螺紋緊固件摩擦系數對擰緊質量影響的研究

徐海東，魏鵬程

螺紋緊固件摩擦系數對擰緊質量影響的研究

徐海東1,2，魏鵬程2

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

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

螺紋連接；摩擦系數；擰緊技術

引言

螺紋連接由于其裝配簡單、拆卸便利、標準化程度高等優(yōu)點，已成為機械裝配過程中最基礎、應用最廣泛的連接技術，螺紋緊固件也隨之成為汽車裝配制造過程中大量使用的零部件之一，每輛汽車整車裝配過程中約使用1500個螺紋緊固件[1]。因此，螺紋連接質量對整車的安全性、可靠性具有重大影響。

對螺紋連接系統(tǒng)而言，除了螺紋緊固件幾何參數、機械強度、擰緊力矩外，摩擦系數是螺紋連接系統(tǒng)中又一重要參數，對螺紋連接質量及擰緊過程具有重大影響。本文將從螺紋連接的力學原理出發(fā)，分析摩擦系數對螺紋連接系統(tǒng)的影響及螺紋擰緊過程中對螺紋摩擦系數異常的監(jiān)控方法。

1 螺紋連接的力學原理

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，此時螺栓施加給被連接件的作用力被稱為螺栓的軸向預緊力。被連接件在螺栓軸向預緊力的作用下被夾緊，進而實現對被連接件的固定。

圖1 預緊力作用下螺紋緊固件與被連接件變形圖

圖1中，代表螺栓的軸向預緊力，代表螺栓的伸長量λ，代表被連接件的壓縮量λ，假設螺栓的剛度和被連接件的剛度分別為K和K，則有：

因此，此時螺紋連接系統(tǒng)的總變形量為：

對于轉角擰緊法即是通過控制螺紋緊固件旋轉的角度來控制螺栓所獲得的軸向力。假設螺距為，當螺紋緊固件與被連接件已經充分貼合后對其擰動角度時，螺紋連接系統(tǒng)總的變形量為：

由式（3）此時，螺栓受到的軸向預緊力為：

螺紋緊固件在擰緊過程中，擰緊力矩轉化為螺栓的軸向預緊力，根據螺紋連接的力學關系可推導出擰緊力矩與螺栓所獲得的軸向預緊力的關系[2]：

式中：

—螺栓的軸向預緊力；

—螺紋牙距；

d—螺紋中徑；

μ—螺紋間的摩擦系數；

μ—螺栓頭部與支承面之間的摩擦系數；

—牙側角；

d—支承面外徑；

d—螺栓孔直徑。

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

對于螺紋緊固件的摩擦系數可細分為：總摩擦系數μtot、螺紋摩擦系數μs、螺紋緊固件頭部支承面的摩擦系數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 摩擦系數對螺紋連接系統(tǒng)的影響

通過對螺紋連接系統(tǒng)的力學分析可以看出，摩擦系數是螺紋連接的力學關系中一個重要參數，其對螺紋連接系統(tǒng)影響重大，其主要影響螺栓的軸向預緊力、屈服軸力、防松性能等。

2.1 影響螺栓軸向預緊力

從式（6）可知，螺栓擰緊過程中的扭矩分別用來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緊力。當μ=μ=0.15時，可計算出這三者的比例關系約為4:1:5，如圖2所示，此時說明擰緊螺栓過程中只有一小部分的扭矩用來獲得螺栓的軸向預緊力。在相同擰緊力矩下，摩擦系數越大，獲得的夾緊力越小。

圖2 當μs=μw=0.15時，擰緊扭矩的分布

因此，在使用扭矩法擰緊過程中，若摩擦系數過小，擰緊至目標扭矩T時，所獲得的軸向預緊力將可能超出設計極限，會造成螺栓擰緊斷裂或者被連接件壓潰。而若摩擦系數過大，擰緊至目標扭矩T時，所獲得的軸向預緊力將可能小于設計的最低要求，則會導致零件松動、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，螺栓除受到預緊力產生拉伸應力外，也將受到螺紋之間的摩擦力矩產生切應力，處于一種復合應力狀態(tài)。此時，螺栓危險截面受到預緊力而產生的拉伸應力為：

式中：

d—螺紋小徑。

危險截面由螺紋之間的摩擦力矩作用而產生的扭轉切應力為：

根據材料力學中的Mises準則可知，此時螺栓受到的等效應力σ為：

由式（11）可以看出，在相同軸向預緊力下，摩擦系數越大，螺栓承受的剪切應力越大，根據式（12）可知此時螺栓承受等效應力更大。即對同一幾何尺寸及機械性能等級螺紋緊固件所能承受的極限軸向力將受到螺紋摩擦系數的影響，較高的摩擦系數將導致螺栓承受的屈服軸向預緊力更低。

如圖3所示，使用=0.16和=0.18各10顆M10 10.9級螺栓進行螺栓擰斷實驗。通過擰緊曲線不難看出，=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。故在使用屈服點擰緊時，由于擰緊工具通過擰緊曲線斜率的變化檢測螺栓是否擰緊至屈服點，當摩擦系數高于設計要求時，將會導致螺栓的軸向預緊力不足，從而引起被連接件的松動、異響。

圖3 不同摩擦系數的M10 10.9級螺栓擰斷曲線

2.3 影響防松性能

螺紋松動可以螺紋緊固件是否發(fā)生旋轉分為旋轉松動和非旋轉松動，而旋轉松動是最為常見的螺栓松動模式。螺紋緊固件的擰松力矩為T：

當T＞0時，螺紋緊固件不會自行發(fā)生旋轉松動，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，對于相同公稱直徑、相同裝配精度及預緊力的情況下，支承面等效摩擦直徑或支承面的摩擦系數越大，則支承面的摩擦阻力矩越大，即更難發(fā)生旋轉松動。故當摩擦系數過低時，在相同軸向預緊力下，螺紋連接副將容易發(fā)生旋轉松動。

3 擰緊過程對摩擦系數異常的監(jiān)控方法

由式（5）和式（6）可得：

故對于彈性段的螺紋緊固件的擰緊過程而言，螺栓的擰緊扭矩與旋轉角度呈線性關系，且兩者比值與螺紋件摩擦系數及螺栓頭部與被連接摩擦系數有關。對相同幾何參數、機械性能的螺紋連接系統(tǒng)而言，摩擦系數越大，擰緊相同角度時，擰緊扭矩也就越大，故可以通過對擰緊過程的扭矩或者角度進行監(jiān)控來識別螺紋連接系統(tǒng)的摩擦系數是否存在異常。

分別使用摩擦系數控制在0.10-0.13、0.15-0.18和0.20- 0.23的幾何結構、機械性能完全一致的M8*1.25的螺母以20Nm+90°扭矩轉角法參數，對同一結構的被連接件各進行100次擰緊，其最終擰緊扭矩如1所示。通過表1不難看出，摩擦系數的差異導致在相同的扭矩轉角擰緊參數下，螺紋緊固件的最終擰緊力矩產生了巨大差異。對于相同的扭矩轉角擰緊策略，高摩擦系數的螺紋緊固件最終的擰緊扭矩更高。

表1 不同摩擦系數在相同扭矩轉角擰緊參數下的擰緊力矩

表2 三組擰緊力矩的正態(tài)檢驗結果

使用Minitab對這三組扭矩值進行正態(tài)性檢驗[4]，假設H：數據服從正態(tài)分布，H：數據不服從正態(tài)分布，顯著性水平定為0.05，計算出的值見表2所示，其均大于0.05，故三組數據均符合正態(tài)分布。

假設設計要求使用的是摩擦系數為0.15—0.18的螺母，其±3的區(qū)間為[24.66,40.99]，假設將扭矩轉角法的扭矩監(jiān)控范圍設置為[25,41]。由概率學知識可知，對于三組樣本分布不在[25,41]之間的概率計算公式為：

經計算得，對于摩擦系數在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%，對于摩擦系數在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%，而對于摩擦系數在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，當摩擦系數出現異常時，擰緊合格率將出現大幅變化。故，可以對于扭矩轉角法擰緊策略可以通過合理的扭矩監(jiān)控窗口設置來識別摩擦系數的異常。同理，對于扭矩法擰緊策略可以通過對角度監(jiān)控窗口設置來進行識別。

4 結論

（1）通過對螺紋連接的力學原理的分析，發(fā)現摩擦系數將從多方面影響螺紋連接系統(tǒng)所獲得的軸向力，進而影響螺紋連接質量，故在汽車生產制造過程中有必要對螺紋緊固件的摩擦系數進行管控。

（2）通過理論分析及試驗驗證可知，在擰緊過程中設置合理的角度或扭矩監(jiān)控窗口將有利于識別出螺紋緊固件摩擦系數的異常波動。

[1] 葉又,黃平.汽車緊固件實用技術手冊[M].北京:中國質檢出版社,中國標準出版社,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[S].

[4] 楊斌.正態(tài)性檢驗的幾種方法比較[J].統(tǒng)計與決策,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，現就讀于合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院，非全日制研究生，助理工程師，并就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司乘用車制造公司，主要研究方向為螺紋緊固件擰緊工藝。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.051

CLC NO.: U466