引言

随着技术的进步和发展理念的变化，电动汽车逐步扩大市场范围。在电动汽车电驱、电控、电池的生产过程中，螺纹连接防松同样重要，电驱模块需要在交变载荷的运转条件下保持稳定的紧固连接，紧固轴向预紧力不足将导致电驱模块在汽车高速行驶的过程中发生动力异常；电控模块中包含了大量的电子器件、高功率模块和裸露的铜牌导线等，电控模块中存在着高电压和高温的危险因素，关键连接处一旦发生松动就容易引起打火现象，引发车辆损毁甚至造成安全事故。

螺纹连接结构通过拧紧产生的轴向夹紧力将被连接件结合起来，使其发挥应有的作用，螺栓轴向夹紧力的降低会导致螺栓的松动，进而影响螺纹连接各项功能的正常使用，甚至完全丧失。螺栓松动会导致被连接件的分离、脱落以及滑动，被连接件滑动会导致被连接件过度相对位移和碰撞，被连接件分离会导致噪声以及连接刚度降低，刚度降低则振动加剧，进而导致结构疲劳破坏、密封不良、螺栓疲劳断裂等失效现象。松动对螺纹连接可靠性有非常严重的影响，研究螺纹连接结构的松动机理及防松性能对提升其结构可靠性有重要意义。因此有必要针对当前螺纹连接工艺相对问题进行深入探究，寻求优化思路和方法。

1、汽车螺纹连接松动机理分析

螺纹连接结构的失效形式有很多种，主要分为拧紧时的失效和工作失效两部分。紧固件拧紧时，螺纹连接结构基本不受外载荷作用，可能出现拧断、滑牙或者脱扣、被连接件塑性变形或压溃等问题，这些问题都能及时发现且容易解决。而螺纹连接结构的工作失效通常发生在机械结构运行过程中，此时螺纹连接结构承受较大的外载荷，失效形式表现为螺栓断裂失效和松动失效。发生断裂失效时，紧固件立即完全丧失其连接功能，连接结构丧失维持其位置和功能的夹紧力而迅速分离。松动失效是螺纹连接的夹紧力逐渐衰退的过程，螺栓夹紧力是影响螺纹连接结构功能的最重要因素，螺栓轴向夹紧力的降低导致螺纹连接各种功能水平的下降，甚至完全丧失功能，因此松动对螺纹连接结构的连接性能影响显著。对螺纹连接的失效研究中，必须重点关注工作失效现象。

一般情况下，螺栓断裂失效可以从螺栓的质量、预紧力矩、强度以及疲劳强度四个方面来进行分析，实际上，螺栓断裂失效绝大多数情况是由松动引起的。目前国内外螺栓的质量和强度都能达到国标要求，满足连接所需性能，而疲劳强度非常大，绝大多数关键连接点的螺栓在使用过程中根本用不到疲劳强度。紧固件只需一百次横向振动即可松动，而在疲劳强度实验中反复振动数百万次才会疲劳断裂，也就是说，在紧固件发生疲劳断裂之前就已经发生了松动失效，松动才是紧固件损坏的真正原因。

1.1螺纹连接结构的松动分析

螺纹连接松动其实就是螺栓夹紧力的衰减过程，该衰减过程主要包括材料松动期和结构松动期两个阶段。

第一阶段材料松动期主要是紧固件在外部环境作用下出现不可逆的塑性变形，螺栓扭矩和夹紧力缓慢下降，此时螺纹连接没有相对运动或者相对运动很小，因此也可以称为非旋转松动；

第二阶段结构松动期主要是随着夹紧力的持续下降，在外载荷的持续作用下，螺栓螺母之间出现了明显的相对滑动，螺栓夹紧力快速下降，连接松动，最终导致失效，此阶段也可以认为螺栓发生了旋转松动。

螺纹连接在预紧力足够高的情况下，在外部循环载荷作用下普遍经历以上两个松动期。若预紧力不足，则可能直接进入结构松动期，发生旋转松动。

1.2螺纹紧固件松动原因分析

目前国内工程机械中使用的连接螺纹大都是单线螺纹，依据对单线螺纹副的受力分析可知，当紧固件所处的工作环境为静应力的条件时，螺纹件自身具有自我锁紧的功能。但由于螺纹紧固件的锁紧机理使得彼此的配合面为单向接触，即除了相互接触的表面外，其他方向都是存在相应的间隙。间隙使得配合的紧固件在受到交变载荷、冲击载荷以及不断振动的条件时发生微小的窜动，周而复始造成螺纹紧固件的松动。

针对当前常用型号的螺纹紧固件来说，造成其松动的因素是多方面的，但是最终总结后可以分为以下两大根本原因［1］：

（1）螺纹紧固件的初始变形。螺纹连接出现松动不是一瞬间产生的，它是一个错位积累的过程，首先是从紧固件的初始错位开始的。螺纹紧固件发生初始变形的原因主要是由于配合的螺纹表面并非绝对意义上的平面，因材料的选择或加工过程的影响造成紧固件螺纹表面存在凸起和凹槽，使得在紧固件拧紧时或工作情况中，会产生局部的塑性变形造成相应的轴向应力下降，引起紧固件的错位。

（2）外载荷的作用。由于螺纹紧固件安装位置和工作条件等因素的不同，工作过程中所受到的外载荷也不同，但最终都可以将受到的外载荷进行力的合成或分解到两个方向：轴向和横向，即转化成轴向载荷和横向载荷。当螺纹紧固件受到外部轴向载荷的作用时，螺栓在初始预紧的前提下继续受拉，增加了配合螺纹牙斜面上所受到的在径向方向上的分力，从而使外螺纹（螺母）产生径向的扩张，内螺纹（螺栓）产生径向的收缩。因此，在配合的螺纹面上将会产生危险的错位，当轴向载荷周而复始的作用时，上述错位的程度逐渐积累，最终导致配合螺纹的松动。

当受到横向载荷的作用时，螺栓在初始预紧承受拉伸应力的条件下继续受到横向扭转的作用，进而产生相应的扭转变形，同理随着上述变形的积累，必然使得配合螺纹产生一个沿螺纹方向的变形量，最终引起螺纹连接的松动失效。

2、汽车螺纹连接防松技术

当下国内外螺纹连接的防松方式有很多，根据防松原理的不同主要可以分为以下几类：摩擦防松、机械防松和破坏螺旋副关系防松。另外，随着对防松要求、工作环境和安装条件的要求，工程师也开发了一些新的防松紧固件，以满足上述的工程要求。

2.1机械防松

机械防松的工作原理是通过运用特殊设计的止动元件防止相互配合的螺纹紧固件在工作过程中不发生彼此滑动，依据上述原理其具体的防松方式包含使用止动垫圈和串联钢丝等。其中止动垫圈的工作原理是指在螺母正常拧紧的情况下，将止动垫圈的双耳分别向螺母侧面和被连接件侧面进行折弯并贴紧，即可完成螺纹连接的锁紧功能［2］；串联钢丝则是对螺栓或螺钉的头部进行锁紧，将钢丝穿过头部的孔中，将该组螺纹紧固件连接起来，进而实现相互的制动，需要注意的是由于国内标准的螺纹是顺时针为拧紧方向，因此在钢丝的串联方向上要予以正确的安装。

机械防松的方式除了上述两种外，还有利用开口销与六角开槽螺母的方法。相比摩擦防松而言，机械防松在防松能力上有了很大的提升，因为只有当串联钢丝或止动垫圈被强制拉断，螺纹紧固件才有可能发生松动；但是，由于该防松模式需要对标准的螺母进行结构上的修改，另外需要安放额外的部件，不仅在加工过程还是在安装过程中的装配空间都有了更高的要求。因此，机械防松一般适用在承受冲击较大、载荷频率较高、小批量不易检查以及对防松要求高的场合，而对于一般要求的机械结构中不建议适用。

2.2摩擦防松

摩擦防松的工作原理是保证螺旋副之间以及螺纹紧固件头部与被连接件之间，在承受外部载荷的情况下始终保持着足够的正压力，进而产生有效的摩擦力矩，防止摩擦力降低到临界点以阻碍螺纹紧固件的松动。依据上述原理提出最根本的防松方式是在保证紧固件和被连接件不被损坏的情况下施加足够的力矩；另外，在机械行业中设计的防松装置有对顶螺母和自锁螺母。

施加足够的力矩是从标准的螺纹紧固件自身角度出发，对紧固件和被连接件不做任何的外部处理，只是通过提高拧紧扭矩值以保证转化的轴向夹紧力能够产生足够的摩擦力矩，进而确保相互配合的螺旋副在承受外部载荷的情况不发生相互的错动。对顶螺母的防松方式是通过将两螺母完成对顶安装后，相对普通的连接方式增加了一倍的连接面，使彼此贴合的螺纹副之间受到附加的正压力和摩擦力的作用。当受到冲击载荷时，配合面的摩擦力始终存在，从而避免了摩擦力瞬间消失的现象。自锁螺母根据结构方式不同可以分为全金属自锁螺母和嵌尼龙圈螺母，其中全金属自锁螺母在螺母拧紧后，由于其结构的特殊性利用收口的弹力使配合的螺旋副压紧；嵌尼龙圈螺母是利用螺母拧紧过程中在尼龙环上攻出相互配合的螺纹，靠其弹性变形产生足够的摩擦力矩进而实现防松［3-4］。

无论哪一种摩擦防松的方式，都具有结构上比较简单，实际的安装过程比较方便的特点，但是由于摩擦力始终是阻碍而无法阻止，无论正压力产生的摩擦力有多大都会有一个上限值，一旦外载荷的冲击大于该值时仍会发生相互的位移；同时摩擦防松主要是对于螺纹连接的初期防松效果比较明显，一旦因瞬间的载荷过大打破了原有的配合临界点，该类防松的方法基本上不能达到防松的效果。

因此，该防松方式主要运用在平稳、低速的机械装置中。

2.３破坏运动副连接防松

破坏运动副连接防松的基本原理是通过外在的机械加工破坏螺纹副之间的运动关系，使相互配合的螺旋副之间失去相互滑移的可能，进而实现防松的效果，依据该原理机械装配中主要的防松方法有铆合、冲点和涂胶粘结。其中前两种防松方法主要是在紧固件装配完成后增加一道工序分别是铆合或冲点，进而完成对运动副的破坏；而涂胶粘结则是在紧固件装配之前增加一道工序，即在螺栓或螺钉的螺旋副表面涂覆一层胶粘剂，当拧紧螺母后，胶粘剂就会粘附在配合的螺旋副表面，待其硬化后将螺旋副粘结在一起，实现防松的效果。上述防松方式的防松效果较好，但是由于其增加了安装工序操作起来比较繁琐，人为因素影响比较大，缺少同一的标准；另外，一旦拆卸后螺纹紧固件就不可能重新安装使用。因此，该防松方式多用于不经常拆卸或者安装后不需要拆卸的场合。

2.4新型螺纹连接的防松—施必牢螺母

随着螺纹紧固件使用层面越来越大，对紧固件的标准化、安装空间以及防松效果的要求程度也逐渐的上升，工程师从紧固件自身出发设计出新型螺纹连接，其中目前使用最为广泛、防松效果最佳的是施必牢螺母，施必牢螺母相对于标准螺母的螺纹在底部有一个30°的锥角，而与之配合的螺栓螺纹为标准螺纹。当对螺母施加扭矩时，由于预紧力的作用使得螺栓螺纹的牙顶与螺母的牙底30°锥面线性贴合或发生比较小的变形，使两者之间产生较大的径向锁紧力（螺旋副的正压力），进而产生足够的摩擦力（或力矩），提高了防松性能［５］。

另外，从配合点受力的角度研究可知：对于标准螺纹在拧紧后通常只有前四个螺旋副受力，其中第一个配合面的受力最大（一般占总的30％），后面的螺旋副接触面的受力依次降低；而对于施必牢螺纹由于在牙底有30°的锥面，能够使螺母与螺栓的锁紧力均匀分配到相互配合的螺旋副面上，使得各接触面承受的压力比较均匀，进而解决了因受力不平衡造成的螺纹磨损以及螺纹牙被剪断的问题。

通过大量的试验验证以及实际工程机械中的应用，其结果均表明施必牢螺纹的特殊结构能够保证螺纹连接过程中可以承受各种外载荷，具有良好的防松性能；安装过程中不需要增加额外的工序以及特殊的安装工具，使用比较方便；另外，当该螺纹副拆卸后仍可以重新使用，并且其对应的防松效果并没有缩减，具有良好的使用价值。

通过对以上四种防松方式的分析可以看出，无论哪一种都有优缺点，在实际的工程应用中，要根据使用场合和安装条件选择合理的防松方式，以达到最优的防松效果。

3、结束语

综上所述，汽车螺纹连接防松问题在当今汽车发展过程中非常重要。因此，在汽车的快速发展过程中，设计者和技术人员应该在对螺纹紧固件工作过程进行受力分析的基础上，找出造成连接松动的原因并应用合理有效的防松措施，以保证螺纹连接的可靠性是至关重要的。

参考文献：

［1］李维荣，朱家诚.螺纹紧固件防松技术探讨［Ｊ］.机电产品开发与创新，2003（０2）：15－17.

［2］吴国志.谈螺纹紧固件连接的防松［Ｊ］.现代制造技术与装备，2008（０５）：29－41.

［3］王自勤，宋瑞银，宋扬扬，等.螺纹联接松弛机理研究［Ｊ］.现代机械，2001（０３）：31－34.

［4］杨锡和，石辉.螺纹联接的耐久性及防松措施［Ｊ］雷达与对抗，2002（０1）：62－67.

［5］刘永军，黄太刚，冯仁余.施必牢防松螺母的设计原理［Ｃ］.第十二届全国机械设计年会，2006.

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