后背门安装螺栓力矩衰减研究
前 言
螺纹联接因其结构简单、方便拆卸、低成本等特点，广泛运用于各工程结构的连接，螺纹联接的松弛严重影响汽年运行的可靠性，甚至会造成车毁人亡的严重事故。因此，螺纹联接力矩衰减机理是国内、外工程领域研究的热点。
Nassar等通过模型和试验对循环横向载荷作用下螺栓应力松弛现象进行了研究。Sakai研究表明，在轴向振动下，预紧力会减小，但螺母并不与螺栓产生相对运动。俞雁等人分析了发动机缸盖螺栓断裂的主要原因，并提出了相应改进措施。侯世远概述纹联接松动分析和研究发展现状 。侯明仁分析了车轮螺栓松动原因并提出了防止松动的措施。滕志敏研究了螺栓预紧扭矩合理值的计算。
上述研究中，很少有对车身联接螺栓在制造过程中力矩衰减的研究。
本文从车身工程实际出发，以预紧力理论计算为基础，结合某车型后背门联接螺栓的实际情况，设计了后背门安装螺栓力矩衰减试验，通过理论及试验分析，揭示了防水垫片及安装螺母对后背门安装螺栓力矩衰减的影响，为车身开发中螺栓防松技术提供了理论支撑和工程指导。
问题提出
后背门总成通过铰链运用螺栓联接至车身侧上。 图1是某车型后背门螺栓安装于车身上的截面图。铰链的螺栓联接了顶盖外板、加强板及顶盖内板。
该车型后背门总成安装于车身侧的螺栓拧紧扭矩为23+2 Nm。该车型经过涂装后发现，力矩大约衰减至13.5 Nm，衰减率高达47％，如表1所示。
图1 螺纹联接截面图
表1 后背门力矩变化
力矩衰减可能会产生后背门下垂，外观间隙平度超差，从而影响后背门的外观。情况严重时，容易发生质量事故，造成后背门无法正常开启和关闭。
螺栓理论计算及分析
3.1 扭矩计算
螺纹联接的拧紧是指运用扳手紧固螺母的装配过程，使被紧同件受到预紧力的作用，螺纹连接的目的是实现两个及两个以上零件的接触，保证零件之间的相对关系。
本文中螺栓的功能是连接后背门总成与车身顶盖、该螺栓不仅要固定后背门与顶盖的位置，而且还要有一定的防水性能。预紧力的大小表示螺栓拧紧睛况。
一般通过拧紧扭矩完成，拧紧力矩T用来克服螺纹副的相对转动的阻力矩 T1 和螺母支撑面的摩擦力矩 T2 ：
式中， F为预紧力；d为螺纹的公称直径；λ为螺纹升角；ρ为螺纹当量摩擦角；f为螺母支撑面的摩擦系数；r为支撑的摩擦半径。
公式(1)可以简化为经验方程 ：
式中， k为扭矩系数；d为螺纹公称直径。
螺纹的材料、表面处理情况及表而摩擦是影响扭矩系数的主要因素。K扭矩系数推荐范围为0.2～0.25。
通常情况下，拧紧后螺纹的连接件预紧应力不得大于其材料的屈服点的80％。根据材料的屈服极限，一般推荐预紧力计算如下：
式中σs 为屈服应力；As 为公称应力截面积。
后背门一般采用M8的螺纹，螺栓强度等级为8.8级，即 为640 MPa，As为36.6 mm 代入式(3)可推算出预紧力范围为 F=11712～14054 N，根据公式(2)可得Tmin =18.7 Nm，Tmax=28.1 Nm。制造过程推荐预紧力矩为18～25 Nm。
3.2 力矩衰减分析
从公式(2)可知，由于螺纹的公称直径为定值，拧紧力矩的主要影响因素素足预紧力和扭矩系数k，k系数的主要影响因素为螺纹摩擦系数和支撑面摩擦系数。
螺纹连接副的螺纹表面，紧固时相对滑动的支撑表面状态（加工粗糙度、覆盖层种类和润滑剂等）及支撑面影响其摩擦系数，从而影响扭矩系数。
3.2.1 预紧力变化
拧紧状态下，螺柃连接可以理斛为处 于亚不稳定状态，内部应力不断发生变化。拧紧后普通螺栓连接应力就存在释放的倾向，即应力不断的减小。如出现相关影响因素如振动、温度、轴向载茼等，螺纹连接应力将加速松弛。
在涂装过程中，螺纹温度发生几次急剧变化，导致螺纹应力产生释放。在螺栓未转动情况下，螺纹的连接应力可能产生松弛，螺栓预紧力下降。
3.2.2 扭矩系数变化
为防止铰链安装面漏水，后背门铰链与车身顶盖之间增加一层防水垫片。
首先，防水垫片使螺母支撑面的摩擦系数和蹼泳钣金之间的摩擦系数产生很大的变化。在涂装过程，防水垫片的物理变化也会导致摩擦系数发生变化。
其次，由于防水垫片材料偏软，连接表面存大大应力作用下更容易出现环状塌陷。
最后，经过涂装溶液的多次浸泡和烘烤，防水垫片的硬度发变化。螺栓联接刚度下降 导致扭转系数减小。
试验设计及分析
4.1 试验设计
后背们铰链一般由活动页板、刚定支架、轴销、螺栓及防水垫片组成。页板及支架一般采用SPHC、SAPH370 或 QSTE420材料。防水垫片采用一种红色钢板纸，具有较高的强度、良好的吸水性能，表面光滑平骼，富有韧性，适用于各种门铰链的防水密封。压缩性能为 350g/cm3 ，可压缩10％～20％，压力去除后至少能够恢复55％。螺栓采用压花螺栓，压花螺栓强度等级8.8级，螺母代号为 Q32008，表面采用镀锌钝化。
为了验证上述对力矩衰减的理论分析，模拟了，后背门安装与车身的连接后涂装工况，设计了如图 2所示的力矩衰减验证试验。选用厚度为1.0 mm的 DC06板料作为被连接件。为了模拟实际情况，每个样件采用 3层板连接、相同的铰链以及相同的拧紧力矩，试验中的没汁变量为防水垫片厚度及螺母型号。
具体验证方法如下：螺母型号采用 932008(六角法兰面螺母)以及 Q32208(六角螺母和锥形弹性垫圈组合件)；防水垫片厚度采用 0.5 mm、1.0 mm及2.0 mm。为保证试验准确性及精度，每组试验分圳做3个样件，合计24个。每个样件采片用23 N·m的力矩进行紧固。
4.2 试验结果及分析
经过涂装电泳之后，检测样件的拧紧力矩，结果如表2所示。通过厚度为0的试验组发现，涂装后的样件紧同力矩不产生衰减。因此，铰链结构、螺母种类、预紧力初始值及温度不是力矩衰减的主要原因。
涂装过程中，试验件受到多次浸泡及烘干，样件表面覆盖厚度>12 μm的涂层。涂层使接触的摩擦系数变大以及涂层具有一定的附着力，使螺纹的力矩增加。由于涂装的温度低(一般为100℃～150℃)、时问短(20 min左右)，温度对螺纹应力松弛造成的影响较小。
当样件增加防水垫片后，螺栓的拧紧力矩产生不同程度的衰减，对比有无防水垫的试验可以证明，防水垫片的存在是联接螺栓力矩衰减的最重要原因。
图2 螺栓力矩衰减试验设计
表2 力矩衰减试验结果
首先，防水垫片材料允许发生20％的变形。为研究防水垫片在溶剂中的浸泡情况，设计简单试验如下：取5个理论厚度为0.5 mm的防水垫片，置于50℃的水中浸泡。每隔一段时间，用游标卡尺测量垫片厚度，测量结果如图3所示。
从图3可以看出，防水垫片浸泡后在15min内迅速膨胀，厚度约增加0.2 mm，提高了40％，15min后，防水垫片不再继续膨胀，厚度保持稳定。若防水垫片的初始厚度增加，厚度的膨胀量将会更大。
涂装过程中，样件浸泡于溶剂中时间大约为20 min，防水垫片经过多次浸泡，厚度不断发生突变，致使铰链的连接刚度下降。螺纹联接中存在较软的防水垫片时，联接由硬连接变为软连接。连接刚度下降是造成力矩衰减的最重要的原因。
其次，由于防水垫片的硬度比钣金小以及较强的吸水特性，螺母顶紧后接触面板易产生塌陷。支撑面的防水垫片沉陷，使预紧力产生衰减。
最后，防水垫片经过涂装处理，垫片支撑面的摩擦系数也会发生明显的变化摩擦系数的变化也是力矩衰减的原因之一。
图3 垫片厚度与浸泡时间的关系
4.2.1 防水垫片厚度
随着防水垫片厚度的增加，螺俭力矩衰减值逐渐增大。两种螺母的力矩衰减评价值随着厚度变化的情况如同4所示。
以 Q32008为例，防水垫片厚度为1.0时，拧紧力矩值仅为7.5 Nm，减小15.5 Nm，衰减半离达67.39％。衰减后的力矩值不能满足相关要求，由于垫片厚度增加，垫片在涂装过程中的膨胀量更大。垫片的变化量越大，力矩哀减越严重。
图4 螺栓力矩值与垫片厚度的关系
4.2.2 螺母类别
无防水垫片时，Q32008力矩矩平均增加至37Nm，Q3220S力矩平均增加至31 Nm。在3种不同厚度的防水垫片下。Q32008的力矩衰减值均比 Q3220s 的力矩衰减值严重。
通过试验发现，Q32008 的力矩变化范围为4.5～37 Nm ，Q32208 的力矩变化范围为7.5～31 Nm 。Q32208 在试验过程中比 Q32008 的力矩变化范围小，力矩更加稳定 ，由于Q3220s 与连接材料的接触面比Q32008 大，因此，支撑面摩擦系数大。
综合前述的理论分析，涂装后，Q32208 的力矩比 Q32008 的力矩更加稳定。
4.3 改善措施
根据上述理论及试验分析，结合具体的联接工况，提出了以下改善措施：
4.3.1 制定合理的检查扭矩范围
预紧力从23±2 Nm调整至26±2Nm，完善扭矩检查规范。在生产过程中对扭矩进行实时检查监控。
4.3.2 涂装后力矩校核拧紧
涂装实施后，对实车的紧固力矩进行重复拧紧。
4.3.3 改变防水垫片厚度
根据试验可知，力矩哀减会随着防水垫片厚度减小而减小， 减小防水垫片或更换密封材料是改善力矩衰减的重要措施。鉴于厚度的变化引起后背门平度的突变，该车型暂小采取该措施。针对它 ，在研发前期，推荐采用厚度为0.5 mm的防水垫片。
4.3.4 换新螺母
通过两种类型的螺母试验可知，Q32208较Q32008具有更好的抗 矩衰减性能。该车型由普通Q32008 换为Q32208。针对其他车型，在研发前期推荐采用带垫圈的组合螺母。
针对上述改善措施，结合该车型的具体情况，采取改善方案为：紧同力矩改为26±2 Nm ，螺母更换为Q32208、通过实车验证发现，力矩从26 Nm衰减至22～26 Nm ，符合公司要求。
结束语
本文从某车型经过涂装后螺柃力矩哀减问题出发，通过理论分析及试验数据， 详细研究了该车型后背门安装螺栓的衰减原因，并得到以下结论：
a．若无防水垫片，紧同力矩不会衰减，反之力矩会增加；
b．防水垫片是应力松弛的首要原因。随着防水垫片厚度的增加，应力松弛现象严重。
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