徐海東，魏鵬程

螺紋緊固件摩擦系數(shù)對(duì)擰緊質(zhì)量影響的研究

徐海東1,2，魏鵬程2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車制造公司，安徽 合肥 230001）

在整車裝配過(guò)程中，螺紋連接是最常用的連接技術(shù)，而螺紋緊固件的摩擦系數(shù)又是螺紋連接系統(tǒng)中的重要性能參數(shù)。文章通過(guò)螺紋連接的力學(xué)原理分析了螺紋緊固件摩擦系數(shù)對(duì)擰緊質(zhì)量的影響，并提出了在擰緊過(guò)程中識(shí)別摩擦系數(shù)異常的方法。

螺紋連接；摩擦系數(shù)；擰緊技術(shù)

引言

螺紋連接由于其裝配簡(jiǎn)單、拆卸便利、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為機(jī)械裝配過(guò)程中最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛的連接技術(shù)，螺紋緊固件也隨之成為汽車裝配制造過(guò)程中大量使用的零部件之一，每輛汽車整車裝配過(guò)程中約使用1500個(gè)螺紋緊固件[1]。因此，螺紋連接質(zhì)量對(duì)整車的安全性、可靠性具有重大影響。

對(duì)螺紋連接系統(tǒng)而言，除了螺紋緊固件幾何參數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度、擰緊力矩外，摩擦系數(shù)是螺紋連接系統(tǒng)中又一重要參數(shù)，對(duì)螺紋連接質(zhì)量及擰緊過(guò)程具有重大影響。本文將從螺紋連接的力學(xué)原理出發(fā)，分析摩擦系數(shù)對(duì)螺紋連接系統(tǒng)的影響及螺紋擰緊過(guò)程中對(duì)螺紋摩擦系數(shù)異常的監(jiān)控方法。

1 螺紋連接的力學(xué)原理

螺紋連接的原理為胡克定律，其是在螺紋緊固件擰緊過(guò)程中，螺紋連接系統(tǒng)受到擰緊力矩的作用下發(fā)生形變。如圖1所示，螺栓擰緊過(guò)程中，螺栓受到拉伸力的作用下拉伸變形，而被連接件在螺紋緊固件作用下相互擠壓，二者受到的力大小相等，方向相反，此時(shí)螺栓施加給被連接件的作用力被稱為螺栓的軸向預(yù)緊力。被連接件在螺栓軸向預(yù)緊力的作用下被夾緊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)被連接件的固定。

圖1 預(yù)緊力作用下螺紋緊固件與被連接件變形圖

圖1中，代表螺栓的軸向預(yù)緊力，代表螺栓的伸長(zhǎng)量λ，代表被連接件的壓縮量λ，假設(shè)螺栓的剛度和被連接件的剛度分別為K和K，則有：

因此，此時(shí)螺紋連接系統(tǒng)的總變形量為：

對(duì)于轉(zhuǎn)角擰緊法即是通過(guò)控制螺紋緊固件旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)控制螺栓所獲得的軸向力。假設(shè)螺距為，當(dāng)螺紋緊固件與被連接件已經(jīng)充分貼合后對(duì)其擰動(dòng)角度時(shí)，螺紋連接系統(tǒng)總的變形量為：

由式（3）此時(shí)，螺栓受到的軸向預(yù)緊力為：

螺紋緊固件在擰緊過(guò)程中，擰緊力矩轉(zhuǎn)化為螺栓的軸向預(yù)緊力，根據(jù)螺紋連接的力學(xué)關(guān)系可推導(dǎo)出擰緊力矩與螺栓所獲得的軸向預(yù)緊力的關(guān)系[2]：

式中：

—螺栓的軸向預(yù)緊力；

—螺紋牙距；

d—螺紋中徑；

μ—螺紋間的摩擦系數(shù)；

μ—螺栓頭部與支承面之間的摩擦系數(shù)；

—牙側(cè)角；

d—支承面外徑；

d—螺栓孔直徑。

式（6）所展現(xiàn)的便為扭矩法擰緊螺栓的力學(xué)原理，通過(guò)控制螺栓的擰緊力矩來(lái)控制螺栓所獲得軸向力。

對(duì)于螺紋緊固件的摩擦系數(shù)可細(xì)分為：總摩擦系數(shù)μtot、螺紋摩擦系數(shù)μs、螺紋緊固件頭部支承面的摩擦系數(shù)μw分別為[3]：

其中：

式中：

—螺栓軸向力；

—螺紋緊固件緊固力矩；

T—螺紋摩擦扭矩；

T—支承面摩擦扭矩。

2 摩擦系數(shù)對(duì)螺紋連接系統(tǒng)的影響

通過(guò)對(duì)螺紋連接系統(tǒng)的力學(xué)分析可以看出，摩擦系數(shù)是螺紋連接的力學(xué)關(guān)系中一個(gè)重要參數(shù)，其對(duì)螺紋連接系統(tǒng)影響重大，其主要影響螺栓的軸向預(yù)緊力、屈服軸力、防松性能等。

2.1 影響螺栓軸向預(yù)緊力

從式（6）可知，螺栓擰緊過(guò)程中的扭矩分別用來(lái)克服螺紋連接副之間的摩擦扭矩、螺紋緊固件頭部與被連接件之間的摩擦扭矩以及獲得螺栓的軸向預(yù)緊力。當(dāng)μ=μ=0.15時(shí)，可計(jì)算出這三者的比例關(guān)系約為4:1:5，如圖2所示，此時(shí)說(shuō)明擰緊螺栓過(guò)程中只有一小部分的扭矩用來(lái)獲得螺栓的軸向預(yù)緊力。在相同擰緊力矩下，摩擦系數(shù)越大，獲得的夾緊力越小。

圖2 當(dāng)μs=μw=0.15時(shí)，擰緊扭矩的分布

因此，在使用扭矩法擰緊過(guò)程中，若摩擦系數(shù)過(guò)小，擰緊至目標(biāo)扭矩T時(shí)，所獲得的軸向預(yù)緊力將可能超出設(shè)計(jì)極限，會(huì)造成螺栓擰緊斷裂或者被連接件壓潰。而若摩擦系數(shù)過(guò)大，擰緊至目標(biāo)扭矩T時(shí)，所獲得的軸向預(yù)緊力將可能小于設(shè)計(jì)的最低要求，則會(huì)導(dǎo)致零件松動(dòng)、異響。

2.2 影響螺栓的的屈服軸力

由式（10）易知，在螺紋緊固件擰緊時(shí)，螺栓除受到預(yù)緊力產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，也將受到螺紋之間的摩擦力矩產(chǎn)生切應(yīng)力，處于一種復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。此時(shí)，螺栓危險(xiǎn)截面受到預(yù)緊力而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力為：

式中：

d—螺紋小徑。

危險(xiǎn)截面由螺紋之間的摩擦力矩作用而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：

根據(jù)材料力學(xué)中的Mises準(zhǔn)則可知，此時(shí)螺栓受到的等效應(yīng)力σ為：

由式（11）可以看出，在相同軸向預(yù)緊力下，摩擦系數(shù)越大，螺栓承受的剪切應(yīng)力越大，根據(jù)式（12）可知此時(shí)螺栓承受等效應(yīng)力更大。即對(duì)同一幾何尺寸及機(jī)械性能等級(jí)螺紋緊固件所能承受的極限軸向力將受到螺紋摩擦系數(shù)的影響，較高的摩擦系數(shù)將導(dǎo)致螺栓承受的屈服軸向預(yù)緊力更低。

如圖3所示，使用=0.16和=0.18各10顆M10 10.9級(jí)螺栓進(jìn)行螺栓擰斷實(shí)驗(yàn)。通過(guò)擰緊曲線不難看出，=0.16的螺栓的屈服軸向力約為34.5kN，而=0.18的螺栓的屈服軸向力約為32kN。故在使用屈服點(diǎn)擰緊時(shí)，由于擰緊工具通過(guò)擰緊曲線斜率的變化檢測(cè)螺栓是否擰緊至屈服點(diǎn)，當(dāng)摩擦系數(shù)高于設(shè)計(jì)要求時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致螺栓的軸向預(yù)緊力不足，從而引起被連接件的松動(dòng)、異響。

圖3 不同摩擦系數(shù)的M10 10.9級(jí)螺栓擰斷曲線

2.3 影響防松性能

螺紋松動(dòng)可以螺紋緊固件是否發(fā)生旋轉(zhuǎn)分為旋轉(zhuǎn)松動(dòng)和非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，而旋轉(zhuǎn)松動(dòng)是最為常見(jiàn)的螺栓松動(dòng)模式。螺紋緊固件的擰松力矩為T：

當(dāng)T＞0時(shí)，螺紋緊固件不會(huì)自行發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，此條件被稱為螺紋連接的自鎖條件，即要滿足：

由式（9）可以看出，對(duì)于相同公稱直徑、相同裝配精度及預(yù)緊力的情況下，支承面等效摩擦直徑或支承面的摩擦系數(shù)越大，則支承面的摩擦阻力矩越大，即更難發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。故當(dāng)摩擦系數(shù)過(guò)低時(shí)，在相同軸向預(yù)緊力下，螺紋連接副將容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。

3 擰緊過(guò)程對(duì)摩擦系數(shù)異常的監(jiān)控方法

由式（5）和式（6）可得：

故對(duì)于彈性段的螺紋緊固件的擰緊過(guò)程而言，螺栓的擰緊扭矩與旋轉(zhuǎn)角度呈線性關(guān)系，且兩者比值與螺紋件摩擦系數(shù)及螺栓頭部與被連接摩擦系數(shù)有關(guān)。對(duì)相同幾何參數(shù)、機(jī)械性能的螺紋連接系統(tǒng)而言，摩擦系數(shù)越大，擰緊相同角度時(shí)，擰緊扭矩也就越大，故可以通過(guò)對(duì)擰緊過(guò)程的扭矩或者角度進(jìn)行監(jiān)控來(lái)識(shí)別螺紋連接系統(tǒng)的摩擦系數(shù)是否存在異常。

分別使用摩擦系數(shù)控制在0.10-0.13、0.15-0.18和0.20- 0.23的幾何結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能完全一致的M8*1.25的螺母以20Nm+90°扭矩轉(zhuǎn)角法參數(shù)，對(duì)同一結(jié)構(gòu)的被連接件各進(jìn)行100次擰緊，其最終擰緊扭矩如1所示。通過(guò)表1不難看出，摩擦系數(shù)的差異導(dǎo)致在相同的扭矩轉(zhuǎn)角擰緊參數(shù)下，螺紋緊固件的最終擰緊力矩產(chǎn)生了巨大差異。對(duì)于相同的扭矩轉(zhuǎn)角擰緊策略，高摩擦系數(shù)的螺紋緊固件最終的擰緊扭矩更高。

表1 不同摩擦系數(shù)在相同扭矩轉(zhuǎn)角擰緊參數(shù)下的擰緊力矩

表2 三組擰緊力矩的正態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果

使用Minitab對(duì)這三組扭矩值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)[4]，假設(shè)H：數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，H：數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，顯著性水平定為0.05，計(jì)算出的值見(jiàn)表2所示，其均大于0.05，故三組數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。

假設(shè)設(shè)計(jì)要求使用的是摩擦系數(shù)為0.15—0.18的螺母，其±3的區(qū)間為[24.66,40.99]，假設(shè)將扭矩轉(zhuǎn)角法的扭矩監(jiān)控范圍設(shè)置為[25,41]。由概率學(xué)知識(shí)可知，對(duì)于三組樣本分布不在[25,41]之間的概率計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算得，對(duì)于摩擦系數(shù)在0.15—0.18的螺母其最終扭矩不在監(jiān)控區(qū)間的概率為1.34%，對(duì)于摩擦系數(shù)在0.10—0.13的螺母其最終扭矩不在監(jiān)控區(qū)間的概率為9.39%，而對(duì)于摩擦系數(shù)在0.20—0.23之間的螺母其最終扭矩不在監(jiān)控區(qū)的概率為11.66%。即意味著，當(dāng)摩擦系數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，擰緊合格率將出現(xiàn)大幅變化。故，可以對(duì)于扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊策略可以通過(guò)合理的扭矩監(jiān)控窗口設(shè)置來(lái)識(shí)別摩擦系數(shù)的異常。同理，對(duì)于扭矩法擰緊策略可以通過(guò)對(duì)角度監(jiān)控窗口設(shè)置來(lái)進(jìn)行識(shí)別。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)螺紋連接的力學(xué)原理的分析，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)將從多方面影響螺紋連接系統(tǒng)所獲得的軸向力，進(jìn)而影響螺紋連接質(zhì)量，故在汽車生產(chǎn)制造過(guò)程中有必要對(duì)螺紋緊固件的摩擦系數(shù)進(jìn)行管控。

（2）通過(guò)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，在擰緊過(guò)程中設(shè)置合理的角度或扭矩監(jiān)控窗口將有利于識(shí)別出螺紋緊固件摩擦系數(shù)的異常波動(dòng)。

[1] 葉又,黃平.汽車緊固件實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2018.

[2] 酒井智次.螺紋緊固件連接工程[M].柴之龍,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016:47-50.

[3] GB/T 16823.3-2010,緊固件扭矩-夾緊力試驗(yàn)[S].

[4] 楊斌.正態(tài)性檢驗(yàn)的幾種方法比較[J].統(tǒng)計(jì)與決策,2015,14:72-74.

Research on the Influence of Friction Coefficient of Threaded Fasteners on Tightening Quality

Xu Haidong1,2, Wei Pengcheng2

( 1.School of Automotive and Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009; 2.Anhui jianghuai Automobile Co. LTD., Passenger Car Manufacturing Company, Anhui Hefei 230001 )

In the process of vehicle assembly, threaded connection is the most commonly used connection technology, and the friction coefficient of threaded fasteners is an important performance parameter in threaded connection systems. The influence of the friction coefficient of the threaded fastener on the tightening quality through the mechanical principle of the thread connection is analyzed in this paper, And a method to identify the abnormal friction coefficient during the tightening process is put forward.

Threaded connection; Coefficient of friction; Tightening technology

A

1671-7988(2020)24-156-04

U466

A

1671-7988(2020)24-156-04

徐海東（1994.11-），男，現(xiàn)就讀于合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，非全日制研究生，助理工程師，并就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車制造公司，主要研究方向?yàn)槁菁y緊固件擰緊工藝。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.051

CLC NO.: U466