重卡的主要连接方式为螺栓连接, 且紧固件品种和匹配方式较多。通过横向振动试验, 对比分析后提出紧固件匹配优化建议。
目前, 重卡各总成和零部件之间的主要连接方式仍然是螺栓连接, 因为螺栓连接的标准性、通用性和互换性, 使得螺栓连接应用广泛且成本较低。
但同时也存在匹配品种较多的问题, 造成不同匹配之间的紧固特性和防松性能不同, 因而导致螺栓松动, 造成连接失效。
螺栓松动原因较复杂, 除了与制造、热处理、涂覆工艺过程有关, 还与连接间夹紧力衰减速度和幅度密切相关, 因此有必要研究螺栓螺母的匹配特性, 采用合理的匹配来提升螺纹副防松性能并减少紧固件品种。
重卡常用的高强度螺栓有六角头和法兰面 (带齿或不带齿) , 常用的螺母有非金属嵌件 (尼龙) 锁紧螺母、弹性圈 (簧片) 锁紧螺母、法兰面螺母和施必牢 (变牙型) 螺母等。
为对比验证各种匹配组合的防松性能, 采用国际通用和国标推荐的螺纹副横向振动测试仪进行试验对比, 分析试验数据。
1、试验概况
1.1 m18螺栓与不同螺母匹配
以m18×2的六角头镀锌螺栓为例, 分别与施必牢螺母、簧片锁紧螺母、尼龙锁紧螺母匹配拧紧后进行振动试验。
根据标准要求和试验方案, 螺母按设定的夹紧力拧紧后, 仪器在振动过程中将实时记录初始夹紧力和振动结束时的剩余夹紧力, 通过剩余与初始夹紧力百分比来判定试验样件的防松性能差异。
图1 紧固件横向振动测试仪 (gb/t 10431-2008)
试验预设相同夹紧力, 每种螺母在相同夹紧力情况下进行两组试验。数据如下:
图2 m18螺栓与不同锁紧螺母
从表中可看出, 相同夹紧力情况下, 尼龙锁紧螺母在振动结束时的夹紧力衰减最小。
表1 不同类型锁紧螺母的试验数据
1.2 不同涂层车轮螺栓与车轮螺母匹配
车轮螺栓规格为m22×1.5-10.9, 为验证不同表面涂层对螺栓防松的影响, 准备了磷化和镀锌螺栓螺母, 分别进行振动试验, 得出对比数据。
图3 试验用车轮螺栓、螺母
以下是磷化和镀锌各两组试验数据:
表2 不同表面处理方式匹配试验
从表中数据可知, 同样夹紧力情况下, 磷化螺栓螺母夹紧力衰减更大。
1.3 弹簧垫圈、楔形垫圈与螺栓匹配
图4 弹簧垫圈和防松垫圈
使用m18×1.5-10.9六角头螺栓和m18×1.5-10六角头螺母, 在螺母端加入垫圈后拧紧。以下是分别进行横向振动得到的数据:
表3 不同垫圈匹配试验数据
从表中数据看出, 相同夹紧力时, 楔形垫圈的夹紧力衰减更小。
2、分析总结
试验按照国标要求进行, 采用试验设备拧紧螺母, 振动1500次即自动停止。根据试验数据, 对试验总结如下:
2.1 紧固件品种过多
不利于采购管理、生产组织、质量控制和售后服务, 应减少品种。例如在不经常拆卸的部位, 可以多选用六角头螺栓和自锁螺母匹配, 提升防脱能力。
而在经常拆卸的部位, 可选用六角头螺栓与施必牢螺母匹配, 通过增大螺纹副间的锁紧力和摩擦力防止轴力快速衰减。
2.2 楔形垫圈因为楔形角大于螺纹螺旋升角
当螺母有松退趋势时, 垫圈会补偿间隙而保证轴向力不会大幅衰减, 是结构防松而非摩擦防松。
因此, 采用楔形防松垫圈后, 配合普通螺母即可, 虽然增加了垫圈, 但是螺栓螺母的品种减少了。
2.3 试验证明
高强度螺栓因为轴向夹紧力较大, 弹簧垫圈在安装时已经被完全压平变为平垫圈, 弹性防松性能无法体现。
2.4 试验发现
磷化高强度螺栓螺母连接在横向振动时, 夹紧力衰减较大, 分析其原因可能是磷化表面摩擦系数较低造成的。
3、结束语
高强度螺栓连接中, 直径m14以上或扭矩200nm以上无须使用弹簧垫圈防松。
磷化螺栓在实际使用中会涂油防锈, 因此更不利于防松。不建议高强度螺栓螺母采用磷化表面处理。
关键部位的紧固件匹配, 不但要考虑防松, 还应增加防脱功能。所以应做好结构防松方式的研究推广, 降低紧固件摩擦系数散差大的不利影响。