导读
作者：王于闽 （云度新能源汽车有限公司，福建 莆田 351100）
来源：《机电技术》2022年4月
摘要：螺栓与螺母完成拧紧装配后，随着使用时间的推移，螺栓力矩会有一定程度的扭矩衰减，导致螺纹联接松弛 脱扣失效问题。文章以螺栓螺母性能等级匹配为出发点，通过理论和试验分析，验证螺栓螺母性能等级匹配与力矩衰减 关联性，找到不同性能等级的螺栓螺母匹配选型对力矩衰减的影响，推荐了合理的螺栓螺母等级匹配选型方向，为后续开 发设计提供指导。
螺纹联接因其结构简单、拆卸方便、成本低 廉，而广泛应用于各种工程结构连接，尤其在汽车 零部件装配过程中，采用了大量的螺栓螺母连接。以底盘前副车架与车身螺纹联接为例，随着使用 时间的推移及经各种复合路况后，紧固螺栓均会 有一定程度的扭矩衰减，导致预紧力减小造成螺 纹联接松弛的现象，严重影响汽车运行的可靠性 和安全性。本文主要针对某车型副车架安装螺栓 在生产过程中出现扭矩衰减问题，从螺栓螺母性 能等级匹配角度出发，以拧紧力矩理论分析为基 础，根据某车型副车架螺栓与车身焊接螺母的实 际匹配情况，模拟设计静态扭矩衰减试验，并结合 对总装车辆下线、动态充放电路试两种工况下，副 车架紧固螺栓力矩变化状态的检测，验证螺栓螺 母等级匹配与力矩衰减关联性，为后续车身紧固 件选型匹配提供理论支持和工程指导。
1 问题来源
底盘前副车架总成采用螺栓联接形式与车身 进行连接，其主要是利用内外螺纹旋合所构成的 螺旋副的自锁特性形成连接关系，为确保螺纹连 接的刚性、防松功能以及受拉螺栓的疲劳强度，往 往会赋予连接螺栓一定的预紧力。图 1为某车型前副车架螺栓（10.9 级）与车身焊接螺母（6.8 级） 的装配截面图，副车架安装螺栓联接了前副车架 总成、车身总成。该车型副车架与车身的螺栓设 计力矩要求为 120 Nm，车辆经过总装下线处力矩 复检时发现，力矩衰减至 90.5 Nm，衰减率高达 24.6%，如表1所示。力矩衰减可能引起底盘副车 架松动异响，情况严重时造成副车架脱落，严重影 响行车安全。
2 螺栓螺母性能等级匹配与力矩衰减关联性分析
螺纹连接主要目的是使夹紧物体的力必须大 于使它们分开的力，实现两个及两个以上零件接触，并保证零件之间的相对关系。若初始的预紧 力太小，将导致螺栓副无法实现锁紧功能，造成螺 栓连接松动；若初始预紧力太大，则预紧的过程可 能导致螺栓断裂失效。由此可见螺栓的可靠度完 全依赖于正确的预紧力。
本文中的螺栓功能是固定副车架与车身的位 置，保证两者紧密结合；其中预紧力F的大小表示 螺栓的拧紧情况，而预紧力 F 是由正确的拧紧扭 矩T来间接实现的。
弹性区内拧紧扭矩T与预紧力F的关系，见式（1）：
式中：T——拧紧扭矩，Nm；T1——螺纹扭矩，Nm；T2——支承面扭矩，Nm；K——扭矩系数；F——预 紧力，N；d——螺纹公称直径，mm。
式中：P——螺距，mm；d2——螺纹中径，mm；α ——螺纹牙侧角，°；Dw——支承面摩擦扭矩等效 直径，mm；μw——支撑面摩擦系数；μs ——螺纹摩 擦系数。
根据式（1）、式（2）得出：
结合式（3）和图 2 可得出摩擦系数为紧固件 结构的重要参数，直接影响标准件轴向预紧力的 大小；在螺栓紧固力矩T设计值（前副车架安装螺 栓设计扭矩120 ± 12 Nm）、螺栓型号（螺纹公称直 径 d、螺距 P）确定的情况下，随着摩擦系数的增 加，标准件自身的预紧力相应减小，即摩擦系数与 预紧力两者呈反比关系。
而不同性能等级的螺栓螺母匹配，主要体现 为支撑面摩擦系数μw、螺纹摩擦系数μs不同，故产 生的预紧力F也存在差异，如表2所示。
由于 6 级焊接螺母硬度低于 10 级螺母硬度， 从而原始方案（6级螺母与 10.9级螺栓匹配）产生 的摩擦系数大于优化方案（10 级螺母与 10.9 级螺 栓匹配），在紧固力矩 T、螺栓型号确定的情况下， 根据式（3）可得出原始方案产生的初始预紧力小 于优化方案，由图 3 可得，在螺栓屈服强度范围 内，螺栓的预紧力越大，其抗松动性能和抗疲劳性 能就越好，更不易产生扭矩衰减 ，故从理论上得 出螺栓螺母性能等级匹配与力矩衰减存在关联 性，可通过试验加以验证上述理论分析。
3 试验验证及分析
3.1 静态力矩衰减试验验证及结果分析
针对原始方案（6级焊接螺母与10.9级螺栓匹 配）和优化方案（10 级焊接螺母与 10.9 级螺栓匹 配）分成两组试验，每组试验样本数为 10个，为保 证试验的准确性和精度，实验室模拟副车架与车 身 实 际 螺 栓 锁 付 情 况 ，选 用 厚 度 为 2.0 mm 的 B340/590DP板料作为连接件，每组试验分别做10 个试验紧固样件，每个样件采用相同的120 Nm动 态扭矩进行拧紧；静置 30 分钟后，对每个样件静 态扭矩进行检测，通过采集 10 组数据并进行对 比，验证螺栓螺母等级匹配与力矩衰减的关联性。
检测工具：数显扳手量程（300 Nm），采用拧 紧法峰值检测；动态扭矩：产品设计以及工艺要求 的装配拧紧力矩（前副车架M12×1.25螺栓动态扭矩要求 120 Nm）；静态力矩：对已处于拧紧状态螺 纹紧固件继续拧紧，且螺纹旋合面之间刚刚发生 转动时的摩擦扭矩。
试验检测结果及数据分布，如表3、图4所示。
从表 3、图 4 分析可知：原始方案静态扭矩均 值（114.5 Nm）较动态力矩设计值（120 Nm）出现一 定的衰减；优化方案静态扭矩均值（119.5 Nm）与 动态力矩设计值（120 Nm）基本保持一致，通过综 合分析表3和图4的试验检测数据，可得出优化方 案的力矩值较原始方案更加稳定，衰减率更小；故 在螺栓拧紧力矩设计值确定的情况下，提升螺母机 械等级对副车架螺栓扭矩衰减具有一定的改善。
3.2 动态工况扭矩检测及结果分析
针对原始方案（6级焊接螺母与10.9级螺栓匹 配）和优化方案（10 级焊接螺母与 10.9 级螺栓匹 配）分成两组试验，每组试验样本数为 13个，分别 进行实车锁付验证。总装车间高工位处按设计及装配的拧紧力矩要求为120 Nm，对26辆车的副车 架螺栓进行拧紧（拧紧数据见表4），然后分别在车 辆下线工位、充放电路试两个地点对原始方案（6 级焊接螺母与10.9级螺栓匹配）和优化方案（10级 焊接螺母与 10.9 级螺栓匹配）的螺栓力矩进行复 检，并对测量数据进行分析。
检测工具：数显扳手（量程 300 Nm），采用拧 紧法峰值检测；检测工况：1. 车辆下线工位；2. 一 次充放电路试工位。总装高工位处的副车架安装螺栓力矩检测数 据，如表4、表5所示。
分别在车辆下线工位、充放电路试工位，对原 始方案和优化方案的副车架安装螺栓力矩进行复 检，试验数据如表6、表7所示。
由表6~7的试验数据分析可知：
1）针对原始方案在下线工位及充放电工位， 完成#1~#13 号车的副车架安装点力矩复检测量 （M12×1.25安装螺栓扭矩检测要求为108~144 Nm）， 测量结果如表6所示：9台车力矩值合格，4台车出 现力矩值衰减，车辆不合格率为 30.1%，副车架螺 栓检测点不良率为6%，原始方案检测力矩平均值 为114 Nm，低于拧紧力矩设计值要求120 Nm。其 中车辆下线工位：#11号车的左后安装点出现扭矩 衰减；一次充放电工位：#1号车的右前安装点、#3号车的左后和右后安装点、#7号车的左前安装点、 11号车的左后安装点出现扭矩衰减。
2）针对优化方案在下线工位和充放电工位，完 成#14~#26 号车的副车架安装点力矩复检测量 （M12×1.25安装螺栓扭矩检测要求为108~144 Nm）， 测量结果如表 7 所示：13 台车的副车架安装点力 矩测量数据全部合格，均未出现力矩值衰减，同时 优化方案检测力矩平均值为 121 Nm，符合拧紧力 矩设计值要求120 Nm。
3）综上试验工况分析，可得出优化方案螺栓 力矩均值 121 Nm 高于原始方案螺栓力矩均值 114 Nm，且未出现螺栓力矩衰减现象；故优化方 案的副车架螺栓力矩保持稳定性更优，具有更好 的抗力矩衰减功能，可有效改善副车架安装螺栓扭矩衰减问题。
4 结论
本文通过对螺栓螺母性能等级匹配与力矩衰 减的关联性进行理论分析校核，并结合试验验证， 得出不同性能等级匹配的螺栓螺母匹配选型对紧 固力矩变化的影响，推荐了合理的螺栓螺母等级 匹配选型方法：在螺栓拧紧力矩 T 设计值确定的 情况下，建议采用同等级的螺栓螺母匹配方式，可 有效改善螺栓在安装和使用过程出现力矩衰减现 象，防止副车架螺纹联接出现松动失效，增强汽车 的使用安全性。
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