重卡螺栓联接特性的设计研究

张媛　郭成杰

摘 要：随着我国制造业技术的蓬勃发展，汽车制造业的生产规模日益壮大。重型载货卡车的生产数量逐年增多，螺栓作为重卡机械设计应用的标准件，在生产中的广泛应用。但由于我国国内螺栓联接特性的研究还处在初级阶段，螺栓在联接中失效问题频发，给我国重卡汽车的安全性与稳定性带来了影响，本文通过从研究背景、国内研究现状、螺栓失效模式以及影响螺栓拧紧扭矩的因素分析入手，力图找到失效问题的根源，从而提高重卡汽车的安全性与稳定性。

关键词：重卡;螺栓;联接特性;设计研究

制造业作为支撑国家经济的主体，制造业的兴衰直接关系到国家经济的基础，是一个国家的立国之本与强国之基，重型汽车制造业作为我国制造业的核心产业之一，其产品安全性、质量稳定性尤为重要。螺栓是重型卡车中最为常见螺纹紧固件，在重型卡车中广泛应用，其安全性直接影响着重型卡车的安全性与稳定性，故重卡螺栓联接特性的设计研究一直是汽车设计研究领域的重要内容。

1 研究背景

信息技术的发展与应用推动工业革命再一次向前迈出步伐，跨入以信息技术广泛渗透与深度应用的信息化工业产业模式之中。汽车产业作为工业产业的重要组成部分，最先感受到产业革命带来的创新与发展。

我国的汽车根据其用途途主要可以分为商用车与乘用车两大类。[1]商用车又根据商业用途、载重方式与汽车结构可以细化为货车、半挂牵引车与客车三大类。其中货车的生产比例在整个商用车中的比例较大，而且类别也比较多，其分类以总质量作为其分类的标准，主要有总质量大于14吨的重型载货车，大于6吨小于等于14吨的中型载货车，大于1.8吨小于等于6吨的轻型载货车，还有小于1.8吨的微型载货车。重型卡车作为载货汽车的主要车型，但因载重巨大，危险性高的特点，其安全性在设计方面相对于智能化、轻量化、环保性、经济性等是因素排在首位。根据我国最新的商用货车分类将重型卡车进行扩展，将半挂牵引车之中，本文研究螺栓联接特性主要是针对重型载货汽车与重型半挂牵引车的研究，以下的重型载货汽车与重型半挂牵引车的研究中统一简称为重卡。

在重卡的机械设计中螺纹紧固件的数量在2000至4000件之间，类型达到150种以上，螺栓作为螺纹紧固件的重要组成部分，在数量上占到了了80%，具有稳定性强、通用性高等方面的优秀性能，广泛应用于重卡的机械应用之中。重卡螺栓联接在拧紧前和拧紧后的失效问题，成为重点卡车的安全性提高的关键问题之一。

但是我国国内螺栓联接特性的研究还处在初级阶段，相关技术标准比较少，而国外重卡生产的标准由于单位的不同（国外采用英制，国内采用公制），而无法为我国的重卡螺栓技术标准的设立提供参考，我国标准的设立只有依靠国内学术界与重卡企业联手进行探索，重卡螺栓联接特性的设计研究也成为了当前国内重卡汽车设计领域研究的重中之重。

2 螺栓联接特性国内研究现状

螺栓作为重卡汽车最为标准的零部件，在汽车的设计与生产过程中被广泛应用。在国际标准化组织关于重卡生产与设计的标准中对螺栓在内的所有标准件从尺寸和强度等多个方面进行了分类，并制定了标准件目录表与标准件手册。依据目录表与手册，可以清晰、明了地了解与选用所有规格的螺纹紧固件，尤其螺栓的选用过程变得更为简洁、明了，从而使对于螺栓的设计成为了一种单纯的选择。

对于重卡汽车中的螺栓与螺母的选择变成了参考国际重卡企业的类似产品与技术条件车型的选择，而仿造性地选择，忽略了螺栓在使用过程的摩擦系数、应用环境、被联接件情况等诸多实际影响因素。由于诸多实际影响因素在设计中的忽视，我国重卡汽车的螺栓联接设计出现了扭矩不适应，继而容易产生了联接失效，甚至产生整车失效等质量事故。即便联接失效现象没有发生，对于设计的合理性由于影响因素的缺失而缺乏分析依据，从而造成由设计缺失而产生的浪费。

3 螺紋联接的失效模式分析

螺纹联接的失效模式的分类主要是依据失效的发生时间作为标志，划分拧紧过程中的失效与拧紧后的失败。首先是拧紧过程中的失效主要体现在螺栓的断裂失效、螺栓的螺纹失效以及被联接件的被压溃失效。[2]这部分的失效容易被观察发现，可通过有针对性地方法在制作工序中控制不合格产品的应用，从而避免事故的产生。其次是拧紧后的失效主要体现在螺栓的静态断裂失效、螺栓的延迟断裂失效、螺栓的疲劳断裂失效、螺栓和被联接件间的腐蚀开裂失效、被联接件的相对滑移失效、螺栓与被联接件的分离失效以及螺栓的松动失效。[3]此环节的失效是难以观测与发现，螺栓在拧紧后的失效通常发生在用户的使用过程中，由于用户专业知识的溃乏与使用过程中的多种因素的复杂性，失效情况发生率极高，对于重卡汽车的稳定运行影响很大，导致伤亡事故的发生率增加，不仅会造成用户的经济损失，同时也给汽车生产企业造成了巨大的负责影响。

4 螺栓拧紧扭矩的影响因素分析

4.1 螺栓的轴向预紧力与紧固扭矩之间的关系

通过对影响螺栓拧紧因素的分析，可以确定螺栓拧紧扭矩的范围。第一步通过被联接件上穿过螺栓，螺栓上轻轻地拧上螺母，在螺母的拧紧的时候，反作用同时在支承面与螺纹面出现，螺栓的轴向预紧力受摩擦系统的影响巨大。所以，为了避免螺栓松动现象的出现，从而使螺栓轴向预紧力稳定，不仅要充分关注螺栓的拧紧扭矩的控制，同时需要注意摩擦系数的考虑。同时摩擦系统主要包括支承面摩擦系数和螺栓摩擦系数两个摩擦系数。因此，合理地控制支承面摩擦系数和螺栓摩擦系数这两个摩擦系数，可以获得较大的轴向预紧力。

4.2 螺栓联接对于润滑的影响

在螺栓拧紧的过程当中，确定被联接件与螺栓型号作为前提，扭矩系数决定了总摩擦系数。通过M14螺栓为例的分析，我们来直观地观测轴向预紧力在润滑状态与非润滑状态之间的差别，M14螺栓对边尺寸为21毫米，公称直径为14毫米，螺纹中经为13.65毫米，螺距为2毫米。假使拧紧扭矩为200牛米，在总摩擦系数为0.1的前提下，轴向预紧力大约为109.17牛米，扭矩系数大约为0.131;当总摩擦系数为0.29时，轴向预紧力大约为42.48牛米，扭矩系数大约为0.336。通过计算测算与理论分析，在润滑与非润滑的两种不同状态下，总摩擦系数与扭矩系数数据差距比较大，即使拧紧力矩相同，螺栓的轴向预紧力也有很大的差别。

4.3 螺栓拧紧方法对扭矩影响

螺栓拧紧的常用方法主要有塑性区紧固法与扭矩紧固法两种。首先，塑性区紧固法的应用需要定扭矩拧紧设备等专业工具的使用，过程比较繁杂，但螺栓拧紧的精度比较高。其次是塑性区紧固法，此种方法操作难度比较低，对于其他设备与工具的要求也比较低，易于操作，但螺栓拧紧的精度也比较低。对螺栓实施拧紧力矩相同的条件下，只要在抗拉强度的范围之内，前者相较于后者得到的轴向预紧力更大，螺栓松动的现象不易出现。

方法一：扭矩紧固法，此种方法拧紧螺栓是采用对扭矩进行控制的方式，扭力扳手是其主要的实施工具，主要分为预置式扭力扳手、数显式扭力扳手、拧紧机几种。其中预置式扭力扳手可以对扭矩值进行精确设定，在达到设定值以后扳手会发出哒哒声响，虽可保证下差的达到，却无力监控上差。数显式扭力扳手提供了数值显示，可以实现1%的精度。拧紧机的精度更高，可以实现0.5%。以上三种工具在使用中预置式扭力扳手应用最为广泛，占据了工具应用总量的七层左右，4%精度控制可以满足生产的需要，同时成本低、使用便捷的优势使其广泛应用的主要原因。扭矩拧紧法精确的控制不仅与工具有关，同时摩擦系数也有巨大的联系，只有控制系数的偏差，螺栓联接的稳定性才可以得到保证。

方法二：塑性区紧固法，作为最新研究的方法，实现螺栓拧紧在屈服点之上，达到塑性区。其方法的主要原理是在螺栓上实施外载荷，保证螺栓最大抗拉强度大于轴向预紧力，轴向预紧力在初始阶段越大，在拧紧后残余的轴向预紧力也即将越大，螺栓的防松效果良好。通过控制拧紧过程中的角度与斜率，主要有角度紧固法与扭矩斜率紧固法两种方法。

5 螺栓联接的改进建议

通过上述的研究，在螺栓拧紧的改进过程中，拧紧扭矩的合理设计，拧紧工具与设备的选用适当与否，决定着螺栓联接的效果优劣，结合研究与分析，以实现国内重卡螺栓联接质量的提升，可以从下述几个方面进行改进。

（1）在重卡汽车的关键联接部件应用润滑剂，提高部件的润滑效果，从而使螺栓、螺母乃至被联部件的摩擦系数降低，使螺栓的摩擦系数与扭矩系数处于稳定状态，减低螺栓在拧紧中的损坏发生率，提高螺栓的轴向预紧力，降低螺栓松动现象的出现。

（2）应用拧紧、停顿、靠紧、预紧等多种方式对重卡的重要部分的螺栓进行联接，从而减少螺栓在拧紧后，力矩的减弱。

（3）加大信息技术对于螺栓联接技术的分析，应用分析软件，找到螺栓联接失效容易发生的位置，并结合软件分析的结果，对于找到位置的螺栓在形状上进行改进，以提高其强度与质量，避免螺栓联接失效情况的发生。

上述的改进建议是通过对于重卡汽车螺栓联接的失效模式与螺栓拧紧扭矩的影响因素的分析基础之上形成的改进方法，建议的实施有利于大幅度地提升螺栓的拧紧扭矩，降低螺栓拧紧扭矩的偏差，减少栓在拧紧后力矩的减弱情况的发生率，从而提升重卡螺栓联接的效果。

参考文献：

[1]何元贵.中国汽车企业规模经济实证研究[D].暨南大学，2009.

[2]刘琳，米雪莲.浅议如何提高螺栓联接强度[J].科技创业家，2013（14）：89.

[3]張鹏.重载螺栓的力学性能分析及其结构优化研究[D].2017.