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    因摩擦系數離散性引來的螺栓失效及其設計和緊固工藝改進
    更新時間:2018-05-25

      一家汽車廠商在一種車型的后懸掛支架螺栓副上發現了兩個問題:

      1、 在這種車型的部分車輛(不是全部)上,發現了支架因發生錯動而磨損的現象。這種相對錯動發生在連接支架的螺栓副上,而這導致支架上的螺栓安裝孔發生了豁口,同時螺栓的螺桿部分發生了縮頸現象。這種情況是發生在螺栓在緊固前涂抹螺紋膠之后發生的。仔細觀察失效螺栓,發現了一個確定的事實:不是因為螺栓旋轉而導致的松脫。

      2、 在裝配中,在某些批次的螺栓中,盡管是用力矩精度有保證的力矩扳手施加的緊固,發現有一部分螺栓失效是在力矩法初次緊固的時候。

     

    此次失效螺栓就是這個樣子

      問題的背景

      在裝配設計最初的試驗和分析中,對螺栓組總預緊力的要求為105kN,以來保證支架不因懸掛帶來的載荷下而發生錯動。在支架和懸掛的連接設計中使用了48.8M12的滲鋅螺栓。在設計階段,使用螺紋膠的目的是增大螺線摩擦。螺紋的摩擦系數是0.2,螺頭底部摩擦系數為0.14,依據上面的摩擦系數進行計算, 單根螺栓34kN的預緊力需要90Nm的力矩來緊固。四根螺栓安裝后,螺栓組總的預緊力應該是136kN,這是滿足設計需求的。

      可是,因為螺栓失效,此裝配設計是否滿足設計需求是顯而易見有問題的,關于這個問題,需做重新評估。經過嚴格而縝密的調查,發現了如下情況:

      1、 螺紋摩擦系數介于0.140.25之間。

      2、 螺頭底部端面摩擦系數介于0.100.18之間。

      3、 因為使用螺紋膠,會增加摩擦系數,導致7Nm的附加扭矩。

      問題的根源

      最后,工程師們意識到他們所經歷的痛苦是摩擦系數的離散性導致的,而這個摩擦系數離散性問題在設計階段讓人憂傷地被忽視了。緊固此螺栓組的力矩扳手,其力矩精度為5%,85.5Nm的力矩是緊固這四根螺栓要求最小的力矩值。如果使用這個緊固力矩,同時帶入最大的摩擦系數,再算進去7Nm的因為螺紋膠導致的附加力矩,那么在最壞的情況下,螺栓預緊力也就只有23.9kN,遠小于設計的34kN。

      解決方案

      為了解決以上問題,工程師們重新評估了緊固力矩和螺栓預緊力之間的關系。簡言之,最后工程師們得出一個結論:把螺栓等級提高,就能解決問題。并且,大家提出的解決方案為:1)把8.8級的螺栓換成10.9級的;2)把法蘭結構局部改了一下以提供更大的抗振動阻力,解決振動引來松弛問題,而且這樣的改進還有一個好處就是為維修工作時候拆卸和重新裝配提供了便利。針對此螺栓組的力矩工藝和最終的預緊力,工程師們做了不少試驗,最后確定:

      1、 采用摩擦系數區間中的最小值??紤]到螺栓拉、扭應力的復合作用,力矩被定在了110.5Nm,以來保證螺栓預緊力處于90%的螺栓屈服強度點上。

      2、 后來,力矩值又被調低了5%(105Nm),以免于讓力矩扳手的力矩誤差把螺栓帶入到屈服段。這個力矩值被反復確認,確保在極端惡略的條件下,螺栓在初次緊固力矩緊固后不會發生失效。

      3、 采用105Nm的力矩值及摩擦系數區間的最高值,螺栓預緊力為30.4kN,經過設計的反復推敲,被認定為在最惡劣裝配條件下的螺栓預緊力最小值。

     

    105Nm力矩的分布

      此種被重新設計、更改緊固工藝的螺栓改進方案在接下來的一系列測試中順利通過,并且在召回的車輛中被采用。從此,再未出現此類問題的投訴.螺栓工程師的世界又太平了...

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