汽车螺栓连接的拧紧与防松是怎么做的？

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。

01 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 

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=KFd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：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。 

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。

02 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。