制动钳螺栓连接分析与计算

　　机械类产品装配中，零件与零件之间主要依靠紧固件联接。其中螺纹紧固件应用最为广泛，紧固件的性能及联接效果直接影响到产品的性能和安全以及使用寿命。紧固件的失效是常见机械类产品质量问题产生的原因，因此螺纹紧固件失效模式的潜在原因分析，对产品的质量提升有重要的意义。

　　1 螺纹紧固件常见的失效模式

　　在我们工作中遇到的螺纹紧固件主要的失效模式看分为：

　　①装配拧拉断裂；

　　②螺纹受剪切力拧断；

　　③应力集中部位使用后断裂；

　　④疲劳断裂；

　　1、制动钳载荷计算校核

　　制动钳螺栓连接处如果有相应的载荷数据，可以按照VDI2230-1标准进行详细的计算。

图 1 制动钳与转向节装配

图 2 制动钳用端面带齿（滚花）螺栓

图 3 制动螺栓安装孔M14X1.5

　　校核制动钳螺栓需要的输入数据为：车轮制动力FLF、车轮滚动半径R、制动钳螺栓的数量n、制动钳安装螺栓轴线到车轮旋转轴线的距离r。还需提供制动钳安装螺栓处的设计数模、与螺栓连接相关的被连接件的材料参数（包括材料的牌号标准、弹性模量、最小抗拉、屈服强度）。

　　计算输出包括所选螺栓是否满足汽车设计的制动力要求，螺栓的初步拧紧工艺及拧紧参数以及螺栓的详细设计要求（包括螺栓的螺纹及端面摩擦系数、表面处理方式、螺栓的长度）、螺栓的最小啮合长度等。

　　最终的拧紧工艺参数需要通过实际样件进行试验确定。制动钳安装螺栓一般要求增加防松方式，优先选用涂胶防松方式，涂胶类型为precote85，涂胶后的性能满足DIN 267-27标准。对于球墨铸铁车轮支架/转向节连接用螺栓，可以选用螺栓头法兰面下带筋/压花的防松方式。但对于铝合金车轮支架/转向节连接用螺栓不建议用法兰面下带筋/压花的防松方式。

　　如果没有连接处相应的载荷数据，可以通过整车的质量及尺寸参数按照表1的计算方法得出前后轮的制动力FLF数据作为计算载荷的输入。

表 1 前后轮制动力载荷数据

　　通过上述输入数据即可计算出螺栓所需的最小夹紧力：

　　根据表2、表3最小夹紧力F0与FF0比较确认选用螺栓规格型号及性能等级、拧紧方式是否满足制动载荷要求。

表 2 扭矩法拧紧时螺栓的拧紧扭矩及最小、最大夹紧力

　　表 3 过屈服扭矩法转角法拧紧时螺栓的最小、最大拧紧扭矩及最小、最大夹紧力

　　2、计算螺栓所能承受的剪切力Ff

　　计算过程中根据结合面之间的材料，确定结合面之间的摩擦系数μ，通常，对于钢-钢、铸铁-钢之间的连接按照摩擦系数μ为0.15选取，如果有实际结合面之间的摩擦系数μ实测数据可以按照实测数据选取。

　　根据螺栓的最小夹紧力F0以及结合面之间的摩擦系数μ可以计算出螺栓所能承受的最大剪切力Ff：

　　3、螺栓的最小啮合长度校核

　　制动钳螺栓一般要拧入制动钳螺纹孔中，因此，需要校核螺栓的最小啮合长度（制动钳螺纹孔的有效厚度），同样，螺栓最小啮合长度可以按照轴承螺栓最小啮合长度的计算校核方法进行设计。

　　由于螺栓的断裂是突然发生的比较容易发现，而螺纹脱扣滑牙是逐渐发生的，很难发现，故螺纹连接件强度匹配设计原则是，在出现超拧时的失效型式应是螺栓断裂，而不是螺纹的脱扣滑牙。

　　螺栓的强度主要是由材料及热处理工艺决定，标准螺栓的等级有3.6、4.6、4.8、5.6.、5.8、8.8、9.8、10.9、12.9等。但内螺纹的强度不仅仅与材料及热处理的工艺有关，同时还与螺纹啮合长度有关。标准螺母的强度等级有4、5.、6、8、9、10、12等。

　　对于标准螺母的选择，需要螺母的保证载荷大于螺栓的保证载荷，按照表4来选择。

表 4 螺栓/螺母等级匹配

　　轴承螺栓一般要拧入轴承螺纹孔中，因此，需要校核螺栓的最小啮合长度（轴承螺纹孔的有效厚度）。对于在内螺纹孔的设计，需要合理的设计螺纹的啮合长度，以保证装配螺栓时，内螺纹有足够的强度来匹配。具体设计连接长度时，可以参照图4曲线根据内螺纹材料的剪切强度进行选取。也可以根据表5参照内螺纹材料的最小抗拉强度Rm进行选取。详细计算螺纹最小啮合长度可以按照VDI2230标准5.5.5节进行，一般设计时按照表5和图1选取最小啮合长度即可满足要求。

图 4 内螺纹连接长度选取曲线

表 5 各种内螺纹材料所需的最小连接长度

　　4、螺栓头表面压力的校核

　　螺栓装配状态作用下，螺栓头和螺母表面压力（实际为接触压强）pmax都不应超过材料的接触压力。

　　螺栓头或螺母接触压力pmax为

式中：F为装配状态作用下最大夹紧力

　　Apmin为螺栓头或螺母与被连接件表面最小接触面积

　　材料的接触压力极限应根据实际选用材料确定，在没有准确材料接触压力极限数据时，可以参照表6选用相近的材料进行设计校核。

表 6 材料的性能参数

　　总之，任何一个螺栓的计算，都需要考虑载荷（选用的螺栓规格是不是满足要求）、啮合长度（螺纹啮合长度是不是满足强度要求，预紧力要求），螺栓头表面压力（表面压应力是否满足材料的表面极限接触强度的要求）等。虽然，在螺栓本身即是的时候不需要考虑被连接件压紧时候被连接是否会有塑性变形的可能，但是，在结构件设计和有限元的计算过程中必须要考虑被连接件的塑性变形。这个情况，后面我们可以详细的讨论，如何制定被连接件永久压缩变形的标准和试验方法。

　　⑤延时断裂；

　　⑥零件扭矩报警；

　　⑦螺纹滑牙。

　　2 常见失效模式的原因分析

　　2.1 装配拧拉断裂

　　拧拉断裂特征为断裂部位明显缩颈伸长，造成拧拉断裂的常见原因主要是由于联接面摩擦系数过小；拧紧或预紧时施加的扭矩过大、施加扭矩时套筒与螺纹不同轴、施加扭矩时速度过快；零件本身的性能强度不够以及紧固面与螺纹中心线垂直度超差。

　　2.2 螺纹受剪切力拧断

　　受剪切力拧断的断口部位一般有螺旋状，无明显缩颈，造成螺纹受剪切力拧断的常见原因是由于螺纹在拧紧过程中被卡死，例如：螺纹变形、相互联接的牙型不一致、螺纹有焊渣灯情况；螺栓拧进的断面被顶住，如螺母为盲孔的有效螺纹深度不够。

　　2.3 应力集中部位使用后断裂

　　应力集中部位使用后断裂常见表现在螺栓头部及头部与螺纹杆过度的直角部位，造成应力集中部位断裂的常见原因为头部与螺纹杆过度的直角部位圆角过小；螺栓冷镦成型时在头部的塑性流线存在缺陷。被联接面与螺栓垂直度超差。

　　2.4 疲劳断裂

　　在螺栓连接后使用的过程中主要的断裂为疲劳断裂，造成疲劳断裂的常见原因有：预紧力不足；夹紧力衰减过大；螺栓尺寸、性能不合格；零件之间的相互配合、装配环境、使用工况不能满足设计要求。

　　2.5 延时断裂

　　延时断裂常见原因为氢脆，氢脆是在生产过程（如电镀、焊接）中进入钢材内部的微量氢，在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。常见易发生氢脆的紧固件有：自攻钉/弹性垫圈/8级以上的经过电镀表面处理的螺栓。

　　2.6 零件扭矩报警

　　零件扭矩报警常见发生在通过角度法控制扭矩的螺栓装配过程中。造成紧固件扭矩报警失效模式及原因有：在装配完成后，零件的最终扭矩，高于控制上限或低于控制下限：原因为零件的装配扭矩控制范围不合理，表现为设定控制范围过小、控制范围往上或往下偏移，如图1所示，其中f上、f下为摩擦系数。

　　没有预紧到预设角度，扭矩达到上限报警：原因为零件本身摩擦系数超上限、零件配合摩擦系数超上限、零件之间干涉，造成装配扭矩急剧上升。

　　正常装配，扭矩下限报警：原因为零件本身摩擦系数超下限或零件配合摩擦系数超下限，零件拧入时贴合扭矩大于初始扭矩（也即拧入力矩消耗过大），常见于锁紧螺母的拧紧。

　　2.7 螺纹滑牙

　　螺纹连接常常出现螺纹滑牙，造成螺纹滑牙的主要原因有螺纹脱碳：常见现象为装配时感觉扭矩加不上，螺栓拆下后，发现螺纹全部或部分被磨平，以及螺栓螺纹或者螺母孔表面硬度低；内外螺纹尺寸配合：相配合的联接付接触面积小，有两种情况：一是接齿合的螺纹扣数少，二是螺纹与螺纹不在中径以内接触（即精度配合不好，螺栓螺纹和螺母的螺纹接触不够）。

　　同时，在装配方法上如果装配不对孔，强拧也会造成螺纹滑牙；螺纹摩擦系数过小：表面涂层、表面粗糙度、表面润滑剂不合理和螺栓螺纹或者螺纹孔有异物，损坏螺纹以及螺栓跟螺母的螺距、角度变异都会导致螺纹滑牙。

　　3 紧固件失效案例分析

　　3.1 案例描述

　　2015年3～4月某总装反馈累计5件某车型后减震器固定螺栓在打扭力时缩颈、断裂，如图2所示，该螺栓使用要求扭矩110+/-15 N.m，设备设定值为110 N.m，螺纹规格为M12×1.75-6h，性能等级10.9，表面处理按GMW3359。

　　3.2 拧紧力矩的构成

　　螺旋副的拧紧力矩为螺旋副之间的摩擦阻力矩和螺母环形面与被联接件支承面间的摩擦阻力距之和，计算如下公式：

　　T1为螺旋副间的摩擦力矩；T2为螺栓环形面与支承面之间的摩擦阻力距；

　　F0为预紧力；

　　对于M10～M64粗牙普通螺纹的钢质螺栓，螺纹升角1°42′-3°2′，螺旋副当量摩擦角ψv≈arctan1.155f（f为摩擦系数，无润滑取0.1～0.2）；

　　d2为螺纹中径；

　　d0为螺栓孔直径，D0为螺母（螺栓）与被联接支承面接触受力的环形外圆直径；

　　fc为螺母（螺栓）与支承面的摩擦系数。

　　3.3 分析过程

　　外观检查：断裂螺栓头部支承面有残留黑色油污，油污来源为被联接件安装面被粘到油污。

　　断裂螺栓尺寸测量：测量断裂螺栓大径φ10.4 mm（未使用的产品实测螺纹大径为φ11.85 mm符合标准），断裂螺栓总长89.8 mm（未使用螺栓实测总长为85.5 mm，规定85.9 max），零件其它尺寸未发生异常。

　　断裂螺栓扭矩记录接近中值，未出现偏上差或超差；图纸硬度要求：32～39 HRC：断裂螺栓实测硬度：36 HRC、35 HRC、36 HRC、36 HRC、37HRC，合格；检测断裂螺栓的金相组织未发现异常，如图3所示；抽检在用的2个批次各2件零件检测抗拉强度，结果合格。

　　抽检在用的2个批次共3件检测摩擦系数：0.13、0.13、0.12，符合图纸要求0.10～0.16。根据断裂螺栓及抽检螺栓的检测结果，初步判断螺栓零件符合设计要求；结合螺旋副的拧紧力矩分析，初步判定为由于联接面有油污导致摩擦系数降低，在同样装配扭矩情况下，螺栓承受的轴向力增加，导致螺栓断裂。把减震器安装支承面按100%把拭擦干净再装配后，该问题没有再发生。

　　4 结 语

　　文章通过对生产中常见的螺纹紧固件联接问题进行分析并列举解决实例，对零件生产、装配的工艺制定具有参考意义，对常见质量问题有预防作用，可减少质量问题的发生。

　　参考文献：

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　　[4] 邢红波，刘长明.范围.螺纹摩擦系数检测对紧固件失效率影响的探 讨[J].重型汽车，2013，（2）.