紧固件连接可靠性研究（2018版）技术中心办公室**有限公司前言高端紧固件是指用于高端装备或装备的高端部位紧固件，在汽车领域、特种车辆或特殊用途领域的农机装备，其某些部位的连接和紧固件也涉及高的连接强度、先进的防腐蚀技术以及长寿命等要求，不是普通意义上认为的螺钉螺帽所能够胜任的，而是需要选用高端紧固件。
显而易见，由于使用中的高端紧固件非正常失效可能造成的危害或损失难以估量，所以，如果说质量是紧固件的生命，那么，可靠性就是高端紧固件的灵魂。
针对高端紧固件的连接，尤其是高端装备制造的生产，在实践中人们重视所要求的连接即符合性的要求，更强调连接的适用性要求，也就是说，紧固件在使用时能成功地适合用户的明确的要求和隐含的需求才是高质量的。
保证高端紧固件的可靠性，就要采用系统的方法，实行可靠性工程。
可靠性工程是指为了达到产品的可靠性要求而进行的使用设计(包括选型)、产品设计、生产、试验验证等一系列的工作。
这里特别提出使用设计的问题，是因为高端紧固件产品不同于其他产品，其使用设计和正确选型对于高端紧固件完成设定的功能具有非常重要的意义。
紧固件的连接，根据需要有大有小，大部分是群体使用，要能够适应连接的强度、应力、温度、环境等工况要求，还要受到安装操作空间的限制等等，因此，做好使用设计、正确合理选择高端紧固件的型号规格、防松形式、耐环境方式等是高端紧固件使用中实现可靠性的前提。
这就要求在特别重要的部位，除理论计算连接强度等力学要求外，还要综合考虑冲击、振动等综合特性，以及应力腐蚀、氢脆、耐久性等理化因素，必要时要建立连接可靠性的数学模型，进行理论分析，并根据模拟仿真来进行验证。
汽车紧固件分基础件和重要件两个档次，重要件的质量和使用不当等是造成汽车质量问题的主因，因此做好紧固件可靠性的研究工作至关重要。
紧固件结构简单，品种繁多，约占整车零件数的30%～40%。
它是车辆的主要连接件，约占整车装配的工作量的70%。
正确合理的选用装配紧固件可以优化车辆结构设计，提高装配效率，降低成本，保障车辆行驶的安全性。
目前紧固件可靠性研究方面的资料很多,但比较零散,系统性研究的不多，未对车辆设计人员连接结构设计及装配工艺参数的编制确定提供系统性的参考指导意见。
为提高我公司的工作效率，我们根据设计生产的需要，选取机械设计手册、紧固件选用手册、表面处理手册、国内外紧固件期刊杂志等资料内有关车辆连接设计可靠性相关的内容编制本文件。
由于水平所限，难免有错误和欠妥之处，请相关部门进行批评指正！技术中心办公室2018年8月一、螺纹连接松动的原因[1] (5)1主要包含哪几个方面 (5)2螺纹连接松动的定义及危害 (5)3螺纹连接松动的原因及解决方案 (5)3.1旋转松动的原因及解决方案 (5)3.2非旋转松动的原因及解决方案 (6)4螺纹连接松动的监控 (7)5总结 (7)二、建议取消弹簧垫圈[4] (7)1松动机理 (7)1.1压陷导致的松动 (7)1.2轴向载荷导致的松动 (7)1.3横向载荷导致的松动 (8)2试验介绍 (8)3行业对比 (8)4结语 (8)三、轴向载荷作用下钢/钢螺纹连接的松动行为研究[9] (8)1螺纹联接结构的预紧 (8)1.1螺纹联接结构预紧方法 (9)2螺纹联接结构松动过程国内外研究现状 (9)3微动摩擦学概述 (10)3.1微动及其分类 (10)3.2磨损的分类 (11)3.3常见微动损伤实例 (11)4轴向载荷作用下钢/钢螺纹联接的松动试验研究 (12)4.1螺栓联接结构静态试验 (12)4.2交变载荷对螺栓松动行为的影响 (13)4.2.1松动程度 (13)4.2.2松动曲线 (14)4.2.3螺纹表面扫描电镜形貌 (14)4.3预紧力矩对螺栓松动行为的影响 (15)4.3.1松动程度 (15)4.3.2松动曲线 (15)4.3.3螺纹表面3D形貌 (16)4.4本章小结 (16)四、螺纹紧固件扭矩系数影响因素分析[6] (17)1引言 (17)2影响扭矩系数的因素 (17)2.1被连接件材料、硬度和刚度的影响 (17)2.2螺纹加工精度、牙侧粗糙度、支撑面的大小和粗糙度 (18)2.3表面处理 (18)2.4表面介质的影响 (18)2.5温度的影响 (18)2.7重复装配对摩擦系数的影响 (18)3结论 (19)五、高强度镀锌螺栓扭矩衰减控制技术分析[5] (19)1.1试验材料 (19)1.2试验思路分析 (19)1.3试验结果分析 (20)1.4总结 (20)六、非金属嵌件锁紧螺母的试验研究 [7] (20)1引言 (21)2理论分析 (21)3非金属嵌件螺母的试验研究 (21)4非金属嵌件螺母的防松性能研究 (23)5结论 (23)七、紧固件的工作环境及部分选配问题 (24)1高强度螺栓钢及其制品螺栓应满足要求 (24)2表面处理工艺对螺纹紧固件装配性能有哪些影响 (24)2.1对摩擦系数及夹紧力的影响 (24)2.2对安装扭矩及摩擦系数稳定性影响 (24)2.3部分表面处理工艺对应的摩擦系数推荐经验值 (25)2.4拧紧转速对摩擦系数和轴向夹紧力的影响 (25)3可靠性驱动的紧固件装配方案实施 (25)一、螺纹连接松动的原因[1]1主要包含哪几个方面从原理上说，螺纹连接能够满足自锁条件，在静载荷下不会发生松脱，但在摩擦、冲击、振动或交变载荷作用下，螺纹连接松动现象时有发生。
2螺纹连接松动的定义及危害螺纹连接的本质在于获得合适的夹紧力，以保证被连接件稳定的连接到一起。
所谓松动，是指螺栓连接全部或部分丧失轴向夹紧力，这种松动通常会导致：a)连接部分的分离和脱落；b)连接部分的滑移；c)过度的相对位移和连接部分的碰撞；d)分离产生的噪音及不密封；e)连接处的牢固性降低，导致增大的振动；f)振动导致疲劳断裂；g)高速运转下惯性冲击断裂。
因此，为减少螺纹连接松动失效的危害，其关键在于保证合适及稳定的夹紧力。
3螺纹连接松动的原因及解决方案螺纹连接松动通常分为两种类型：旋转松动和非旋转松动。
3.1旋转松动的原因及解决方案旋转松动由螺纹副的相对移动导致，正常情况下，各紧固件厂家对螺纹摩擦系数均有要求，从而保证螺纹的自锁性能,经相关研究资料表明：对于拧紧装配，我们需要足够的夹紧力来保证装配质量，而适当的螺纹摩擦系数，则有利于螺纹自锁，从而避免螺纹松动，依VW01129大众摩擦系数界限值标准，螺纹摩擦系数低于0.08意味着自锁性能的下降，而M6螺栓，当螺纹摩擦系数为0.052时，自锁能力完全丧失。
如果螺纹摩擦系数满足自锁条件，是否还有旋转松动发生呢？早在1969年德国科学家发现，振动也是螺纹紧固件产生松脱的主要原因之一。
当我们拧紧螺纹紧固件时，(1)当我们拧松螺纹紧固件时，(2)其中，T—螺纹副装配扭矩；F—轴向夹紧力；P—螺纹螺距；d2—螺纹中径；—螺纹摩擦系数；—端面摩擦系数；—端面摩擦圆等效直径。
用公式(1)、(2)得公式(3)：(3)通过公式(3)表明，拧松螺母所用到的拆卸扭矩始终小于拧紧螺母所用到的拧紧扭矩。
同样，螺纹紧固件在振动影响下，由于各零件的惯性以及连接件间的相互作用，使螺纹与支承面间的摩擦系数急剧降低，甚至出现摩擦阻力瞬时消失，破坏原有力的平衡关系，使螺纹副不能满足自锁条件，产生微量相对滑动，在同样的横向力的作用下，向拧紧方向的滑移量总要小于向拧松方向的滑移量，经过多次交替横向力的作用，螺纹紧固件向拧松方向的滑移越来越多，最终导致螺纹连接松动。
故针对旋转松动的主要原因，摩擦及振动，既可适当增大摩擦系数，如在螺栓端面增加防滑齿，采用锁紧螺栓或锁紧螺母等；同时，也可直接减小振动影响，如螺栓螺母涂防松胶，或采用机械方式固定螺纹连接，通过在螺纹连接副中加入金属制动元件，或者直接改变螺纹连接副的性质，来将螺纹连接副转变为非运动副。
在实际的应用过程中，通常主要通过以下几种方法来使螺纹连接副变为非运动副的：在螺纹连接中使用开口销或者有开槽的螺帽、在螺纹连接中串联钢丝、使用止动垫圈、冲点、进行铆接、钎焊或者粘接等方法[8],使螺纹连接在振动的条件下减小滑动。
但是，后四种防松装配方法，螺纹连接副的结构就已经遭到破坏，因此，这种结构不能被拆卸，只能一次性使用。
所以，这种防松方法不能用于经常需要拆装的场合，否则，会使成本加大。
3.2非旋转松动的原因及解决方案非旋转松动主要体现在夹紧力的逐渐衰减，主要有五种形式，蠕变、塑性伸长、压溃、热膨胀及磨损。
其中蠕变、塑性伸长，当装配载荷超过螺栓的屈服强度时，螺栓伸长并发生蠕变，导致轴向力的衰减，如果发生，表明螺栓已经接近性能极限，装配工艺或螺纹连接设计不合理，需重新选择。
而压溃，当装配载荷超过被连接件的屈服强度时，被连接件被严重压变形，导致轴向力的衰减，如发生，表明被连接件已接近性能极限，装配工艺或螺纹连接设计不合理，需重新选择。
热膨胀,主要温度的影响，温度变化，依VW01129,摩擦系数与温度有较大关联，针对有机防锈涂层，辅助的润滑剂涂层或混合润滑剂，如PTFE 或PE，在高温时会明显减小摩擦系数。
极端情况下，螺纹升角＞3°，拧紧在光滑的部件上，温度＞80℃时，会发生自松，故因温度而导致松动，主要为设计不合理，需重新选择。
磨损，多发生在较为粗糙的端面上，端面严重挤压变形后应力释放，导致轴向力的衰减，但磨损发生一般需要一定的时间，故有时很难发现和预防，仍应在螺纹连接设计中对粗糙度及材料耐磨性能详加考虑和规定。
针对螺纹连接的非旋转松动，其主要原因在于设计和装配的不合理，而装配不合理的预防多应在设计中考虑，故针对非旋转松动，仍应在设计中考虑预防。
4螺纹连接松动的监控针对螺纹连接松动的主要原因：摩擦、振动及设计，人们采取各种积极有效的措施，但螺纹连接影响因素较多，且各影响因素波动性较大，故较难实现100%合格不松动；同时，关键位置的螺纹连接又必需保证100%的合格不松动，因此，在装配中，如何有效地对可能的松动进行监控并提前发现便尤为重要。
通过分析整个拧紧过程，过程监控及装配后扭矩衰减监控，是有效监控可能松动风险的两种重要途径。
首先，选择合适的拧紧设备，实现整个拧紧过程的100%监控，扭矩衰减也一定程度上预示了松动的风险。
60%~70%的扭矩衰减发生在拧紧完成的30 ms内，故一般在30 min内对扭矩进行检测，可有效的监控扭矩衰减及松动风险。
依VW01110-2大众康采恩螺纹连接装配和过程保证标准，各类拧紧复检扭矩衰减许可范围如下: A/B类拧紧点，0.8*装配扭矩≤复检扭矩≤1.2*装配扭矩。
C类拧紧点，0.7*装配扭矩≤复检扭矩≤1.2*装配扭矩。
B /C类非米制螺纹或含塑料件连接，0.5*装配扭矩≤复检扭矩≤1.2*装配扭矩。