引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展理念的變化，電動汽車逐步擴(kuò)大市場范圍。在電動汽車電驅(qū)、電控、電池的生產(chǎn)過程中，螺紋連接防松同樣重要，電驅(qū)模塊需要在交變載荷的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下保持穩(wěn)定的緊固連接，緊固軸向預(yù)緊力不足將導(dǎo)致電驅(qū)模塊在汽車高速行駛的過程中發(fā)生動力異常；電控模塊中包含了大量的電子器件、高功率模塊和裸露的銅牌導(dǎo)線等，電控模塊中存在著高電壓和高溫的危險因素，關(guān)鍵連接處一旦發(fā)生松動就容易引起打火現(xiàn)象，引發(fā)車輛損毀甚至造成安全事故。

螺紋連接結(jié)構(gòu)通過擰緊產(chǎn)生的軸向夾緊力將被連接件結(jié)合起來，使其發(fā)揮應(yīng)有的作用，螺栓軸向夾緊力的降低會導(dǎo)致螺栓的松動，進(jìn)而影響螺紋連接各項功能的正常使用，甚至完全喪失。螺栓松動會導(dǎo)致被連接件的分離、脫落以及滑動，被連接件滑動會導(dǎo)致被連接件過度相對位移和碰撞，被連接件分離會導(dǎo)致噪聲以及連接剛度降低，剛度降低則振動加劇，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞、密封不良、螺栓疲勞斷裂等失效現(xiàn)象。松動對螺紋連接可靠性有非常嚴(yán)重的影響，研究螺紋連接結(jié)構(gòu)的松動機(jī)理及防松性能對提升其結(jié)構(gòu)可靠性有重要意義。因此有必要針對當(dāng)前螺紋連接工藝相對問題進(jìn)行深入探究，尋求優(yōu)化思路和方法。

1、汽車螺紋連接松動機(jī)理分析

螺紋連接結(jié)構(gòu)的失效形式有很多種，主要分為擰緊時的失效和工作失效兩部分。緊固件擰緊時，螺紋連接結(jié)構(gòu)基本不受外載荷作用，可能出現(xiàn)擰斷、滑牙或者脫扣、被連接件塑性變形或壓潰等問題，這些問題都能及時發(fā)現(xiàn)且容易解決。而螺紋連接結(jié)構(gòu)的工作失效通常發(fā)生在機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中，此時螺紋連接結(jié)構(gòu)承受較大的外載荷，失效形式表現(xiàn)為螺栓斷裂失效和松動失效。發(fā)生斷裂失效時，緊固件立即完全喪失其連接功能，連接結(jié)構(gòu)喪失維持其位置和功能的夾緊力而迅速分離。松動失效是螺紋連接的夾緊力逐漸衰退的過程，螺栓夾緊力是影響螺紋連接結(jié)構(gòu)功能的最重要因素，螺栓軸向夾緊力的降低導(dǎo)致螺紋連接各種功能水平的下降，甚至完全喪失功能，因此松動對螺紋連接結(jié)構(gòu)的連接性能影響顯著。對螺紋連接的失效研究中，必須重點關(guān)注工作失效現(xiàn)象。

一般情況下，螺栓斷裂失效可以從螺栓的質(zhì)量、預(yù)緊力矩、強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度四個方面來進(jìn)行分析，實際上，螺栓斷裂失效絕大多數(shù)情況是由松動引起的。目前國內(nèi)外螺栓的質(zhì)量和強(qiáng)度都能達(dá)到國標(biāo)要求，滿足連接所需性能，而疲勞強(qiáng)度非常大，絕大多數(shù)關(guān)鍵連接點的螺栓在使用過程中根本用不到疲勞強(qiáng)度。緊固件只需一百次橫向振動即可松動，而在疲勞強(qiáng)度實驗中反復(fù)振動數(shù)百萬次才會疲勞斷裂，也就是說，在緊固件發(fā)生疲勞斷裂之前就已經(jīng)發(fā)生了松動失效，松動才是緊固件損壞的真正原因。

1.1螺紋連接結(jié)構(gòu)的松動分析

螺紋連接松動其實就是螺栓夾緊力的衰減過程，該衰減過程主要包括材料松動期和結(jié)構(gòu)松動期兩個階段。

第一階段材料松動期主要是緊固件在外部環(huán)境作用下出現(xiàn)不可逆的塑性變形，螺栓扭矩和夾緊力緩慢下降，此時螺紋連接沒有相對運(yùn)動或者相對運(yùn)動很小，因此也可以稱為非旋轉(zhuǎn)松動；

第二階段結(jié)構(gòu)松動期主要是隨著夾緊力的持續(xù)下降，在外載荷的持續(xù)作用下，螺栓螺母之間出現(xiàn)了明顯的相對滑動，螺栓夾緊力快速下降，連接松動，最終導(dǎo)致失效，此階段也可以認(rèn)為螺栓發(fā)生了旋轉(zhuǎn)松動。

螺紋連接在預(yù)緊力足夠高的情況下，在外部循環(huán)載荷作用下普遍經(jīng)歷以上兩個松動期。若預(yù)緊力不足，則可能直接進(jìn)入結(jié)構(gòu)松動期，發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動。

1.2螺紋緊固件松動原因分析

目前國內(nèi)工程機(jī)械中使用的連接螺紋大都是單線螺紋，依據(jù)對單線螺紋副的受力分析可知，當(dāng)緊固件所處的工作環(huán)境為靜應(yīng)力的條件時，螺紋件自身具有自我鎖緊的功能。但由于螺紋緊固件的鎖緊機(jī)理使得彼此的配合面為單向接觸，即除了相互接觸的表面外，其他方向都是存在相應(yīng)的間隙。間隙使得配合的緊固件在受到交變載荷、沖擊載荷以及不斷振動的條件時發(fā)生微小的竄動，周而復(fù)始造成螺紋緊固件的松動。

針對當(dāng)前常用型號的螺紋緊固件來說，造成其松動的因素是多方面的，但是最終總結(jié)后可以分為以下兩大根本原因［1］：

（1）螺紋緊固件的初始變形。螺紋連接出現(xiàn)松動不是一瞬間產(chǎn)生的，它是一個錯位積累的過程，首先是從緊固件的初始錯位開始的。螺紋緊固件發(fā)生初始變形的原因主要是由于配合的螺紋表面并非絕對意義上的平面，因材料的選擇或加工過程的影響造成緊固件螺紋表面存在凸起和凹槽，使得在緊固件擰緊時或工作情況中，會產(chǎn)生局部的塑性變形造成相應(yīng)的軸向應(yīng)力下降，引起緊固件的錯位。

（2）外載荷的作用。由于螺紋緊固件安裝位置和工作條件等因素的不同，工作過程中所受到的外載荷也不同，但最終都可以將受到的外載荷進(jìn)行力的合成或分解到兩個方向：軸向和橫向，即轉(zhuǎn)化成軸向載荷和橫向載荷。當(dāng)螺紋緊固件受到外部軸向載荷的作用時，螺栓在初始預(yù)緊的前提下繼續(xù)受拉，增加了配合螺紋牙斜面上所受到的在徑向方向上的分力，從而使外螺紋（螺母）產(chǎn)生徑向的擴(kuò)張，內(nèi)螺紋（螺栓）產(chǎn)生徑向的收縮。因此，在配合的螺紋面上將會產(chǎn)生危險的錯位，當(dāng)軸向載荷周而復(fù)始的作用時，上述錯位的程度逐漸積累，最終導(dǎo)致配合螺紋的松動。

當(dāng)受到橫向載荷的作用時，螺栓在初始預(yù)緊承受拉伸應(yīng)力的條件下繼續(xù)受到橫向扭轉(zhuǎn)的作用，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)變形，同理隨著上述變形的積累，必然使得配合螺紋產(chǎn)生一個沿螺紋方向的變形量，最終引起螺紋連接的松動失效。

2、汽車螺紋連接防松技術(shù)

當(dāng)下國內(nèi)外螺紋連接的防松方式有很多，根據(jù)防松原理的不同主要可以分為以下幾類：摩擦防松、機(jī)械防松和破壞螺旋副關(guān)系防松。另外，隨著對防松要求、工作環(huán)境和安裝條件的要求，工程師也開發(fā)了一些新的防松緊固件，以滿足上述的工程要求。

2.1機(jī)械防松

機(jī)械防松的工作原理是通過運(yùn)用特殊設(shè)計的止動元件防止相互配合的螺紋緊固件在工作過程中不發(fā)生彼此滑動，依據(jù)上述原理其具體的防松方式包含使用止動墊圈和串聯(lián)鋼絲等。其中止動墊圈的工作原理是指在螺母正常擰緊的情況下，將止動墊圈的雙耳分別向螺母側(cè)面和被連接件側(cè)面進(jìn)行折彎并貼緊，即可完成螺紋連接的鎖緊功能［2］；串聯(lián)鋼絲則是對螺栓或螺釘?shù)念^部進(jìn)行鎖緊，將鋼絲穿過頭部的孔中，將該組螺紋緊固件連接起來，進(jìn)而實現(xiàn)相互的制動，需要注意的是由于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的螺紋是順時針為擰緊方向，因此在鋼絲的串聯(lián)方向上要予以正確的安裝。

機(jī)械防松的方式除了上述兩種外，還有利用開口銷與六角開槽螺母的方法。相比摩擦防松而言，機(jī)械防松在防松能力上有了很大的提升，因為只有當(dāng)串聯(lián)鋼絲或止動墊圈被強(qiáng)制拉斷，螺紋緊固件才有可能發(fā)生松動；但是，由于該防松模式需要對標(biāo)準(zhǔn)的螺母進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的修改，另外需要安放額外的部件，不僅在加工過程還是在安裝過程中的裝配空間都有了更高的要求。因此，機(jī)械防松一般適用在承受沖擊較大、載荷頻率較高、小批量不易檢查以及對防松要求高的場合，而對于一般要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)中不建議適用。

2.2摩擦防松

摩擦防松的工作原理是保證螺旋副之間以及螺紋緊固件頭部與被連接件之間，在承受外部載荷的情況下始終保持著足夠的正壓力，進(jìn)而產(chǎn)生有效的摩擦力矩，防止摩擦力降低到臨界點以阻礙螺紋緊固件的松動。依據(jù)上述原理提出最根本的防松方式是在保證緊固件和被連接件不被損壞的情況下施加足夠的力矩；另外，在機(jī)械行業(yè)中設(shè)計的防松裝置有對頂螺母和自鎖螺母。

施加足夠的力矩是從標(biāo)準(zhǔn)的螺紋緊固件自身角度出發(fā)，對緊固件和被連接件不做任何的外部處理，只是通過提高擰緊扭矩值以保證轉(zhuǎn)化的軸向夾緊力能夠產(chǎn)生足夠的摩擦力矩，進(jìn)而確保相互配合的螺旋副在承受外部載荷的情況不發(fā)生相互的錯動。對頂螺母的防松方式是通過將兩螺母完成對頂安裝后，相對普通的連接方式增加了一倍的連接面，使彼此貼合的螺紋副之間受到附加的正壓力和摩擦力的作用。當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時，配合面的摩擦力始終存在，從而避免了摩擦力瞬間消失的現(xiàn)象。自鎖螺母根據(jù)結(jié)構(gòu)方式不同可以分為全金屬自鎖螺母和嵌尼龍圈螺母，其中全金屬自鎖螺母在螺母擰緊后，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性利用收口的彈力使配合的螺旋副壓緊；嵌尼龍圈螺母是利用螺母擰緊過程中在尼龍環(huán)上攻出相互配合的螺紋，靠其彈性變形產(chǎn)生足夠的摩擦力矩進(jìn)而實現(xiàn)防松［3-4］。

無論哪一種摩擦防松的方式，都具有結(jié)構(gòu)上比較簡單，實際的安裝過程比較方便的特點，但是由于摩擦力始終是阻礙而無法阻止，無論正壓力產(chǎn)生的摩擦力有多大都會有一個上限值，一旦外載荷的沖擊大于該值時仍會發(fā)生相互的位移；同時摩擦防松主要是對于螺紋連接的初期防松效果比較明顯，一旦因瞬間的載荷過大打破了原有的配合臨界點，該類防松的方法基本上不能達(dá)到防松的效果。

因此，該防松方式主要運(yùn)用在平穩(wěn)、低速的機(jī)械裝置中。

2.３破壞運(yùn)動副連接防松

破壞運(yùn)動副連接防松的基本原理是通過外在的機(jī)械加工破壞螺紋副之間的運(yùn)動關(guān)系，使相互配合的螺旋副之間失去相互滑移的可能，進(jìn)而實現(xiàn)防松的效果，依據(jù)該原理機(jī)械裝配中主要的防松方法有鉚合、沖點和涂膠粘結(jié)。其中前兩種防松方法主要是在緊固件裝配完成后增加一道工序分別是鉚合或沖點，進(jìn)而完成對運(yùn)動副的破壞；而涂膠粘結(jié)則是在緊固件裝配之前增加一道工序，即在螺栓或螺釘?shù)穆菪北砻嫱扛惨粚幽z粘劑，當(dāng)擰緊螺母后，膠粘劑就會粘附在配合的螺旋副表面，待其硬化后將螺旋副粘結(jié)在一起，實現(xiàn)防松的效果。上述防松方式的防松效果較好，但是由于其增加了安裝工序操作起來比較繁瑣，人為因素影響比較大，缺少同一的標(biāo)準(zhǔn)；另外，一旦拆卸后螺紋緊固件就不可能重新安裝使用。因此，該防松方式多用于不經(jīng)常拆卸或者安裝后不需要拆卸的場合。

2.4新型螺紋連接的防松—施必牢螺母

隨著螺紋緊固件使用層面越來越大，對緊固件的標(biāo)準(zhǔn)化、安裝空間以及防松效果的要求程度也逐漸的上升，工程師從緊固件自身出發(fā)設(shè)計出新型螺紋連接，其中目前使用最為廣泛、防松效果最佳的是施必牢螺母，施必牢螺母相對于標(biāo)準(zhǔn)螺母的螺紋在底部有一個30°的錐角，而與之配合的螺栓螺紋為標(biāo)準(zhǔn)螺紋。當(dāng)對螺母施加扭矩時，由于預(yù)緊力的作用使得螺栓螺紋的牙頂與螺母的牙底30°錐面線性貼合或發(fā)生比較小的變形，使兩者之間產(chǎn)生較大的徑向鎖緊力（螺旋副的正壓力），進(jìn)而產(chǎn)生足夠的摩擦力（或力矩），提高了防松性能［５］。

另外，從配合點受力的角度研究可知：對于標(biāo)準(zhǔn)螺紋在擰緊后通常只有前四個螺旋副受力，其中第一個配合面的受力最大（一般占總的30％），后面的螺旋副接觸面的受力依次降低；而對于施必牢螺紋由于在牙底有30°的錐面，能夠使螺母與螺栓的鎖緊力均勻分配到相互配合的螺旋副面上，使得各接觸面承受的壓力比較均勻，進(jìn)而解決了因受力不平衡造成的螺紋磨損以及螺紋牙被剪斷的問題。

通過大量的試驗驗證以及實際工程機(jī)械中的應(yīng)用，其結(jié)果均表明施必牢螺紋的特殊結(jié)構(gòu)能夠保證螺紋連接過程中可以承受各種外載荷，具有良好的防松性能；安裝過程中不需要增加額外的工序以及特殊的安裝工具，使用比較方便；另外，當(dāng)該螺紋副拆卸后仍可以重新使用，并且其對應(yīng)的防松效果并沒有縮減，具有良好的使用價值。

通過對以上四種防松方式的分析可以看出，無論哪一種都有優(yōu)缺點，在實際的工程應(yīng)用中，要根據(jù)使用場合和安裝條件選擇合理的防松方式，以達(dá)到最優(yōu)的防松效果。

3、結(jié)束語

綜上所述，汽車螺紋連接防松問題在當(dāng)今汽車發(fā)展過程中非常重要。因此，在汽車的快速發(fā)展過程中，設(shè)計者和技術(shù)人員應(yīng)該在對螺紋緊固件工作過程進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上，找出造成連接松動的原因并應(yīng)用合理有效的防松措施，以保證螺紋連接的可靠性是至關(guān)重要的。

參考文獻(xiàn)：

［1］李維榮，朱家誠.螺紋緊固件防松技術(shù)探討［Ｊ］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2003（０2）：15－17.

［2］吳國志.談螺紋緊固件連接的防松［Ｊ］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008（０５）：29－41.

［3］王自勤，宋瑞銀，宋揚(yáng)揚(yáng)，等.螺紋聯(lián)接松弛機(jī)理研究［Ｊ］.現(xiàn)代機(jī)械，2001（０３）：31－34.

［4］楊錫和，石輝.螺紋聯(lián)接的耐久性及防松措施［Ｊ］雷達(dá)與對抗，2002（０1）：62－67.

［5］劉永軍，黃太剛，馮仁余.施必牢防松螺母的設(shè)計原理［Ｃ］.第十二屆全國機(jī)械設(shè)計年會，2006.

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