重卡用环槽铆钉的性能研究

文博，桂显明

眉山中车紧固件科技有限公司，四川眉山 620010

0 引言

现有重卡紧固连接方式一般使用半圆头铆钉、螺栓、环槽铆钉进行紧固连接。国内多采用半圆头铆钉+螺栓连接方式，环槽铆钉只是初步应用，如东风重卡、宏泰专用汽车、昌骅专用车等。环槽铆钉连接技术作为一种成熟可靠的新型拉铆连接技术，在国外重卡行业已得到了大批量的推广运用，如Mack、奔驰、斯堪尼亚、万国、沃尔沃等重卡巨头都在重卡底架、悬挂等需要防松的部位大量使用短尾环槽铆钉。

1 环槽铆钉介绍

相较于半圆头铆钉和螺栓连接，环槽铆钉新型铆接技术具有安装简单快速、强度高、轴力稳定、防松性能好等显著优势，适用于重型载货汽车车架、大客车底盘等载荷要求较高的行业。经过多年的努力研究，终于实现了环槽铆钉的国产化，制定了GB/T 36993—2018《环槽铆钉连接副技术条件》国家标准，并将环槽铆钉推广应用到各个领域。

1.1 铆接原理

环槽铆钉利用虎克原理，采用铆接工具挤压套环发生塑性变形，将套环金属挤入铆钉环槽内，完成永久性连接，安装示意如图1所示。安装步骤如下：

图1 安装示意

(1)铆钉穿入安装孔，套环套在钉杆上；

(2)铆枪枪头顶在钉杆尾部，使卡爪卡入拉槽；

(3)按住铆接开关开始铆接，铆枪铁砧挤压套环，最快3 s完成铆接；

(4)铆接完成后，退出铆枪。

1.2 铆接设备

铆接设备有智能液压泵站(图2)、高压油管、铆接枪(图3)。铆接工作时，液压泵站输出压力，通过高压油管传递到铆接枪，推动枪头挤压套环完成铆接。

图2 智能液压泵站

图3 铆接枪

2 重卡紧固连接方式

国内重卡常见半圆头铆钉+螺栓连接方式如图4所示。其成本较低，但半圆头铆钉性能较低，在承受交变载荷等复杂工况时，螺栓和半圆头铆钉松脱和断裂的风险较大，实际使用时，需要定期检查螺栓和铆钉是否紧固，并及时进行维护。图5为国内某款重卡采用环槽铆钉进行连接，具有强度高、轴力稳定的优势，且由于环槽铆钉的结构具有很好的防松性能，无须经常检查维护，节约维护成本。

图4 半圆头铆钉+螺栓连接方式

图5 环槽铆钉连接方式

3 环槽铆钉对比分析

3.1 强度对比

环槽铆钉和螺栓相对于半圆头铆钉具有较高的强度和抗剪性能，表1为M14铆钉和螺栓的性能对比。由表中的数据可以看出，半圆头铆钉机械性能最低，与螺栓和环槽铆钉相差较大，环槽铆钉的抗剪力比螺栓高出20%左右，重卡货车飞机梁等主要部位紧固件受力主要为剪切力，所以环槽铆钉性能最好。

表1 M14铆钉和螺栓的性能对比

3.2 轴力稳定性

在同等规格条件下，环槽铆钉能提供更大的轴力，且具有良好的轴力稳定性。铆钉和螺栓的轴力对比曲线如图6所示。由图可以看出，10.9R环槽铆钉的轴力较同等级的螺栓提升了20%，与12.9级螺栓相当;同等级环槽铆钉轴力浮动在10%以内，螺栓轴力浮动却超过30%。在同一应用条件下，环槽铆钉能够有效减少铆接数量，在结构轻量化设计的同时提供更高的连接强度，提升结构可靠性。

图6 铆钉和螺栓的轴力对比曲线

3.3 防松性能

防松性能对比如图7 所示。由图可以看出，环槽铆钉与传统螺栓相比能有效消除钉杆与套环之间的横向间隙，具有良好的防松性能。因此，环槽铆钉适用于重卡底架、桥梁建筑、城轨车架等长期承受振动的结构，能有效提升结构整体的安全性和防松性能。通过横向振动试验验证螺栓和环槽铆钉的防松性能，规格M16，频率12.5 Hz，振幅1.6 mm，振动时间90 s，螺栓很快松动，环槽铆钉剩余夹紧力仍然大于70%。

图7 防松性能对比

3.4 抗疲劳性能

图8为环槽铆钉与普通螺栓牙型对比。由图可以看出，环槽铆钉牙底高度比普通螺栓螺纹高出50%以上，且牙型圆滑过渡，所受应力比螺栓减少30%以上。从配合面积来看，环槽铆钉整个环槽无间隙配合，螺栓螺母有间隙单面配合，环槽铆钉连接副接触面积约为普通螺栓螺母连接的2倍。因此，环槽铆钉具有较高的抗疲劳性能。

图8 环槽铆钉与普通螺栓牙型对比

3.5 环境适应性

环槽牙型与外界隔绝，阻止腐蚀物质进入;螺旋牙型与外界连通，腐蚀物质容易进入。在经过长时间的耐腐蚀试验后，高强螺栓的性能下降了50%以上，环槽铆钉性能只下降了10%左右。

螺栓和环槽铆钉腐蚀对比如图9所示。由图可以看出：环槽铆钉与套环接触区间的牙型与铆接前保持一致，并未腐蚀；螺栓的整个牙型都随着试验时间的增加发生了不同程度的腐蚀。

图9 螺栓和环槽铆钉腐蚀对比

螺栓和环槽铆钉防腐蚀性能对比曲线如图10所示。由图10a可以看出，随着时间的增加，铆钉的拉脱力几乎没有什么改变，而螺栓的拉脱力却呈现明显减小的趋势。

图10 螺栓和环槽铆钉防腐蚀性能对比曲线

由图10b可以看出，环槽铆钉具有良好的环境适应性，能够适应极端的天气和温度变化。研究试验发现，环槽铆钉能在-60 ℃和70 ℃环境中能够保持良好的力学性能和疲劳性能。同时，环槽铆钉在一些极端高温条件下也具有比高强螺栓更好的力学性能，能够有效适应各种严酷的使用环境。

4 环槽铆钉应用分析

4.1 重卡紧固件分布

某重卡车架紧固件分布如图11所示，图中飞机梁(部件a,b)与两侧大梁连接部位应用铆钉较多，承受较大的剪切载荷。整车使用铆钉规格为14 mm，铆接厚度在14～16 mm，每个飞机梁连接处使用铆钉数量为11～16颗。

图11 某重卡车架紧固件分布

4.2 综合性能分析

表2为环槽铆钉与半圆头铆钉和螺栓连接综合性能对比。由表可以看出，环槽铆钉具有明显优势。

表2 环槽铆钉与半圆头铆钉和螺栓连接综合性能对比

5 结束语

环槽铆钉相较于半圆头铆钉和螺栓连接，具有较高的机械性能、防松性能和轴力稳定性，以及操作简单、安装快速、生产效率高等显著优势，适合用于重型载货汽车车架、客车底盘等载荷要求高的行业。随着国内汽车技术发展，环槽铆钉的国产化推广必将在国内汽车行业得到广泛应用。