（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

支承面硬度對扭矩系數(shù)影響的實驗探究

覃佳亮 陳 林 肖 健

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

影響高強度螺栓扭矩系數(shù)的因素比較多，但是在目前的研究分析中，對螺旋副支承面硬度這一因素的影響程度存在分歧。文章先是通過實驗的方法進行分組對比并加以相應的理論分析，重點研究了螺旋副支承面對扭矩系數(shù)影響程度的大小，進而探究了支承面硬度是否為影響螺栓扭矩系數(shù)的關鍵因素。利于工程實踐中更準確的計算扭矩系數(shù)，進而更好的發(fā)揮螺栓效能。

硬度；扭矩系數(shù)；效能

1 前言

高強度螺栓廣泛應用于機械連接中，多用于受力部位及重要接頭處，螺栓的安全關系到 整個機械組的安全可靠性。螺栓的效能主要取決于初始的擰緊程度，在緊固件和結(jié)構(gòu)允 許的情況下，預緊力越大，螺栓效能越好，連接越可靠；但是，預緊力越高，對螺栓強度的要求和被連接件的要求就越高，過高的預緊力有可能將緊固件拉斷或者壓潰支承面.因此，控制預緊力的大小是相當重要的。實際裝配時很難直接去控制和測量軸向預緊力，而是通過擰緊扭矩間接得到，其中的轉(zhuǎn)化因子便是扭矩系數(shù)。螺栓的扭矩系數(shù)K宏觀上直接反映螺栓擰緊過程中的扭矩與軸力的關系，它的大小不僅取決于摩擦面的摩擦系數(shù)，還取決于螺紋連接副的幾何狀況，其影響因素有很多。文章分析螺紋副支承面硬度對扭矩系數(shù)影響程度，其研究結(jié)果提高了扭矩系數(shù)分析的準確性，對工程實踐中更有效的發(fā)揮螺栓效能有一定的指導意義。

2 實驗分析

2.1 實驗器材

本次螺栓的扭拉實驗采用SCHATZ多功能螺栓緊固件分析系統(tǒng)（德國，傳感器精度為±0.5%）。符合GB/T 16823中的實驗測試機要求，運用這一系統(tǒng)可以測量出螺栓擰緊過程中的夾緊力、總扭矩、螺紋副上的扭矩以及支持面扭矩，并能對夾緊力和扭矩的關系精確實時的反映,通過扭矩和夾緊力曲線可以算出扭矩系數(shù)。

實驗螺栓統(tǒng)一為六角頭螺栓M12，長度60mm（這是SCHATZ儀器必要的長度要求），表面處理后與螺母配合精度為6g；螺母為六角法蘭螺母，表面處理方式與螺栓相同（這一點是非常重要的），表面處理之后與螺栓的配合精度為6H。其他參數(shù)見表2-1，被聯(lián)接件材料為45#和Q235，板厚度為3mm，其中45#鋼的硬度一般為HRC28，Q235的硬度一般為HRC16。以上兩種材料的硬度都是在未經(jīng)淬火前的硬度，其他條件均相同。

表2-1 實驗材料清單

表2-2 兩種材料在不同孔位的扭矩系數(shù)值

表2-3 夾緊力與摩擦系數(shù)（摩擦力）關系表

2.2 實驗方法

（1）第一組實驗：M12螺栓及配對螺母，45#鋼墊板

將螺栓固定，將45#鋼板的1號孔套入螺桿，將螺母在擰緊裝置中夾緊并調(diào)整其空間定位，是螺母下端面與孔板接觸；啟動儀器，螺母隨擰緊裝置旋轉(zhuǎn)向下，擰緊裝置對螺母施加 線性增加的扭矩（直到200N*m左右停止），儀器自動記錄螺栓預緊力隨著扭矩增加變化的曲線，并記錄實驗編號；更換另一對相同的螺栓螺母，用孔板上得2號孔裝配，重復上述實驗過程。這樣連著重復做十次實驗，每次實驗都采用新的螺栓、螺母，每次都用孔板上得不同孔來裝配，并記錄下每次實驗數(shù)據(jù)。

（2）第二組實驗：M12螺栓及配對螺母，Q235墊板

該組實驗同樣按照第一組實驗的步驟反復進行10次，并記錄每次實驗數(shù)據(jù)。

兩組實驗完成后，記錄試驗儀器上每次實驗曲線編號，并拷貝對應的實驗數(shù)據(jù)，以作后來的實驗數(shù)據(jù)處理。

2.3 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗過程中，儀器自動記錄了螺栓擰緊過程中的“預緊力—轉(zhuǎn)角”與“扭矩—轉(zhuǎn)角”兩條曲線，要得出最終的“扭矩—預緊力”曲線（該曲線的斜率與扭矩系數(shù)K成正比關系），就需要將上述兩條曲線分別等分，準確獲取曲線上對應點得數(shù)值，兩組扭矩系數(shù)的數(shù)據(jù)如表2-2：

將上述實驗數(shù)據(jù)導入MATLAB程序后進行數(shù)值擬合，得到兩組數(shù)據(jù)的擬合K線圖（圖1-1）。其中，圖1-1（a）中的十條藍色直線分別代表了第一組實驗中十個孔位的“扭矩—預緊力”曲線；圖1-1（b）中的十條紅色直線分別代表了第二組實驗中十個孔位的“扭矩—預

緊力”曲線。

圖1-1（a）45#擬合圖

圖1-1（b）Q235擬合圖

對上述兩幅圖對比分析發(fā)現(xiàn)，兩幅圖在形狀上并沒有太大的區(qū)別，K線的斜率大致相同，分布的區(qū)域也相近。另外，單獨觀察分析兩組圖發(fā)現(xiàn)，各自都出現(xiàn)了幾條偏差較大的K線；從表2-2中兩組實驗中的扭矩值中也可以發(fā)現(xiàn)，在第一組中的2、8、9孔和第二組的6、7、10孔位的值都超過了0.3，與同組中其他孔位的扭矩系數(shù)值差別較大，這說明實驗數(shù)據(jù)存在散差較大的問題。那么，這些散差問題到底是什么原因造成的呢？下面進行了一系列的理論分析。

圖1-2 總扭矩的分配規(guī)律

通過理論經(jīng)分析，影響上述數(shù)據(jù)散差較大的原因可能有以下兩點：一是孔板表面加工不均勻，未經(jīng)過統(tǒng)一鍍鋅等表面加工處理；二是孔板在實驗的過程中發(fā)生了細微變形。首先，電鍍鋅是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層金屬鋅的過程，換句話說是鋅離子在鍍層表面堆積的過程，由于表面加工不均勻以及電位高低的不同就會造成鍍鋅厚度的不同，一般電鍍高低電位處鍍層厚薄差距較大。這樣由于表面加工不均勻以及鍍鋅厚度的不同，那么其表面狀態(tài)就會有很大的差異，這樣就會導致在不同的孔位表面摩擦系數(shù)不相同，根據(jù)公式

式中：

Tf—緊固扭矩；K—扭矩系數(shù)；Ff—初始預緊力；d—螺紋公稱直徑

d2—螺紋中徑 ；P—螺距

μs—螺紋摩擦系數(shù)； μw—支撐面摩擦系數(shù)

α'—螺紋牙側(cè)角；—接觸支撐面外徑

dh—接觸的支撐面內(nèi)徑

Dw—支撐面摩擦扭矩的等效直徑。

可以看出扭矩系數(shù)K與摩擦系數(shù)（螺紋間摩擦系數(shù)sμ和支承面間摩擦系數(shù)wμ）相關，當實驗過程中保持其它因素不變的情況下，由于摩擦系數(shù)的不同，顯然會造成扭矩系數(shù)值的差別，因此使得扭矩系數(shù)曲線出現(xiàn)散差較大的情況，這一點在兩組實驗中都是存在的；

其次，在螺栓被擰緊的過程中，由于孔板的微小變形，導致了螺母與連接件的實際接觸面發(fā)生變化，因為擰緊過程中摩擦力的大小與實際的接觸面積有關——實際接觸面越大，對應的兩接觸面的摩擦力越大，反之亦然。根據(jù)夾緊力與摩擦系數(shù)關系表（如表2-3）和總扭矩的分配規(guī)律（如圖1-2）

從圖1-2中，我們可以看出在通常情況下，對螺栓所施加的總扭矩只有10%轉(zhuǎn)化為軸向夾緊力，而其它大部分都用于克服摩擦力；從表2-3中清楚的發(fā)現(xiàn)，當摩擦系數(shù)發(fā)生變化時，總扭矩轉(zhuǎn)化成的軸向夾緊力就會變化，而由前言中提到的扭矩與軸向力的轉(zhuǎn)化因子便是扭矩系數(shù)，顯然扭矩系數(shù)K必然發(fā)生了變化。這種影響對于兩組實驗過程中都是存在的，對兩組實驗的干擾影響大致相同。

通過上述分析可知，孔板表面加工不均勻，未經(jīng)過統(tǒng)一鍍鋅等表面加工處理和孔板在實驗的過程中發(fā)生了細微變形這兩個因素在兩組試驗中都是存在的，并且影響的程度是一致的?？梢?，兩組實驗數(shù)據(jù)中散差較大的原因并不是因為螺旋副支承面硬度不同而引起的，是試驗過程中實驗材料、實驗環(huán)境等客觀原因造成的。

為了進一步探究兩組數(shù)據(jù)的差別與螺旋副支承面硬度的關系，特將兩組共20條K線整合在一張圖片中（圖1-3），其中紅線代表墊塊材料為45#的實驗數(shù)據(jù)，藍線代表墊塊材料為Q234的實驗數(shù)據(jù)。

對比前面表2-2中兩種材料分別在不同孔位實驗測得的扭矩系數(shù)值可以看出，除去前面提到的幾個散差較大的數(shù)據(jù)外，第二組K值略小與第一組，但是這個差異甚微，最大相差為僅為0.0386，最小相差為0.0217。從圖1-3中可以清楚的發(fā)現(xiàn)兩組實驗擬合K線的分布區(qū)域

大致重合，并無明顯的差異,這一點也說明了，兩組對比實驗中除了支承面不同外，在誤差允許的范圍內(nèi)，保證其它條件相同的情況下，所得到擬合K線圖是一致的。

圖1-3 兩中材料的擬合K線圖

通過以上的實驗和理論分析可以得出該對比實驗的結(jié)論：在排除了實驗材料、實驗環(huán)境以及實驗過程中出現(xiàn)的客觀因素的問題外，螺旋副支承面的硬度不同對扭矩系數(shù)K值的影響很小，可以略微不計。

結(jié)語

通過兩組對比實驗，分別對材料為45#鋼和Q235鋼的墊板進行十次實驗，兩組實驗中只是被連接件不同，其它條件均保持一致。并利用MATLAB軟件做相應的數(shù)據(jù)分析處理，得出螺旋副支承面硬度的差異，對高強度螺栓扭矩系數(shù)的影響甚微，可以忽略不計。因此，螺旋副支承面的硬度不是影響高強度螺栓扭矩系數(shù)的關鍵因素。

[1]賈賢安，李昊，袁皖安． 高強度螺栓扭矩系數(shù)影響因素的實驗研究[J]．技術(shù)，2003．

[2]劉建文．螺栓預緊力—扭矩圖及應用[J]．技術(shù)，2001．

TH-3

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