防松螺栓横向振动试验研究

叶天赠

（BPW（梅州）车轴有限公司， 广东 梅州 514743）

0 引言

该文以半挂车空气悬挂支架与弹簧梁连接部位的M24螺栓副为例，通过3种不同组合的螺栓螺母测试对比，按ISO 16130：2015 《紧固件横向振动试验方法》同等测试，对比分析各种螺栓螺母配合防松方式优缺点，探讨锁紧力矩与夹紧力在不同螺栓组件情况下横向振动试验中的影响。

该文考虑不变化螺栓，通过变化螺母及垫圈，开展3种组合空气悬架支架M24枢轴螺栓组件的横向振动试验，得到各个工况下螺栓组件的夹紧力时程曲线，确定空气悬架支架枢轴螺栓组件的最佳组合。研究结果对提高空气悬架支架枢轴螺栓防松性能、保证车辆安全运行具有重要意义，同时也可以运用到其他类似的使用工况。

1 基本概念

螺栓螺母配合后向内部物体施加的力，叫夹紧力；螺栓螺母配合使用后，夹紧力比初始锁紧状态小，即为螺栓松脱；螺栓失效常见形式是夹紧力不足，夹紧力不足有以下2种可能：1）初始锁紧夹紧力小。因接触表面的材料相互嵌入、材料蠕变、锁紧力矩不够、摩擦系数的变化等因素，都会导致螺栓的初始锁紧状态夹紧力不足；2）使用后夹紧力变小。因螺栓承受交变载荷、振动或高温环境等影响因素，夹紧力随着使用周期的变长而减小，甚至夹紧力可能完全消失[1]。

第一种情况，可以通过螺栓螺母的配合结构、原材料、生产过程控制、表面处理以及规范锁紧力矩进行规避；但第二种情况，这种失效模式危害性更大，是行业内一直在致力改善的问题。

2 试验概况

2.1 试验方案

为验证空气悬架支架枢轴螺栓组件的防松效果，确定枢轴螺栓组件的最佳组合，在某检测中心分别开展了三种组合的M24螺栓副测试，螺栓螺纹规格为M24×2细牙，性能等级为10.9级，配套的螺母螺纹规格也是M24×2，性能等级为10级，按国标GB/T 3098.1-2010，螺栓的保证载荷（或者说屈服载荷）是319kN，正常安全地使用应保证夹紧力为 319kN× 0.75 = 239.25kN，根据表面处理控制的摩擦系数，转换成锁紧力矩为650N·m，但受生产过程、表面粗糙度、表面处理等因素影响，同一批次螺栓，施加相同锁紧力矩时，螺栓初始状态夹紧力可能有差异，螺栓组件装配如图1所示。

图1 螺栓组件装配

2.1.1 方案1：螺栓+平垫片+机械压点自锁螺母

这种组合为现有市面上常用的配合状态，其使用机械压点自锁螺母进行防松，但经实际使用验证防松效果并不理想，特别是在路况较差、车辆行驶振动大的条件下，极有可能螺栓松脱，进行测试目的是作为对比基准，以便比较其他方案的优劣。

2.1.2 方案2：螺栓+平垫片+防松垫片+机械压点自锁螺母

防松垫圈由2片垫圈组成，如下图2所示：相互间对向齿配合，并且另一面都有防滑纹；锁紧过程中，2片垫圈间对向斜齿与螺纹旋向相反，对向斜齿配合无相对旋转；锁紧后防滑纹在夹紧力的作用下，2片防松垫圈的防滑纹保证与螺母、平垫圈相对固定，对向斜齿处于楔形上升状态，增大松脱难度，采用这种方式达到放松的目的。

图2 防松垫圈

2.1.3 方案3：螺栓+平垫片+机械压点自锁螺母+薄螺母

薄螺母是通过迫紧靠近里面的机械自锁压点螺母，强制其无法旋转实现防松。以上方案考虑不变化螺栓，通过变化螺母及垫圈实现达到放松目的。

2.2 试验条件

这3种组合的螺栓横向振动试验，按ISO 16130：2015 《紧固件横向振动试验方法》同等测试，试验条件如下表1所示。

表1 试验条件

螺栓横向振动试验在安布内科振动试验机上完成，紧固件横向振动试验机包括主机、液压站、控制台3个部分。螺栓在横向振动试验过程中的夹紧力数据通过安装在连接板下部的压力传感器测出，在试验机的显示屏直接显示并由计算机记录[2]。该文选取涂油一组数据，未涂油一组数据，各绘制夹紧力变化曲线。

2.3 试验数据

涂油一组试验过程中各方案夹紧力变化曲线如图3所示；未涂油一组试验过程中各方案夹紧力变化曲线如图4所示。

图3 涂油一组试验过程各方案夹紧力变化曲线

图4 不涂油一组试验过程各方案夹紧力变化曲线

2.4 试验数据分析

在实际使用中，装配前螺纹位置涂黄油润滑，降低了螺纹配合的摩擦系数，使用650N·m的锁紧力矩产生的夹紧力比理论计算的75%保证载荷要大些，但未超过螺栓的保证载荷319kN，螺栓仍处于安全使用范围，即螺栓此时虽然有变形，但如释放夹紧力，螺栓将完全回弹恢复初始状态，属弹性变形；如装配前螺纹位置不涂黄油润滑，使用650N·m锁紧力矩产生的夹紧力与理论计算的75%保证载荷一致；装配前涂油润滑或者不进行涂油润滑，只会影响初始锁紧时的夹紧力，不会影响夹紧力的衰退程度；不管是装配前是否涂油润滑，方案1夹紧力衰退均最厉害，与实际使用验证防松效果不相符，须被改进；方案2中增加使用防松垫圈，虽然测试结果夹紧力基本没有衰退，但是初始锁紧状态的夹紧力远未达设计目标（设计要求初始夹紧力239.25kN），初始夹紧力不够，同样会造成螺栓失效；方案3中使用650N·m力矩锁紧机械压点自锁螺母后，又在外面增加1个薄螺母，使用650N·m力矩锁紧迫紧内螺母，初始锁紧状态下比方案1夹紧力大些，但增加有限，并且使用双螺母后夹紧力衰退不明显，属比较理想的数据。

3 试验结果评判

因为无法直接采用振动过程中的夹紧力来评价螺栓的防松性能，所以采用振动1500周期后，静止2 min，待应力释放，测量残留夹紧力，采用“夹紧力的衰退率（%）”这一无量纲指标来评价螺栓的防松性能[3]。

夹紧力的衰退率（%）= 减少的夹紧力 / 初始夹紧力 × 100%。

试验过程中振动1500周期后夹紧力的衰退率如表2所示。按照 ISO 16130：2015 《航空航天系列 - 横向负载条件下，螺栓连接锁定性能的动态测试（振动试验）》，根据表3所示的评判分类，对实际测量出来的夹紧力衰退率进行评判。

表2 振动1500周期后夹紧力的衰退率

表3 评判分类

3.1 方案1

装配前涂油润滑，使用650N·m初始力矩锁紧，初始夹紧力平均为275kN，符合设计要求，振动1500周期后平均衰退率为56%；装配前未涂油润滑，同样使用650N·m初始力矩锁紧，初始夹紧力平均为231kN，符合设计要求，振动1500周期后平均衰退率为54%；对比评判标准，属于二类，结合实际使用确实不理想，须被改进。

3.2 方案2

装配前涂油润滑，使用650N·m初始力矩锁紧，初始夹紧力平均为160kN，不符合设计要求，振动1500周期后平均衰退率为5%；装配前未涂油润滑，同样使用650N·m初始力矩锁紧，初始夹紧力平均为131kN，不符合设计要求，振动1500周期后平均衰退率为6%；对比评判标准，属于一类，是3个方案中自锁防松效果最好，但不管装配前有无涂油润滑，初始夹紧力不足（设计要求初始夹紧力239.25kN），可能造成螺栓失效，所以不能被选用；并且额外试验同一套的螺栓、螺母、防松垫圈，经过5次锁紧后，所有配件都没有损坏，表明防松垫圈可以重复多次使用；但测量每次重复锁紧的初始夹紧力，发现第5次锁紧比第1次锁紧后初始夹紧力下降了40%，防松垫圈的防护纹在多次锁紧后，将螺母及平垫圈压出越来越深的凹痕，螺母锁紧阻力越来越大，试验表明多次重复锁紧后，初始夹紧力将下降，确定方案2不能被选用。

3.3 方案3

装配前涂油润滑，使用650N·m初始力矩锁紧，初始夹紧力平均为280kN，满足设计要求，振动1500周期后平均衰退率为14%；装配前未涂油润滑，同样使用650N·m初始力矩锁紧，初始夹紧力平均为237kN，符合设计要求，振动1500周期后平均衰退率为14%；对比评判标准，属于一类，自锁防松效果较好，结合初始夹紧力及夹紧力衰退率，属于比较理想的选择。

4 结论

该文通过开展空气悬架支架枢轴M24螺栓组件的横向振动试验研究，确定了该螺栓组件的最佳组合，证实了最佳的组合应为双螺母螺栓组件，可以拥有良好的防松性能，并且成本相对最低。

主要结论如下。添加防松垫片的螺栓组件虽然比普通螺栓组件的夹紧力衰退率降低了不少，但带来的负面影响是夹紧力不足，特别是重复使用后，各项性能均会下降很多尤其是它的夹紧力。另一方面，防松垫圈单价过高，成本压力大，而双螺母是成本最低防松性能又可以满足使用的方案，所以优选双螺母方案。

在该次实验中方案3的2个螺母厚度和锁紧力矩是一样的，但有文献表明上下2个螺母的厚度不同以及上下2个螺母的锁紧力矩不同将会对螺栓连接的夹紧力衰退率值带来很大的影响。所以在不增加成本的情况下为了进一步降低方案3的夹紧力衰退率，可对该螺栓组件的双螺母厚度比例和锁紧力矩比例进行进一步的改进。另外，也可以采用唐氏螺纹螺母防松，即将左旋和右旋2种螺旋线复合在同一螺纹段上，它既可以和左旋螺纹配合又可以和右旋螺纹配合，在连接时只需用2种不同旋向的螺母分别拧紧即可。最后，从该实验中也可以知道螺栓受振动时，螺母容易松脱，所以亦可考虑减少螺栓组件的振动来防止螺栓的松脱。