减出现松动，一旦预紧力超过螺栓的屈服极限，会导致螺栓断裂；预紧力过小则可能导致螺纹连接松动[5]。通常，最大预紧力σfmax 约为螺栓材料破坏应力 70%，最小预紧力σfmin 为：


式中：Q 为预紧系数，与拧紧方式、螺纹表面状态和润滑状态有关，Q 取值见表 1。


1.2 摩擦系数     从式（1）、（2）可以看出，螺纹副摩擦系数与支撑面摩擦系数也是螺栓松动的影响因素，摩擦系数越大，所需拧紧和松动扭矩越大，防松效果越好，但摩擦系数过大会造成扭矩系数偏大，使用定扭扳手拧紧时容易造成螺纹副初始预紧力不足。窦智[6]等人通过横向振动试验对经过不同表面处理的螺栓的防松性能进行了研究，表 2 为经过不同表面处理的螺栓的摩擦系数和所对应的轴向夹紧力残余比。可以看出，镀锌处理的螺栓表面摩擦系数高于发黑、达克罗处理的螺栓，摩擦系数越高，则螺纹防松性能越好。螺栓摩擦系数除了与表面状态有关外，还与螺栓材质、螺纹精度、螺栓表面粗糙度、螺纹孔机加方式及螺纹表面是否涂覆防锈油、润滑油等因素有关。此外，螺栓摩擦系数离散度也是影响螺栓松动的重要因素[7]，实际生产中，在扭矩已确定的情况下，螺栓摩擦系数的离散度过大会导致实际施加在螺栓上的轴向夹紧力偏差大，容易出现轴向夹紧力不足，进而引起螺纹连接松动，应当控制螺栓和螺母摩擦系数的离散度。


1.3 初始松动     螺栓在拧紧时会产生变形，并且螺纹连接的接触部分由于粗糙度、形状误差等会产生局部塑性变形，这样在外力作用下会形成弹力松弛，产生初始松动，达到某种程度后，初始松动处于稳定状态。初始松动应在最短的时间内得到处理，否则螺栓会在可靠性逐渐降低的基础上丧失工作能力，因此须及时对螺纹连接补松。图 2 为 25g冲击载荷作用下不同螺纹初始间隙的轴向夹紧力变化，螺纹初始间隙越大，则螺栓轴向夹紧力下降量越大、下降速度越快，越容易发生螺栓松动。螺纹初始间隙越大，则螺纹啮合面处实际接触面积越小、所受接触压力越大，产生的摩擦力越大，使螺纹牙底部材料塑性变形越大，螺栓松动越容易发生[8]。


2 防松措施

    螺栓连接松动会依次经历非旋转松动和旋转松动两个阶段。应对第一阶段非旋转松动主要通过螺栓材料选择避免塑性变形进行抑制，目前的防松技术主要针对第二阶段旋转松动，防止内外螺纹的相对转动[9]。针对上述螺栓松动的主要影响因素给出如下防松措施。

2.1 预紧力拧紧防松

    由于轴向夹紧力与螺栓防松性能成正比，所以需要对轴向夹紧力进行控制，实际生产中主要有 3 种控制方式：扭矩控制法、弹性区控制法、屈服点控制法，不同的方法适用于不同零部件。扭矩控制法获得的轴向夹紧力波动最大，容易出现夹紧力不达标可能，防松效果最差，但成本控制难度最低；弹性区控制法获得的轴向夹紧力在弹性区区间，轴向夹紧力一致性略差，拧紧角度比较灵活，能够避免紧固件因材料一致性较差出现的屈服断裂，性价比最高，使用广泛[10]；屈服点控制法获得的轴向夹紧力最稳定，防松效果最好，但对紧固件材料性能一致性要求非常高，材料性能不达标容易出现屈服断裂风险。

2.2 摩擦防松

    摩擦力是螺纹连接产生自锁的基础，增大螺纹连接的摩擦力是有效防松手段，可通过增大螺纹副接触面压力及摩擦系数增大摩擦力[11]。摩擦防松简单方便，易于安装，但当外界冲击力及交变载荷超过最大摩擦力时，接触面会产生相对位移，导致预紧力下降，摩擦力降低，防松效果变差，出现松动。常见的摩擦防松方式有两种：支撑面摩擦防松、螺纹面摩擦防松。支承面摩擦防松可采用弹簧垫圈、锯齿垫圈、法兰螺母等实现，如图 3 所示。螺纹面摩擦防松是通过扩大螺纹面接触面积、增大摩擦系数或压力，提高螺纹副摩擦力，主要型式有偏心双螺母、楔形锁紧螺母、预置扭矩螺母等。偏心双螺母由上下呈凹凸状螺母组成，下凸状螺母具有一定的偏心量，装配后会使螺栓与螺母间在轴向和径向产生远大于普通螺母的压紧力，可防止螺纹副间的相对运动，典型产品是 Hard-Lock 螺母。楔形锁紧螺母的底径由传统 60º斜面变为 30º锥面，当螺母与螺栓配合时，内外螺纹由面接触变为线接触，或产生微量变形，产生较大的法向力和摩檫力，并使每个螺纹牙都能均匀承载，达到防松效果，典型产品是施必牢螺母。预置扭矩螺母是在螺母旋进并且未产生预紧力的过程中，附加扭矩来拧紧螺母，在松动时需要克服更大的摩擦力，达到防松效果，典型产品是非金属嵌件螺母、FUJILOK 自锁螺母等。如图 4 所示。





2.3 机械锁紧防松

    机械锁紧防松通过添加止动装置如止动垫圈、开口销、串联钢丝等阻止螺纹面之间相对滑动，达到防松的目的，如图 5 所示，其缺点是拆卸不方便，且对螺栓或螺母有特殊加工要求。止动垫圈须和螺母配合使用，分为圆螺母用止动垫圈、外舌止动垫圈、双耳止动垫圈、单耳止动垫圈，其中圆螺母止动垫圈主要用在小圆螺母锁紧场合，后三者用在与一般螺母锁紧的场合，根据被连接件的外形结构采用不同形式；开口销一般与开槽螺母配合使用，通过螺母上方凹槽插入螺栓尾部孔内，将开口销尾部掰开与螺母侧表面贴合，达到锁紧的目的；串联钢丝是将钢丝穿入螺栓或螺母孔内，使几个螺钉或螺母连接在一起产生锁紧效果。





3 结束语

    螺纹连接是最常用的紧固手段之一，但由于螺栓松动引起的渗漏、异响甚至疲劳断裂会带来极大安全隐患。本文从螺纹连接松动的概念、分类和拧紧扭矩、松动扭矩计算公式进行概述，分析初始预紧力、摩擦系数、初始松动等影响因素，并介绍 3 种防松措施：预紧力拧紧防松、摩擦防松、机械锁紧防松。随着技术进步，未来更多易加工、易安装拆卸、性能优异的新型防松结构会不断出现。




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参考文献：

[1]鲁修宇，夏艳花，周勇，等. 我国汽车紧固件的现状及发展[J].热处理技术与装备，2015，36（6）：76-80.

[2]巩浩，刘检华，冯慧华. 螺 纹 连 接 松 动 机 理 和 防 松 方 法研究综述 [J/OL].机械工程学报 ， 2021-04-21[2022-03-29].https://kns.cnki.net/kcms/detail ... 0420.1449.094.html.[3]山本晃. 螺纹链接的理论与计算[M]. 上海：上海科学技术文献出版社，1984.

[4]于宏图,刘爱君.浅谈重型汽车螺栓松动成因与防松[J].时代汽车,2017(18):107-108.

[5]刘传波，孙静明，莫易敏. 螺纹紧固件防松性能影响因素研究[J]. 现代制造工程，2018（4）：138-143.

[6]窦智，崔一鸣，张建军，等. 表面处理对螺栓连接防松性能影响[J]. 机电产品开发与创新，2019，32（5）：44-46.