摩擦系數在螺栓連接中的作用

楊草青

摘要：螺栓連接其承載能力強、互換性好、可拆卸等優點，在現代化大生產中應用廣泛，對整機質量和安全性能具有重要影響，而摩擦系數在螺栓連接的裝配過程中起著至關重要的作用，是保證裝配質量的關鍵因素之一。

關鍵詞：摩擦系數;預緊力;裝配;螺栓

緊固件在汽車制造裝配中，螺紋緊固件裝配的質量將直接影響整車的裝配質量和行駛的可靠性。為此，在施加外載荷之前，需擰緊螺紋緊固件，以夾緊被聯接件。稱擰緊螺紋緊固件為預緊，稱該力為軸向預緊力。為保證螺栓的可靠服役，必須在裝配時要保證有適當的軸向夾緊力。目前的裝配工藝上最經濟可行的方法是通過控制扭矩來間接實現對軸向夾緊力的控制。預緊力的大小是保證連接質量的重要因素，螺栓的擰緊過程是一個克服摩擦的過程，在這一過程中存在螺紋副的摩擦及端面摩擦。而影響預緊力的因素很多，不但螺栓的材料、螺栓表面的粗糙度、潤滑情況和裝配速度、螺紋的直徑大小對預緊力有較大的影響，而螺栓擰緊過程中摩擦系數對裝配預緊力的大小起到關鍵的作用。

1 摩擦系數概念

摩擦系數即摩擦力與法向載荷之比。要了解摩擦系數首先要了解兩摩擦接觸表面的摩擦力的組成。在壓力的作用下，兩表面之間的個別輪廓峰將壓入或壓平，不但在兩個物體硬度和彈性摸量不同時會出現壓入和壓平現象，而且在兩個物體平面硬度相同時，輪廓峰的外形不同時也會產生壓入和壓平現象。這時，當物體作切向位移時則將在接觸平面犁削或切出條形細槽來。從而可以看出摩擦力取決于物體表面層的物理、力學特性，它主要有兩部分組成：即分子部分和機械部分。分子部分主要是兩物體產生位移時切開粘附結合點的剪切力;機械部分主要是一個輪廓峰在另一個表面上輪廓峰的犁削力，摩擦力是兩個接觸物體表面產生位移時克服分子粘附力和機械犁削力的總和。摩擦力的方向始終與位移方向相反。

1） 摩擦力與表觀接觸面積無關，而與真實接觸面積有關，當真實接觸面積接近表觀接觸面積，即法向壓力很高時，摩擦力與法向壓力是非線性關系，摩擦力增加很快;

2） 有一定屈服極限的材料（如金屬），其摩擦力與（表觀）接觸面積無關，粘彈性材料的摩擦力與接觸面積有關;

3） 精確測量，摩擦力與滑動速度有關，因為摩擦會產生高溫，溫度變化越高摩擦力和摩擦系數增高。在低速情況下，金屬的摩擦力隨速度變化不大，這就是在螺紋裝配過程中為什么要采用兩種速度，開始裝配時速度可以高一些，當支承面接觸后，要降低螺紋裝配機的速度，以保持摩擦系數的基本不變;

4） 粘彈性材料的靜摩擦系數不大于動摩擦系數，因為在螺紋副的裝配過程中，主要考慮的是靜摩擦系數，在一般的壓力與速度與環境條件下，對螺紋副裝配過程中產生的摩擦系數可以認為是常量。摩擦系數受摩擦副材料表面粗糙度、潤滑條件、環境壓力和溫度條件影響較大。

2 摩擦系數對裝配工藝的影響

目前由于受到裝配位置、裝配工具等因素的影響，還不太可能在生產線上通過直接控制預緊力來裝配螺栓聯接，所以只能通過控制和預緊力相關的其它參數（如扭矩，螺栓頭或螺母轉角，螺栓伸長量）來達到間接控制預緊力的目的，相應地產生了以下幾種預緊方法：“扭矩法”和“扭矩-轉角控制法”、“屈服點控制法”和“螺栓長度法”。其中使用最多的還是“扭矩法”和“扭矩-轉角控制法”，而這兩種擰緊方式都將會受到產品摩擦系數大小的影響，從而影響螺栓緊固時的預緊力。而“屈服點控制法”和“螺栓長度法”則避免了摩擦系數對裝配的影響。

使用扭矩裝配方法時，當達到規定的扭矩就停止，只對一個確定的緊固力矩進行控制，操作簡單，扭矩容易測量和控制，扭矩事后也容易復檢。但經過大量的試驗和實踐經驗的積累，在實際擰緊過程中受到摩擦系數等影響，僅僅5%～10%的扭矩轉化為所需要的預緊力，有90%的扭矩被擰緊過程中的摩擦消耗掉。當支承面的摩擦系數降低20%時，支承面摩擦扭矩降為40%，螺栓軸向夾緊力將翻倍增加（有20%的擰緊扭矩轉化成夾緊力）。由此可見，使用扭矩裝配方法，摩擦系數對螺栓夾緊力的影響之大。

例如，本廠曾經生產過這樣一種高強度的缸蓋連接螺栓，其技術要求是：產品規格M10×1.25×108，性能等級12.9級，表面處理磷化，裝配時配裝一個平墊圈。在裝配M10×1.25×108的12.9級高強度缸蓋連接螺栓時，出現過這樣的現象，在裝配過程中，當扭矩超過100N.m后，螺栓會產生拉長現象，使螺栓無法擰緊。針對這個問題，我們進行了專題分析和試驗。通過對螺栓的硬度、最小拉力載荷、金相組織進行檢測，產品是完全合格的，但是，在裝配時就是要產生拉長的現象。于是，我們進行了更進一步的分析：當螺栓按已知扭矩進行裝配時，這個已知的裝配扭矩會分解為兩部分，一部分扭矩克服支摩擦，使螺栓擰緊，另一部分扭矩施加于螺紋上，使其產生預緊力（即夾緊力），其反作用力就使螺栓受到軸向拉力。在這個過程中，當螺栓的摩擦系數很小的時候，摩擦損耗扭矩小，扭矩轉化為預緊力就會很大，使螺栓受到的軸向拉力就大，這樣就會超過螺栓本身所能承受的軸向拉力，從而使螺栓變形拉長。得到這樣的理論分析結論后，我們就用兩組不同摩擦系數的墊圈，通過試驗來對此進行論證，以驗證分析結論正確與否。通過試驗我們得到了如下數據：

通過上面的分析，驗證了我們的分析是正確的。于是我們將該螺栓所配墊圈的摩擦系數進行了增大調整后，又進行了小批量試驗，支承面的摩擦系數在0.09～0.11范圍內，結果所有的產品未再出現拉長現象，從而使產品滿足了顧客的裝配要求，由此可見，摩擦系數對使用扭矩裝配法有非常大的影響。

使用扭矩-轉角控制法擰緊螺栓時，先以設定的扭矩將螺栓擰緊，然后再將螺栓旋轉到一個規定的角度，利用螺栓的彈性變形，來確保聯接力達到規定的要求，這就是轉角扭矩法。這種方法可分為彈性區域擰緊法和塑性區域法。

此方法能較準確控制預緊力，螺栓材料完全被利用，僅與螺紋副摩擦及螺栓的屈服強度有關，設定的扭矩值常取所需擰緊扭矩值的25%左右。雖然螺螺栓的摩擦系數對達到較小的扭矩產生的“階段預緊力”有一定的影響，但是影響較小，而螺栓的摩擦系數對轉角擰緊所產生預緊力沒有影響，因為在彈性區或塑性區，如果彈性模量恒定，預緊力僅與螺栓伸長量有關，而伸長量與螺栓旋轉的角度成正比。

3 結論

摩擦系數對螺紋緊固件的連接裝配具有非常重要的作用。不恰當的摩擦系數會使產品被拉長或斷裂，甚至無法實現連接裝配。摩擦系數不符合要求，會造成螺栓的假擰緊現象（夾緊力達不到要求），在其后的使用過程中，會使螺栓產生松動直至脫落，甚至出現非常嚴重的后果。

參考文獻

1. GB/T16823.3? 緊固件? 扭矩-夾緊力試驗????? 中國標準出版社??? 2011
2. 張家全?? 螺紋摩擦系數對裝配扭矩的影響? ? ? ? ?