倪晉挺

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程系,安徽 蕪湖 241002)

?

螺紋緊固件摩擦系數(shù)的影響因素試驗(yàn)研究

倪晉挺

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程系,安徽 蕪湖 241002)

摘要：螺紋緊固件在汽車(chē)上的應(yīng)用極為廣泛，螺紋聯(lián)接的可靠性主要取決于螺栓的軸向預(yù)緊力，而且螺紋副之間的摩擦系數(shù)對(duì)裝配扭矩的大小也起到關(guān)鍵的作用，在螺紋聯(lián)接中，影響緊固件摩擦系數(shù)的因素比較多。主要從墊片硬度、潤(rùn)滑條件、裝配工藝、配合螺母的表面處理方式4個(gè)方面分析對(duì)緊固件摩擦系數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：螺紋緊固件；摩擦系數(shù)；潤(rùn)滑條件；裝配工藝；表面處理方式

緊固件是機(jī)械行業(yè)不可缺少的通用零件，主要包括螺紋緊固件、墊圈、銷(xiāo)和鉚釘?shù)?。汽?chē)作為1個(gè)裝配型的產(chǎn)品，平均每輛轎車(chē)的緊固件約有1 500個(gè)，其中，高強(qiáng)度螺栓的價(jià)值占全車(chē)的3%～5%，因此，緊固件的作用是非常重要的，且緊固件的連接質(zhì)量對(duì)主機(jī)水平及整車(chē)質(zhì)量具有重要影響。螺紋聯(lián)接的可靠性主要取決于螺栓的軸向預(yù)緊力，螺栓的軸向預(yù)緊力通常只能通過(guò)控制擰緊扭矩或轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)，而螺栓的軸向預(yù)緊力不僅僅取決于擰緊扭矩或轉(zhuǎn)角，還受到聯(lián)接副摩擦性能的影響，而且螺紋副之間的摩擦系數(shù)對(duì)裝配扭矩的大小起到關(guān)鍵的作用。由于摩擦系數(shù)的變化，加上接觸面及螺紋上的幾何差異以及緊固工具的不準(zhǔn)確，使預(yù)緊力有一定的分散性，摩擦系數(shù)的變化對(duì)預(yù)緊力的影響很大，它是影響扭矩和預(yù)緊力一致性的重要因素。摩擦系數(shù)是通常意義上的物理概念，是摩擦力與正壓力的比值。在螺紋聯(lián)接中，摩擦可分為端面摩擦和螺紋副摩擦兩部分，由于這兩部分的摩擦條件不同，因而存在端面摩擦系數(shù)μb和螺紋副摩擦系數(shù)μth。摩擦系數(shù)因材質(zhì)、表面狀況及潤(rùn)滑條件的不同而不同[1]。影響緊固件摩擦系數(shù)的因素較多，各種因素的影響程度又有不同，本文對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)原理

螺紋緊固件在彈性區(qū)內(nèi)的緊固扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系[2]

(1)

式中：K為扭矩系數(shù)；T為緊固扭矩，N·m；Tth為螺紋扭矩，N·m；Twb為支撐面扭矩，N·m；F為軸向預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱(chēng)直徑，mm。

由式(1)可知，螺紋扭矩和端面扭矩之和即為緊固扭矩，因此,只要測(cè)得三者之間的任意兩者，就可以求出第三者。

根據(jù)克萊曼和克林的緊固扭矩T的公式，可以得到

(2)

式中：T為緊固扭矩，N·m；F為緊固軸力，N；P為螺距，mm；μth為螺紋摩擦系數(shù)；μb為螺母或螺栓頭部底下的支承面摩擦系數(shù)；d2為螺紋中徑，mm；D0為支承面外徑，mm；dh為螺栓通過(guò)的墊圈或支承零件的孔徑(公稱(chēng)值)，mm。

總摩擦系數(shù)μtot可由緊固扭矩和預(yù)緊力的比值得出，近似的公式為

(3)

由式(3)知，只要測(cè)得緊固扭矩T和緊固軸力F，就可求得總摩擦系數(shù)μtot；螺紋間的摩擦系數(shù)μth可由螺紋扭矩和預(yù)緊力的比值得出，近似的公式為

(4)

由式(4)可知，只要測(cè)得螺紋扭矩Tth和緊固軸力F，就可求得螺紋摩擦系數(shù)μth。

支承面摩擦系數(shù)μb可由支承面摩擦扭矩和預(yù)緊力的比值得出，近似的公式為

(5)

由式(5)可知，只要測(cè)得端面扭矩Tb和緊固軸力F，就可求得端面摩擦系數(shù)μb。本文的各組試驗(yàn)采用的試驗(yàn)設(shè)備為Schatz多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備總扭矩/角度傳感器和軸向力/螺紋扭矩傳感器，可以直接測(cè)量到螺栓緊固過(guò)程中產(chǎn)生的總扭矩、軸向力和螺紋扭矩[3-4]。通過(guò)對(duì)總扭矩、軸向力和螺紋扭矩3個(gè)量的測(cè)試，可以直接計(jì)算出螺栓總摩擦系數(shù)μtot，螺栓端面摩擦系數(shù)μb，螺紋摩擦系數(shù)μth以及扭矩系數(shù)K。

2試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)墊片硬度的不同對(duì)摩擦系數(shù)的影響

試驗(yàn)所用螺栓為M6×1的8.8級(jí)鍍彩鋅六角法蘭面螺栓，螺母為與螺栓材料、表面處理狀態(tài)相同的8級(jí)螺母，試驗(yàn)墊片硬度分別為53.5 HRC、36.0 HRC以及硬度較低鋁制墊片。試驗(yàn)采用扭矩法測(cè)試[5-6]，將螺栓最終扭矩設(shè)定在11 N·m,每組試驗(yàn)均有10副螺栓螺母連接副，取每組試驗(yàn)結(jié)果的平均值(見(jiàn)表1)。

表1　不同硬度的試驗(yàn)墊片試驗(yàn)結(jié)果比較

通過(guò)對(duì)3種硬度不同試驗(yàn)墊片的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較顯示，在總扭矩不變的情況下，隨著試驗(yàn)墊片硬度的降低，測(cè)得的摩擦系數(shù)μtot，μth，μb均呈逐漸增大趨勢(shì)，尤其是端面摩擦系數(shù)增加更為明顯。端面摩擦系數(shù)變大致使螺栓在裝配時(shí)頭部消耗的扭矩增大，同時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力降低，這樣將會(huì)致使螺栓連接達(dá)不到鎖緊的功能，造成連接副松動(dòng)。

本試驗(yàn)采用M10×1.25的8.8級(jí)鍍白鋅六角法蘭面螺栓，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)墊片為與螺栓材料、表面處理狀態(tài)相同的8級(jí)螺母，采用的潤(rùn)滑油型號(hào)SL5W-40。試驗(yàn)采用扭矩法測(cè)試，將螺栓的最終扭矩設(shè)定在80 N·m,每組試驗(yàn)均有7副螺栓螺母連接副，取每組試驗(yàn)結(jié)果的平均值(見(jiàn)表2)。

表2　不同硬度的試驗(yàn)墊片試驗(yàn)結(jié)果比較

注：狀態(tài)1：端面、螺紋均不潤(rùn)滑；狀態(tài)2：端面潤(rùn)滑、螺紋不潤(rùn)滑；狀態(tài)3：端面不潤(rùn)滑、螺紋潤(rùn)滑： 狀態(tài)4：端面、螺紋均潤(rùn)滑。

2.2螺栓不同潤(rùn)滑條件對(duì)摩擦系數(shù)的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知，螺栓端面、螺紋部分均潤(rùn)滑比均不潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)降低42%～62%，扭矩系數(shù)降低48%，可見(jiàn)螺栓的潤(rùn)滑狀況對(duì)摩擦系數(shù)的影響很大。螺栓端面和螺紋部分的潤(rùn)滑狀態(tài)改善，能大幅度降低螺栓的摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)。而且螺栓的潤(rùn)滑部位不同，得到的摩擦系數(shù)也會(huì)有很大變化，潤(rùn)滑部位越是全面，摩擦系數(shù)會(huì)越小。摩擦系數(shù)的減小，直接關(guān)系到連接副的緊固軸力，在裝配扭矩不變的情況，得到的緊固軸力就會(huì)越大，潤(rùn)滑工藝的不同也會(huì)對(duì)連接副的軸向力產(chǎn)生不同的影響[7-9]。

2.3螺栓不同裝配工藝對(duì)摩擦系數(shù)的影響

本試驗(yàn)用的螺栓為M10×1.5的10.9級(jí)磷化處理的內(nèi)六角缸蓋螺栓，采用特殊加工的鋁合金墊片和缸體螺紋副模擬缸蓋螺栓的現(xiàn)場(chǎng)裝配，試驗(yàn)采用40 N·m+90°+90°的扭矩轉(zhuǎn)角法和將螺栓擰緊至屈服的屈服點(diǎn)控制法裝配工藝進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)用10 套連接副測(cè)試，取每組試驗(yàn)結(jié)果的平均值(見(jiàn)表3)。

表3　不同裝配工藝的試驗(yàn)結(jié)果比較

通過(guò)對(duì)缸蓋螺栓采用不同的裝配工藝測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較可以看出，兩種裝配工藝連接副的軸向力基本一致，均符合該螺栓的設(shè)計(jì)要求。屈服點(diǎn)控制法測(cè)得的總摩擦系數(shù)、螺紋摩擦系數(shù)、端面摩擦系數(shù)以及扭矩系數(shù)均比扭矩轉(zhuǎn)角法有所降低，而且屈服點(diǎn)控制法所需的總扭矩比轉(zhuǎn)角法降低了約9.8%，摩擦系數(shù)的降低直接導(dǎo)致螺栓總扭矩的降低，由此可以得出，緊固件裝配工藝的不同得到的螺栓緊固特性值也不同。

2.4不同表面處理、不同廠家的螺母對(duì)摩擦系數(shù)的影響

本試驗(yàn)采用M10×1.5的10.9級(jí)達(dá)克羅處理的螺栓、標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)墊片、A廠家鍍彩鋅和鍍黑鋅的8級(jí)螺母、B廠家鍍彩鋅的8級(jí)螺母，由于螺母級(jí)別低于螺栓級(jí)別，為了防止試驗(yàn)過(guò)程中螺母滑牙，特采用設(shè)定緊固軸力為36.10 kN進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)用5套連接副進(jìn)行測(cè)試，取每組試驗(yàn)結(jié)果的平均值(見(jiàn)表4)。

表4　不同裝配工藝的試驗(yàn)結(jié)果比較

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，A廠家鍍黑鋅螺母與本試驗(yàn)選取的10.9級(jí)達(dá)克羅處理的螺栓配合的螺紋副測(cè)得的螺紋摩擦系數(shù)、總摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)均比鍍彩鋅的螺母連接副低，A廠家鍍彩鋅螺母連接副測(cè)得的總摩擦系數(shù)和螺紋摩擦系數(shù)比B廠家鍍彩鋅螺母連接副的低，端面摩擦系數(shù)高，扭矩系數(shù)相同。由此可知，即便在同一制造廠家生產(chǎn)同一規(guī)格同一級(jí)別的螺母，采用不同的表面處理方式，得到的螺紋摩擦系數(shù)和總摩擦系數(shù)也不同，同一規(guī)格同一級(jí)別同一表面處理方式，不同的生產(chǎn)廠家得到的螺紋摩擦系數(shù)、端面摩擦系數(shù)和總摩擦系數(shù)也不同。

3結(jié)論

通過(guò)多組摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果的綜合分析，可以得出以下結(jié)論：

1)隨著試驗(yàn)墊片硬度的降低，螺紋緊固件的摩擦系數(shù)會(huì)變大；

2)螺栓的潤(rùn)滑狀況對(duì)摩擦系數(shù)的影響很大，潤(rùn)滑部位不同，摩擦系數(shù)會(huì)有很大變化，潤(rùn)滑部位越是全面，摩擦系數(shù)會(huì)越??；

3)在保證連接副軸向力不變的情況下，采用不同的裝配工藝得到的螺栓摩擦系數(shù)也不同；

4)同一廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的螺母采用不同的表面處理方式得到的摩擦系數(shù)不同，不同廠家生產(chǎn)的同一規(guī)格同一表面處理方式的螺母得到的摩擦系數(shù)也不同。

綜上，螺紋緊固件的摩擦性能取決于連接副結(jié)合面的狀況、潤(rùn)滑條件、實(shí)際裝配工藝、表面處理等相關(guān)工藝因素，它直接決定了螺栓強(qiáng)度利用率的高

低、扭矩控制工藝投資、裝配質(zhì)量的評(píng)定等[2]。因此，螺紋緊固件的摩擦性能是決定螺紋聯(lián)接質(zhì)量和可靠性的重要方面，也是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料及制造工藝技術(shù)水平的綜合體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]熊云奇，張瓊敏，濮進(jìn)，等.螺紋緊固件摩擦性能評(píng)述[J].汽車(chē)科技，1998(6)：12-17.

[2]熊云奇，張瓊敏，盧海波.螺紋緊固件摩擦性能要求探討[J].汽車(chē)科技,2000(1):30-31.

[3]張振華，應(yīng)秉斌，矯明.螺栓擰緊力矩的確定方法及相關(guān)探討[J].化學(xué)工程與裝備，2009(8)：105-107.

[4]任麗華，李鳳玲.螺紋擰緊力矩的理論分析[J].煤礦機(jī)械，2007，27(7)：67-69.

[5]李維榮，朱家誠(chéng).螺紋緊固件防松技術(shù)探討[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2003(2)：15-17.

[6]溫楠.螺紋緊固件預(yù)緊力松弛問(wèn)題芻議[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化，2015(2)：12-15.

[7]邱艷麗，楊振國(guó).350MW燃?xì)廨啓C(jī)組煤氣加熱器螺栓斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2007，32(10):88-91.

[8]楊兆，朱榮福，顏海棋，等.新型前縱梁結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性分析[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,22(4)：21-25.

[9]劉仁宇，何宇廷，杜金強(qiáng)，等.基于有限元建模的某飛機(jī)連接件螺栓頭斷裂分析[J].機(jī)械工程材料，2010,34(8)：79-82.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Experimental study on the factors affecting the friction coefficient of threaded fasteners

NI Jinting

(Department of Automotive Engineering,Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhu 241002，China)

Abstract：Threaded fasteners are widely used in automobiles.Screw connection reliability depends on the axial bolt preload.Friction coefficient between vice thread plays a key role in the size of the assembly torque.There are many factors that affect the friction coefficient of fasteners.This paper analyzes the impact of the fastener friction coefficient from four aspects，mainly including gasket hardness,lubrication,assembly process and the treatments of nut surface.

Key words：threaded fastener; friction coefficient; lubrication; assembly process; surface treatment

DOI:10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.03.007

收稿日期：2016-01-16

基金項(xiàng)目：安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目大學(xué)生創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃(2015ckjh144)

作者簡(jiǎn)介：倪晉挺(1983-)，男，講師，研究方向：汽車(chē)懸架.

中圖分類(lèi)號(hào)：TH131.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-4679(2016)03-0026-03