螺栓联接是靠提供的夹紧力实现零件的联接, 螺栓螺纹处、端面处的摩擦系数是影响夹紧力的重要因素。
本文首先理论推导出摩擦系数和夹紧力的关系, 然后针对普通非润滑状态的螺栓螺母和润滑状态的螺栓螺母进行拧紧试验。最终说明, 润滑状态的螺栓螺母摩擦系数比较稳定, 螺栓联接的可靠性和稳定性较高。
1、前言
螺栓联接是典型的机械联接方式, 它普遍存在于各工业领域中。螺栓联接是保证设备正常运转、车辆安全行驶的重要方式, 螺栓联接的可靠性和稳定性已引起越来越广泛的重视。
因螺栓联接失效而引起的事故频发, 所导致的财产损失更是不可估量, 如何确保螺栓联接的安全有效是重要的研究课题, 而影响螺栓联接的重要因素, 需要人们不断的分析和研究。
螺栓联接是靠对螺栓或螺母施加扭矩, 将扭矩转化为螺栓的夹紧力, 实现零件的联接。经过理论分析和试验对比, 发现摩擦系数是影响螺栓夹紧力的重要因素之一, 影响螺栓联接的可靠性和稳定性。
2、理论分析及研究
根据标准ISO 16047, 螺栓在拧紧过程中力矩满足:
式中
Ma——总扭矩, Nm;
Mg——螺纹扭矩, Nm;
Mk——端面扭矩, Nm;
F——夹紧力, N;
μg——螺纹摩擦系数;
μk——端面摩擦系数;
ρ——螺距, mm;
d2——螺纹中径, mm;
dkm——端面平均直径, mm。
螺栓在拧紧的过程中, 对螺栓施加的总扭矩, 通过克服螺栓端面的摩擦力、螺纹副摩擦力, 最终转化为夹紧力。端面摩擦系数μk、螺纹摩擦系数μg是影响端面摩擦扭矩和螺纹摩擦扭矩的主要因素, 参见图1。
图 1
综合考虑端面摩擦系数和螺纹摩擦系数, 可得螺栓拧紧过程中的总摩擦系数μTot。
则:
可见, 对于规格已定的螺栓联接, 当施加总扭矩时Ma, 总摩擦系数μTot是影响摩擦力F大小的重要因素。
螺栓拧紧过程, 同时满足:
式中K——扭矩系数;
d——螺纹公称直径, mm。
根据 (2) 和 (4) 式可得:
可见, 螺栓拧紧过程中的总摩擦系数μTot大小取决于扭矩系数K值。
3、试验分析
通过对不同系列螺栓拧紧过程的测试, 分析研究不同状态下螺栓联接的扭矩系数K和总摩擦系数μTot, 分析摩擦系数对螺栓联接中夹紧力的影响。
根据公式 (4) , 在螺栓拧紧过程中, 可以测出总扭矩Ma和夹紧力F, 进而求出扭矩系数K, 根据公式 (5) , 可以通过扭矩系数K的变化表示总摩擦系数μTot的变化。
试验设备采用德国Schatz便携式螺栓分析仪、高精度数显扭矩测量仪, 分别测量螺栓拧紧过程中的夹紧力F和总扭矩Ma, 参见图2。
图 2
为研究摩擦系数对螺栓联接夹紧力的影响, 分别针对普通非润滑状态的螺栓螺母和润滑状态螺栓螺母, 进行拧紧试验, 以作对比。
试验选取某汽车公司常用螺栓螺母, 螺栓规格M14×1.5, 等级10.9, 试验夹紧样件材料为45号钢, 调质处理后硬度28-33HRC。
关键点试验数据如表1所示。
表 1
图3为润滑状态和普通非润滑状态的螺栓螺母拧紧过程中的扭矩-夹紧力曲线图, 最大扭矩为240Nm。润滑状态的曲线位于普通非润滑状态之上, 说明相同力矩Ma下, 润滑状态的螺栓联接的夹紧力远大于普通非润滑状态螺栓联接的夹紧力。
图 3
例如, 对于Ma=200Nm时, 润滑状态螺栓联接夹紧力F1=108k N, 普通螺栓联接夹紧力F2=41.5k N, 夹紧力不足润滑状态的40%。根据公式 (4) 、 (5) 可得两种状态下的扭矩系数K和总摩擦系数μTot。
由表2可得:普通非润滑状态的扭矩系数和总摩擦系数为润滑状态的近3倍之多, 是影响螺栓夹紧力大小的重要因素。
表 2
为研究扭矩系数和摩擦系数的稳定性, 对于润滑状态和普通非润滑状态的螺栓螺母, 分别选取10组试验样件, 进行对比试验。
图4给出了扭矩系数K值曲线图, 结果显示:润滑状态的10组样件K系数分布在0.131~0.138之间, 数值比较稳定;普通非润滑状态的10组样件K系数分布在0.220~0.440之间, 数值较大, 且极不稳定。
图 4
图5给出了总摩擦系数μTot曲线图, 结果显示:润滑状态的10组样件μTot分布在0.100~0.106之间, 数值比较稳定;普通非润滑状态的10组样件μTot分布在0.185~0.371之间, 数值较大, 且极不稳定。
图 5
普通螺栓中, 试验样件1的扭矩系数K (1) =0.440, 样件10的扭矩系数K (10) =0.220。根据公式 (4) , 施加同一扭矩Ma时, 样件10的夹紧力为样件1的2倍之多:F (10) =2F (1) 。相反, 对润滑状态的螺栓联接, 其夹紧力仅相差5%。
图6为普通螺栓达到较大夹紧力时的试验后状态, 施加扭矩使螺栓夹紧力达到螺栓理论屈服载荷的75%~80%, 发现螺栓和螺母螺纹处损坏较为严重, 出现滑丝现象。
图 6
图7为螺栓夹紧力都达到螺栓理论屈服载荷的75%~80%后, 普通螺栓和润滑螺栓试验状态, 结果显示普通螺栓螺纹损坏比较严重, 而润滑螺栓无任何损坏迹象。
图 7
以上说明, 进行润滑处理的螺栓联接, 其扭矩系数和总摩擦系数较小, 且比较稳定, 而普通非润滑状态的螺栓联接扭矩系数和总摩擦系数较大, 且极不稳定。普通螺栓施加较大扭矩时, 由于总摩擦系数较大, 容易出现螺纹损坏的现象, 而润滑状态的螺栓总摩擦系数较小, 螺纹不易损坏。
4、行业技术现状
行业内越来越重视螺栓联接中的摩擦问题, 某知名商用汽车公司通过对螺栓螺母表面润滑处理, 控制总摩擦系数在0.08~0.14之间, 力求平均值0.11;某知名乘用车公司要求总摩擦系数在0.09~0.15之间;有的甚至在0.06~0.09之间。
总之, 各公司都根据自己的技术和工艺水平对螺栓螺母的摩擦系数进行有效控制, 而润滑处理的方式也各不相同, 如涂油、涂润滑蜡等等。
5、结束语
根据以上理论分析和试验研究, 我们发现:
(1)普通螺栓联接的扭矩系数和总摩擦系数较大, 且极不稳定;润滑处理可以降低螺栓联接的扭矩系数和总摩擦系数;
(2)由于普通螺栓总摩擦系数的极不稳定性, 导致螺栓联接中的夹紧力极不稳定, 相同扭矩下的夹紧力相差可达2倍之多, 相比之下, 润滑螺栓的夹紧力比较稳定, 波动幅度较小;
(3)由于普通螺栓的摩擦系数较大, 在施加加大扭矩, 达到较大夹紧力时, 螺栓螺母的螺纹部分损坏比较严重, 而润滑螺栓螺母往往没有损坏。
总之, 对螺栓联接中的螺栓螺母进行润滑处理, 降低螺栓螺母自身的摩擦系数, 降低和稳定螺栓联接中的扭矩系数, 从而有效的提高和控制夹紧力, 是提高螺栓联接可靠性和稳定性的重中之重。
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