导读
作者：王道斌、刘 亮（上汽通用五菱汽车股份有限公司）
来源：《中国高新技术》2020年第5期
摘要：通过螺栓连接紧固的原理分析，确定了在拧紧过程中螺栓及连接件的受力关系。根据受力分析及实际生产过程的经 验，确定了拧紧的控制方式和常用的防松措施，解决了螺栓在复杂工况下工作的安全隐患，可为汽车装配生产提供参考。
螺栓连接广泛应用于机械装备、航天航空、汽车、轨道 交通等领域，是紧固件连接中最基本的结构形式。汽车装配 过程中，螺栓连接具有可批量化、标准化、结构简单、易于 拆卸等优点而得到最为广泛的应用。车辆在行驶过程中，因 为振动、高低载荷变化、冲击或者长期处于工作状态时，螺 栓容易产生松动甚至脱落现象，给汽车的行驶带来很大的安 全隐患，对于汽车用螺栓连接的拧紧与防松的研究成为各汽 车厂研究的课题。
1. 螺栓连接的拧紧
1.1 螺栓紧固原理
采用螺栓连接的目的是使 2 个被连接件紧密贴合，因为 连接件要承受一定的动载荷，所以还需要被连接件具备足够 的压紧力，以保证被连接零件的可靠连接和正常工作。这样 就要求作为连接的螺栓在拧紧后要具有足够的轴向预紧力。轴向预紧力的施加是依靠“拧 紧”来实现的，拧紧的过程 就是施加扭矩的过程，如图 1 所示。
在拧紧的过程中，扭矩、 预紧力随着角度的变化而变 化，大致可以分为 3 个阶段（见图 2）。第 1 阶段：在开始拧紧时，由于螺栓 与被连接件未接触，故压 紧力为零，但是存在一定 的摩擦力，所以扭矩 T 保 持在一个较小的数值。第 2 阶段：当螺栓与被连接 件开始接触后，压紧力 F 和扭矩 T 随转角 A 的增加迅速 上升。第 3 阶段：达到屈服点，螺栓开始塑性变形，转角增加较大而压紧力和扭矩却增加较小，甚至不变。如 在继续拧紧，扭矩 T 和压紧力 F 下降，螺栓产生断裂。
根据螺纹的特性和拧紧过程中的力学分析，T 与 F 的关 系为：T=K F d，其中：T 为拧紧扭矩；F 为预紧力；d 为公 称直径，与螺栓的型号有关；K 为扭矩系数，与支承面粗糙 度和润滑情况、螺纹副精度和润滑情况等有关。
1.2 螺栓拧紧的控制方式
1.2.1 扭矩直接拧紧法
扭矩拧紧法的理论基础是扭矩大小和轴向预紧力之间存 在 T=K F d 的关系。通过将拧紧工具设置到某个扭矩值来控 制被联接件的预紧力，如图 3 所示。在工艺过程、零件质 量等因素稳定的前提下，该拧 紧方式操作简单、直观，目前 被广泛采用。由于外界不稳 定条件对扭矩拧紧法的影响 很多，所以通过控制拧紧扭 矩间接地实施预紧力控制的扭矩法将导致对轴向预紧力控制 精度低。而且有极少数的螺栓联接，扭矩已达到规定值，而 螺栓头还未完全与被联接件贴合或间隙有时很小，目视不容 易发现。此时扭矩值合格，但预紧力很小，甚至没有。所以 扭矩直接控制拧紧法操作方便，但是精度较低，一般控制在 ±25% 左右，主要用在非关键部位。
转角拧紧法是在扭力直接拧紧法的基础上发展起来的。螺栓拧紧时的旋转角度与螺 栓伸长量与被拧紧件松动量 的总和大致成比例关系，因而 可采取按规定旋转角度来达 到预定拧紧力的方法。转角拧 紧法的曲线走向如图 4 所示。
将螺栓拧紧到起始力矩，再旋转一 定的角度，将螺栓拉伸到弹性变形 区域。旋转角度拧紧法的实质是控 制螺栓的伸长量，在弹性范围内轴 向预紧力与伸长量成正比，控制伸 长量就是控制轴向力。该方法装配 精度高，可控制在 ±15% 以内，一 般用于要求较高的装配部位，抗松 动、抗疲劳性能更佳。
1.2.3 屈服点拧紧法
屈服点拧紧法是利用材料屈服的现象发展起来的高精度 拧紧方法。这种控制方法是通过对拧紧的扭矩 / 转角曲线斜 率的连续计算来判断确定屈服点的。螺栓在拧紧的过程中， 期扭矩 - 转角的变化曲线如图 5 所示。真正拧紧开始时，斜 率上升很快，之后经过简短的变缓后而保持恒定（a-b 之间）， 过 b 点后，其斜率经简短的缓 慢下降后，有快速下降。当斜 率下降一定值时（一般定义为 最大斜率的 1/2），说明已达 到了屈服点，立即发出停止拧 紧信号。屈服点控制法的拧紧 精度非常高，预紧力大约在 ±4% 左右，其拧紧工具的价格昂贵。
2. 螺栓连接的防松措施
螺栓防松是通过消除（或限制）螺纹副之间的相对运动， 或增大相对运动的难度，防止连接松脱，保证连接安全可靠。防松的措施多种多样，下面介绍几种常用的防松措施。
2.1 附加摩擦力的防松
附加件摩擦力防松主要有 3 种方式：双螺母拧紧结构、 弹簧垫圈拧紧结构及自锁螺母拧紧结构。双螺母拧紧结构是 通过增加一颗螺母与原有紧固螺母相互挤压，使其受到附加 的压力和摩擦力，从而增加防松效果，如图 6 所示。弹簧垫 圈拧紧结构是依靠垫圈压平而产生的弹性反力使旋合螺纹间 压紧，同时垫圈斜口的尖端抵住螺栓或者螺母与被连接件的 支撑面，也有防松作用。但这种结构在振动冲击载荷作用下 防松效果较差，一般用于非关键连接，如图 7 所示。自锁螺 母拧紧结构有全金属自锁金螺母和非金属嵌件锁紧螺母两 种，两种螺母在使用过程中，通过自身的形变产生锁紧效果， 在底盘的关键部位使用广泛，如图 8 所示。
2.2 机械防松
机械防松主要有六角开槽螺 母配开口销、圆螺母与止动垫片 等结构。六角开槽螺母配开口销 是开口销穿过螺母的槽和螺栓末 端的销孔，并将开口销尾部掰开 与螺母侧面贴紧，将螺母和螺栓 锁紧，如图 9 所示。这种结构防 松可靠，可用于激烈的冲击、振 动部位。圆螺母与止动垫片是将单耳或者双耳止动垫片分别 向螺母和被连接件的侧面折弯贴紧，如图 10 所示。
2.3 其他方式
化学防松：在螺纹间增加厌 氧胶等密封材料，拧紧螺母后， 厌氧胶经过一定的时间可以固化， 从而可靠地粘结螺纹，防止螺纹 相对运动。
永久防松：在螺栓与螺母接触面上通过端铆、冲点、点 焊等方式，使螺栓与螺母形成刚性连接防止其相对运动。
除了以上防松的措施外，还可以通过更换细牙螺栓、增 大预紧力（在可行的范围呢）、提高员工的操作技能、提升 零件螺栓和连接件的制造精度等途径提升螺栓的防松效果。
3. 结语
本文通过对螺栓连接原理的研究，分析得出常用的拧紧 方式和防松措施，可以有效地保证车辆组装过程中的螺栓连 接效果，为车辆使用过程中的安全提供有力的保证。螺栓的 拧紧和防松是一个复杂的课题，相信随着机械行业技术的不 断发展和技术人员的不断研究，汽车用螺栓连接的拧紧技术 和防松技术也会得到进一步提升。
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