關于緊固件旋轉方式對扭矩差異的分析

張遠彬

摘 要 一個螺紋狀緊固件因為所占空間受到限制，只能選擇旋轉螺栓，在確保夾緊力不變的情況下，對緊固件旋轉方法的變化帶來的扭矩差異進行觀察探究，分開對比了在同樣的裝備空間中，緊固螺母和緊固螺栓對保證同等夾緊力分別要求的扭矩的不同。

關鍵詞 緊固件;夾緊力;扭矩

引言

螺紋的緊固方法大致分為扭矩法、扭矩加轉角法和屈服點法這三種方法。其中，扭矩加轉角法可以減少因為螺紋摩擦系數的變動對轉角加固所產生的預夾力的阻礙，提前把預夾力設置到螺栓屈服力的五分之四以上，這一做法在汽車底部的重要區域得到了廣泛的運用。

1緊固件的動態扭矩

1.1 動態扭矩含義

對緊固件夾緊時測量所得的最大值，扳手和一系列操作的工具都可以加大動態的扭矩。動態扭矩一定是在夾緊的過程中測量到的，它產生的軸向預夾力可以達到工程上對預夾力的標準。動態扭矩不會伴隨著時間的變化而減弱，并且這類扭矩與預夾力之間的依賴性更強。

1.2 動態扭矩的測量方法

第一種方法，可以利用夾緊設備和被夾緊零件之間額外的傳感器進行測量;第二種則是利用夾緊設備的扭矩傳感器進行測量。

1.3 影響動態扭矩的因素

設置動態扭矩時應考慮緊固件、被夾緊件和夾緊工具的影響。同時還需注意，過小的動態扭矩可能會導致防松效果差，影響緊固件發揮應有的作用，過大的動態扭矩會導致緊固件屈服或者斷裂。因此為了讓緊固件最大程度上發揮它的效果，一般情況下要把緊固件的軸向預夾緊力設置為緊固件屈服力的50%～75%。

（1）緊固件的頭部形狀。當緊固件頭部承受的面積變大，摩擦面積也隨之變大，同等狀態下，軸向的預夾緊力所需的扭矩也隨之變大，所以當其他條件保持不變時，頭部的摩擦面積越大緊固件所需的扭矩就越大。

（2）緊固件表面的摩擦系數。各類不同表面處理緊固件的摩擦系數差異很大，在這種情況下，可以通過加入潤滑劑把表面的摩擦系數調節到要求值范圍內。對于表面電鍍緊固件，不加入潤滑劑時，摩擦系數普遍為0.3左右，加潤滑劑時，摩擦系數約為0.1;對于表層沒有電鍍的緊固件，摩擦系數普遍在0.1左右。由此可見，在同樣的扭矩條件下，緊固件表層的摩擦系數對軸向力產生了一定的影響，所以對于關鍵部位的緊固件一定要規定緊固件表面摩擦系數的取值范圍。

（3）螺紋之間的配合。一般情況下，螺紋之間要有空隙上的配合，也就是說螺栓表層在電鍍之后為6h，螺母的表層在電鍍之后是6H，但是這種情況受到了緊固件自身差異和表層電鍍厚度的影響，最終結果有可能會讓緊固件之間產生過盈配合或者空隙配合，這可能導致夾緊不到位或者滑牙。

（4）緊固件自身的特點。自攻螺栓裝配的螺母是沒有螺紋的，安裝時要求螺栓在螺絲母上直接刻出螺紋，在這種情況下，就需要額外增大扭矩。在螺紋上配有防松動和加強密封性的膠水，或者螺母為自鎖性的螺母，也會導致螺紋之間產生過盈配合，所以在這種情況下，需額外加大扭矩[1]。

2靜態扭矩

2.1 靜態扭矩含義

當緊固件被緊固后，將其在緊固方向上能夠繼續旋轉時所需的扭矩成為靜態扭矩。靜態扭矩是在夾緊工作完成后再進行測量的，可以用來監測生產過程是否穩定。與動態扭矩不同，靜態扭矩會伴隨著時間的變化而減弱，當被夾緊件為非金屬材料時，扭矩衰減更加的明顯。同時，靜態扭矩受到的影響因素很多，和預夾緊力之間的依賴性較小。

2.2 靜態扭矩測量方法

用有表盤或者可以顯示測量數據的力矩扳手，在加固以后的五分鐘內朝著緊固件夾緊方向擰3～5度，這樣就得到了一個較為科學準確的數值。

2.3 靜態扭矩的應用

靜態扭矩傳感器大多用于試驗機和靜態扭矩的監測等環節，它大多數被應用于測量扭矩變化不明顯的場合，數據采集的頻率一般是50次/秒。

3對緊固件的旋轉方式進行理論分析

利用旋轉要求的角度來達到預期的夾緊力，讓螺母與被夾緊件嚴密貼合，在旋轉到預定的角度，讓預夾緊力到達預期值，這就是扭矩旋轉法。常見的扭矩旋轉法有兩種，一種是控制角度，一種是控制扭矩。監測方可采取控制角度的方法，用監測扭矩法進行實踐，這樣不僅可以防止螺栓過度屈服，還可以防止被緊固設備不會因為扭矩過大而被損壞。

螺母的擰緊扭矩T的計算公式為：T=KFd，其中F為預夾緊力，d為螺栓的直徑，K為扭矩系數。現階段還沒有關于螺栓旋轉的扭矩計算式，但是我們可以從已知的公式中得知，螺栓旋轉時與被夾緊部件相互轉動的摩擦消耗變大，這種摩擦對螺栓的增長產生了阻礙，限制了螺紋升角，其他部分沒有差別。

由此可知，在擰緊螺母的扭矩一定時，由于裝備占用的空間狹窄，夾緊工具無法進入時，只能固定螺母旋進螺栓，此時需把螺栓頭和被夾緊零件之間的摩擦考慮在內，也就是在基礎的扭矩范圍內再加入額外的扭矩，這樣就得到了要求的最大扭矩。

4對緊固件的旋轉方式進行實驗驗證

選取一定數量的M16規格的螺栓，以及被夾持的部分裝備配件，在實驗臺上模擬螺母緊固過程，被緊固的裝備配件能夠確保緊固設備有充足的空間來旋轉螺母。經過一系列的改變和測量并且把緊固件的旋轉方法更改成螺栓旋轉夾緊，獲得了一系列不同的扭矩轉角，這些數據都在科學允許的范圍內。

通過批量的測試，M16規格的螺栓扭矩范圍為320～408N·m，這個范圍和旋轉螺母理論的扭矩數據相比略有差異，差距在3%左右。當扭矩的最大值超過400N·m時，再對螺栓和螺紋部分進行研究可以看出，螺紋部位并沒有發現冷變形的產生和塑性流的現象，說明螺栓還是處在彈性的變形環節，與實驗的預期相符合。

綜合上面的測試結果，再綜合夾緊設施的扭矩差異，把扭矩的最大值設置為420N·m，也就是超過旋轉螺母方法最高的扭矩范圍的二十分之一。經過多次反復的實驗證明，未曾出現零件和緊固件都符合標準時監控扭矩錯誤的情況。

5結束語

在確保夾緊力度一樣的基礎上，旋轉螺栓夾緊所出現的扭矩范圍數值比旋轉螺母出現的扭矩范圍數值略高，這個數值的范圍在一般在3%左右，在面對這種情況時，需要選取夾固設施時，就不需要把監測的扭矩數據的范圍設置的過大，這樣就可以在很大程度上節省設施的成本;其次在使用緊固件的旋轉方法時，選擇旋轉螺栓夾緊要求的最大值，最好比旋轉螺母來加固的方法高出大約4%-5%，不然就無法達到夾緊力度的最低要求，就會在一定程度上影響實驗結果;最后對于緊固件夾緊扭矩的確定需要進行多次反復的實驗，否則測量結果容易出現失誤并具有片面性。本次的研究存在研究樣品數量不多的缺陷，但是測量的結果和理論分析對于類似的問題有著一定的參考和借鑒意義。

參考文獻

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2017：215.