紧固件在汽车金属薄板连接中的应用研究

摘 要：紧固件是实现汽车零部件安装装配的主要元件，对紧固件在金属薄板连接中的应用研究可以进一步了解汽车设计连接的方式。通过对汽车金属薄板连接要求的分析，对不同种类的紧固件进行应用研究和实例分析。结果表明正确选用紧固件是达到设计目标的关键所在。

前言

考虑到汽车轻量化的因素，目前汽车大量使用高强度钢板，某些设计还采用铝合金板，进一步降低整车重量。因此，金属薄板连接在汽车生产和装配中占据了很大的比重，如汽车白车身的焊接、车身部件的连接和车身内饰件的安装等，利用紧固件连接金属薄板是汽车生产中除焊接以外的主要连接方式。由于汽车用紧固件的种类繁多且数量巨大，因此，对紧固件在汽车金属薄板连接的应用研究是必要的。

连接设计中应先选择紧固件种类，通过计算和校核再选取具体规格和参数。作者从汽车用金属薄板的种类和特性入手进行分析，根据不同紧固件适用的连接结构和要求，通过对当前汽车行业主要采用紧固件进行比较和分析，研究金属薄板连接中紧固件的种类选择，有助于汽车开发设计水平的提高。

1 连接的要求

1.1 金属薄板材料

高强度钢板在汽车上应用趋于增多，它解决了汽车普通板材重量与强度之间的矛盾。高强度钢板一般采用冲压成型，常作为车身主要结构件，用于白车身阶段前的各种成型和连接，多采用焊接，但碳和合金元素的含量会影响钢板可焊性，焊接前需调整焊接参数和工艺 。普通镀锌钢板的应用较为普遍，钢板抗拉强度不及高强度钢板，冲孔、折弯和成型等加工相对容易。锌的电阻较大，影响钢板的焊接特性。在选择紧固件进行连接时，一般避免采用焊接螺栓或焊接螺母连接高强度钢板和镀锌钢板。

应用铝合金板材主要是考虑到其质量轻，在汽车非重要承载部位代替钢板，铝合金的焊接特性很差，因此多采用紧固件连接。

1.2 连接强度和性能

汽车金属薄板连接强度和性能要符合连接部位的要求，涉及车身安全、碰撞保护和行人保护的部位均应进行试验验证，确保连接效果满足设计要求。如车门铰链与车身金属薄板的连接一般采用双螺钉配合焊接螺母，保证在车辆碰撞或翻滚时车门有效保护乘员，且在事故中连接部位不易变形，乘员能顺利逃生。

连接强度的设计与选择是保证连接可靠性的前提，在采用螺纹连接时，若通过控制预紧力防止螺纹联接松动，就必须保证计算和分析数据的准确性，预紧力过大会导致使用中紧固件的断裂失效或破坏被连接部件导致连接松动，相反，预紧力过小会产生夹紧力不足，连接件与被连接件摩擦力变小，产生松动。

1.3 连接工艺

汽车属于高度流水线作业生产，连接工艺的选择要考虑到生产节拍与资源配置。如部件与车身相连接时，通常采用在车身焊接期间焊接螺母或焊接螺栓，到总装阶段再进行装配，以提高装配效率并保证安装精度。选择连接工艺要考虑避免不同种类的金属薄板叠加连接产生的电位腐蚀。连接工艺也会影响生产成本，合理选择紧固件可减少不必要的工序和操作。

2 紧固件的应用

2.1 普通螺纹连接

2.1.1 不使用螺母的连接。若与金属薄板连接的部件厚度较大或仅能制出盲孔，则可以使用螺栓或螺钉直接旋入拧紧，由于金属板材的厚度较小，施加拧紧力矩时金属薄板易产生变形，因而无法可靠夹紧金属薄板，从而造成螺纹松动或被连接零件的连接表面凹陷，该连接形式较为简单但可靠性不足。

2.1.2 与普通螺母配合的连接。采用普通螺栓配合连接的方式较为常见，多用于金属薄板与其他部件的连接，连接厚度不宜过薄，要求被连接件两侧有一定的扳拧空间，该连接形式装配效率稍低。也可采用焊接螺栓（图 1）或焊接螺柱，先将螺栓或螺柱焊接在金属薄板上，然后安装被连接件，最后用普通螺母固定，这种连接方式操作简单，易于装配，可单侧连接。与普通螺母配合的连接，仍存在无法夹紧金属薄板，产生连接可靠性的问题。

图 1 焊接螺栓连接示意图

2.1.3 与固定在金属薄板上螺母的配合连接。先将螺母固定在金属薄板上，在装配中直接与螺栓或螺钉配合连接，提高了连接效率，且减少螺纹松动的几率。在金属薄板上固定螺母的型式和方法较多，通常有焊接螺母、铆螺母、冲压螺母、簧片螺母和嵌装塑料螺母（图 2）。

图2螺母连接方式

焊接螺母与焊接螺栓一样，均要考虑金属薄板的可焊性和焊接工艺，焊接强度较高，装配时应避免金属薄板变形。焊接容易产生焊渣和废气，尽可能不采用人工焊接。铆螺母需要专用安装工具和金属薄板预制孔，普通铆螺母预制孔为圆孔，六角铆螺母预制孔为六边形，管身为六边形的铆螺母能更好地防止自身转动。冲压螺母则不需预制孔，而是直接在金属薄板上冲出圆孔，并利用螺母冲头部分嵌入金属薄板实现固定，生产效率高且连接可靠，但设备投入成本也高，因此，使用该螺母前应评估生产效率与生产批量、设备投入成本之间的关系。簧片螺母的使用较为简单，通过簧片夹持在金属薄板上，其定位精度较差，常用于牌照等非重要部件的连接。嵌装塑料螺母与塑料用自攻螺钉相配使用，通过自攻螺钉的拧入而挤出塑料，利用螺母膨胀夹持金属薄板，连接强度较低，可用于非金属板和装饰件的固定。

2.1.4 采用普通螺纹连接时要考虑到螺纹防松，一般可采用预紧力控制和预涂锁固胶两种方式。

2.2 自攻螺钉连接

自攻螺钉常用于金属和非金属薄板件之间的连接，但其连接强度较小。由于连接过程中螺纹对板材间隙的影响，最好连接板材层数不超过 4 层。使用自攻螺钉要预先制出光孔。在操作环境不便时，可采用自钻自攻螺钉，省去了预制光孔的步骤，提高单体连接效率，但不适应大量生产，自钻自攻螺钉拧入时产生大量噪声，不利于作业环境对操作人员的保护。

塑料用自攻螺钉于自攻螺钉相比，效能和安装方式类似，均需要预

制光孔，但塑料件自攻螺钉的螺纹牙型不同于普通自攻螺钉，而是呈现

出高低交错，有利于夹持塑料件，嵌入塑料机体深度大，不宜松脱。

2.3 铆接

铆接适用于大型金属覆盖件的连接，且不可拆卸。与使用螺纹紧固件连接相比，铆接更为经济、重量更轻。铆接工艺过程比较容易控制，对连接材料的机械性能无不良影响。铆孔对被连接件的截面强度会造成一定的削弱，且铆接紧固力较小，因此，铆接的紧密性不及焊接，耐疲劳性也较差，所以通常使用铆钉组或增加铆接密度，以满足强度和疲劳性要求。

铆接的局限性表现为不宜用于连接太厚的材料，被铆接件的零件不应多于4 层，主要承受剪切力，不适用于承受较大的拉力，常用于非受拉力结构中的固定连接。此外，还应该注意被铆接件中强度高的零件不应夹在强度低的零件之间，厚度、刚性大的零件应布置在外侧。被连接材料较软时，可采用如塑料用铆钉。

2.4 卡扣

金属薄板连接内饰件或轻质部件时，可采用塑料卡扣连接（图3）， 如车身侧围等塑料装饰件的连接。卡扣不具有导电性、不易腐蚀，热传导性能低且无磁性，可以满足连接强度相对较小的场合。因卡扣的结构简单，材料和加工价格低廉，可进行大批量生产和广泛应用。

图3 卡扣连接示意图

结论

普通螺纹连接虽然应用广泛，但有螺纹防松要求。螺纹连接副承载能力大，但并不是都能有效发挥承载作用。

采用专用零件应注意使用成本和规模效益，塑料件的应用规模逐渐扩大。汽车板材连接技术和紧固件的应用是汽车设计制造的一个重要组成，金属薄板的材料强度、密度、导电性等特性都会对连接产生影响，因此，合理选择标准件是金属薄板连接的首要环节，连接质量的好坏也影响着最终汽车产品的可靠性和耐久性。（本文取自知网）

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来源：GAF螺丝君