摩擦系數對高強度螺栓防松性能影響分析

司超群 覃佳亮 肖健

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 545007)

摩擦系數對高強度螺栓防松性能影響分析

司超群 覃佳亮 肖健

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 545007)

在螺紋連接中，摩擦系數對于螺紋聯接的可靠性是一個重要的影響因素。本文在理論分析為基礎上，通過橫向振動試驗，對M10x1.25-8.8級法蘭螺栓進行了防松性能分析，得出了幾種不同摩擦系數下，高強度法蘭螺栓防松性能的對比曲線及其防松效能優劣，對實際工程中的螺栓選用具有一定指導意義。t

螺紋聯接；摩擦系數；橫向振動；防松

0 引言

在現代機械中，緊固件的數量約占機器零件總數量的60%，其中螺紋聯接是機械聯接中使用最普遍的形式之一[1]。一般螺紋緊固都具有自鎖性能，但在變載、沖擊、振動作用下或者工作溫度變化較大時均可能發生松動，導致預緊力下降。

螺紋緊固件的摩擦系數是重要的設計參數，它直接影響著螺栓的材料強度效能利用和防松性。摩擦系數較大的螺栓一般防松性好，但是相同扭矩下得到的預緊力也小，而且由于擰緊過程中螺栓會受到更大的剪切力，螺栓等效拉應力更容易超過材料的強度極限，此時設計者往往需要提高螺栓的規格來滿足預緊力的設計要求，造成材料的浪費；摩擦系數較小的螺栓，在相同扭矩下得到的預緊力較大，但自身防松效果較差[2]。

可見，螺栓摩擦系數的選取是一個平衡防松性能與強度效能利用的矛盾問題。本文以某一規格的高強度連接螺栓為例，針對同一規格不同表面處理要求，在理論分析的基礎上，通過橫向振動實驗探究了幾種不同摩擦系數螺栓的防松特性，為該規格的高強度連接螺栓的摩擦系數設計、選定提供有意義的參考。

1 理論分析

1.1 螺紋的受力

相互配合的螺紋之間受到的是一種復合力的作用，為了分析方便，以矩形螺紋作為研究對象。螺紋副中，螺母所受到的軸向載荷Q沿螺紋各圈平均分布，為便于分析，用集中載荷Q代替，并設Q作用在中徑為d2圓周上的一點。將矩形螺紋沿中徑d2展開，得到斜角等于螺紋升角的斜面。當螺母相對于螺桿等速旋轉時，可看作一個滑塊（螺母）沿著斜面作等速滑動[3]，如圖1。

擰緊螺母時，相當于水平推力F推動滑塊沿斜面向上滑動，它的作用方向與d2的圓周相切，運動過程中還受到接觸面的摩擦力Ff、軸向載荷Q。當螺母勻速擰緊時（滑塊勻速上升），根據勻速條件得知滑塊所受到的合力為零，及作用在滑塊的各力平衡。根據封閉三角形原理，得到平衡方程[4]。

圖1 螺紋受力分析圖

式中：ρs=arctan（μs）

ρs—―摩擦角 T1—―擰緊力矩 μs—―摩擦系數

勻速擰松螺母時，相當于水平推力F推動滑塊沿斜面勻速向下運動，此時摩擦力Ff反向，則作用在滑塊的各力平衡，根據封閉三角形原則，得到平衡方程。

式中：ρs=arctan（μs）

ρs—―摩擦角 T2—―擰緊力矩 μs—―摩擦系數

1.2 摩擦系數對螺栓防松性能的影響

螺栓松脫主要是由兩方面原因造成的：松弛和松動。其中松弛是指緊固件裝配完成后，整體結構處于靜止狀態下，在5～10 min內緊固件的夾緊力會出現衰退的現象，主要是由于粗糙表面的相互嵌入和材料的蠕變兩大原因引起的；松動是指緊固件在轉配完成后，緊固件結構受到一定時間的交變載荷后，螺母與螺栓之間發生了顯著的相對轉動，預緊力下降直到預緊力消失的現象。

摩擦系數作為螺紋緊固件重要的設計參數，直接影響這螺紋緊固件的防松性能。根據前文螺紋受力分析可知：由于螺紋升角的作用，擰緊螺母所需力矩T1和擰松螺母所需要的力矩T2不同，一般情況下松退力矩為擰緊力矩的80%左右。那么，松退力矩越大，則螺栓松動的可能性就會越低，即螺栓防松的效果越好。根據公式（4）及ρs=arctan（μs）可知。

當螺紋的類型確定（螺紋升角確定）、工況條件確定（Q確定）的前提下，松退力矩T1與摩擦系數成正比，即在一定的范圍內摩擦系數越大，其松退力矩越大，對應螺栓的防松性能相對越好。

2 實驗分析

從上述理論分析可以看出，摩擦系數是影響螺栓防松性能的一個重要因素。為了進一步探究螺栓的摩擦系數對其防松性能的影響規律，本文在理論研究的基礎上設計了如下實驗。

2.1 實驗材料

本文研究的對象是摩擦系數對高強度螺栓防松性能的影響分析，因此選取的實驗樣件型號為M10X1.25X65-8.8，頭部形狀均為六角頭法蘭面，唯一區別是各組之間螺栓的表面處理不同（決定摩擦系數的差異），具體的材料信息見表1。

表1 實驗材料清單

2.2 實驗條件

整個實驗過程中所用到的實驗樣件均由同一個生產廠家提供，保證材料、加工工藝等方面的一致性；實驗過程嚴格按照國家標準GB/T10431―2008[5]實施；實驗環境始終保持在常溫（出現個別天氣變化的情況要更改實驗進度計劃）；實驗儀器中選擇的頻率為12.5 HZ，空載振幅為±0.8 mm；實驗終止條件為振動時間達到120 s或者殘余軸向力減少至零。

2.3 實驗方法

本實驗利用英國SPS―安布內科橫向振動試驗機，該試驗機可以測量出螺栓擰緊過程中的夾緊力、螺紋副上的扭矩以及分階段測出軸向力的變化，并對軸向力衰減做出一個實時反映。實驗采用的方法是單一變量的原理，整個實驗過程中唯一的變量是螺栓的摩擦系數（由表面處理不同來體現[6]）。實驗共分為4組，每組各做10次實驗，每次實驗都要更換新的樣件及工裝夾具。每組實驗保證在初始軸向力相同的情況下（19.5 kN），分別記錄30，、60，、90，、120， 的軸力變化，最終獲得各組螺栓的軸力殘余比。根據記錄數據的分析和對比可以判定緊固件的防松性能。在實驗過程中，夾緊力衰減的越慢（殘余比越大），防松性能越好；反之，夾緊力衰減越快（殘余比越小），防松性能越差。

2.4 實驗結果分析

（1）對實驗數據進行整理，得到不同摩擦系數的螺栓在振動過程中各監測點的殘余軸向力均值，如表2。

表2 不同摩擦系數螺栓各監測點殘余軸力的平均值

通過表2可以得出，隨著實驗時間的推移，各組螺栓的殘余軸向力都有不同程度的衰減，且當摩擦系數由0.25降至0.12時，對應的軸力殘余比也依次降低，根據前面的分析可得，其對應的螺栓防松性能也依次下降。

（2）為了能更加直觀地表現出螺栓所受軸向力衰減與摩擦系數的關系，對實驗數據進行整合處理，得到各監測點殘余軸向力與初始軸向力百分比的平均值，如表3；并將不同摩擦系數下的各監測點軸力殘余比擬合成了四條曲線，如圖2。

表3 不同摩擦系數螺栓各監測點軸力殘余比的平均值

通過表3對四種摩擦系數下得到的的螺栓實驗數據的對比，以及圖2表示的不同摩擦系數下各監測點軸力比的變化趨勢，可以得出以下結論。

（1）對于高強度螺栓(強度等級≥8.8)緊固過程中，在保證擰緊的前提下（初始軸向力一般為屈服軸向力的75%左右），以上四種摩擦系數的螺栓最終的軸力殘余比均≥80%，可見以上四組螺栓均具有一定的防松能力，但防松的性能有一定的差異；

圖2 不同摩擦系數下各監測點軸力殘余比變化趨勢

（2）以上4種摩擦系數的螺栓在經歷120 s的橫向振動后，軸向力都有衰減的趨勢，但4組螺栓的軸力衰減程度不同。摩擦系數高（0.25）的螺栓，在到達30 s過后，衰減曲線幾乎趨于水平，軸力衰減相對較平緩，防松性能較好；摩擦系數低（0.12）的螺栓，經歷120 s的實驗過程中，衰減曲線始終呈現坡度下降的趨勢，軸力衰減相對較快，防松性能相對較低。

3 結束語

通過理論分析，得出摩擦系數是影響螺栓防松性能的一個關鍵性因素。摩擦系數較高時，螺栓的防松性能相對較好，即在防松方面的連接可靠性較高；反之，摩擦系數較低時，螺栓防松性能相對較差，即在防松方面的連接可靠性相對較低。

當然，影響螺栓防松性能的因素不單是摩擦系數，同樣摩擦系數也不單只對螺栓防松性能起作用，它對螺栓擰緊過程中的扭矩系數、扭矩的轉換等也有直接關系[7]。總之，摩擦系數的選取是一個平衡防松性能與強度效能利用的矛盾問題，本文只針對摩擦系數對螺栓防松性能的影響做了詳細的研究分析，具體螺栓摩擦系數的最終選取需要在此基礎上，根據螺栓的型號、使用場合等因素綜合考慮[8]。

[1]淺談國外高強度及高壽命緊固件的制造工藝 緊固件工業通訊1987.5.

[2]葉仁超 基于有限元微車高強度連接螺栓防松特性分析[J].

[3]李維榮 螺紋緊固件防松技術與試驗方法的研究[J]. 合肥工業大學碩士論文2005.

[4]李維榮 螺紋緊固件防松技術探[J]. 2003.

[5]GB/T10431—2008, 緊固件橫向振動實驗方法[S]. 北京：中國標準化管理委員會，2011.

[6]陳先鋒 賀賢娟 王伯琴 高強度螺栓連接的摩擦面處理機摩擦系數[J]. 工業建筑1983.

[7]李啟才 顧強 蘇明周 陳愛國 摩擦型高強螺栓連接性能的實驗研究[J]. 西安科技學院學報 2003.

[8]曹增強 余公藩 林水福 螺栓連接當量摩擦系數的實驗研究[J]. 機械科學與技術1994.

U472.41 文獻標示碼：A

司超群（1981—），男，本科，研究方向為汽車設計。覃佳亮（1974—），女，本科，研究方向為汽車設計。肖健（1987—），男，本科，研究方向為汽車設計。