支承面硬度對(duì)扭矩系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)探究

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007）

支承面硬度對(duì)扭矩系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)探究

覃佳亮 陳 林 肖 健

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007）

影響高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)的因素比較多，但是在目前的研究分析中，對(duì)螺旋副支承面硬度這一因素的影響程度存在分歧。文章先是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行分組對(duì)比并加以相應(yīng)的理論分析，重點(diǎn)研究了螺旋副支承面對(duì)扭矩系數(shù)影響程度的大小，進(jìn)而探究了支承面硬度是否為影響螺栓扭矩系數(shù)的關(guān)鍵因素。利于工程實(shí)踐中更準(zhǔn)確的計(jì)算扭矩系數(shù)，進(jìn)而更好的發(fā)揮螺栓效能。

硬度；扭矩系數(shù)；效能

1 前言

高強(qiáng)度螺栓廣泛應(yīng)用于機(jī)械連接中，多用于受力部位及重要接頭處，螺栓的安全關(guān)系到 整個(gè)機(jī)械組的安全可靠性。螺栓的效能主要取決于初始的擰緊程度，在緊固件和結(jié)構(gòu)允 許的情況下，預(yù)緊力越大，螺栓效能越好，連接越可靠；但是，預(yù)緊力越高，對(duì)螺栓強(qiáng)度的要求和被連接件的要求就越高，過(guò)高的預(yù)緊力有可能將緊固件拉斷或者壓潰支承面.因此，控制預(yù)緊力的大小是相當(dāng)重要的。實(shí)際裝配時(shí)很難直接去控制和測(cè)量軸向預(yù)緊力，而是通過(guò)擰緊扭矩間接得到，其中的轉(zhuǎn)化因子便是扭矩系數(shù)。螺栓的扭矩系數(shù)K宏觀上直接反映螺栓擰緊過(guò)程中的扭矩與軸力的關(guān)系，它的大小不僅取決于摩擦面的摩擦系數(shù)，還取決于螺紋連接副的幾何狀況，其影響因素有很多。文章分析螺紋副支承面硬度對(duì)扭矩系數(shù)影響程度，其研究結(jié)果提高了扭矩系數(shù)分析的準(zhǔn)確性，對(duì)工程實(shí)踐中更有效的發(fā)揮螺栓效能有一定的指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

本次螺栓的扭拉實(shí)驗(yàn)采用SCHATZ多功能螺栓緊固件分析系統(tǒng)（德國(guó)，傳感器精度為±0.5%）。符合GB/T 16823中的實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)要求，運(yùn)用這一系統(tǒng)可以測(cè)量出螺栓擰緊過(guò)程中的夾緊力、總扭矩、螺紋副上的扭矩以及支持面扭矩，并能對(duì)夾緊力和扭矩的關(guān)系精確實(shí)時(shí)的反映,通過(guò)扭矩和夾緊力曲線(xiàn)可以算出扭矩系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)螺栓統(tǒng)一為六角頭螺栓M12，長(zhǎng)度60mm（這是SCHATZ儀器必要的長(zhǎng)度要求），表面處理后與螺母配合精度為6g；螺母為六角法蘭螺母，表面處理方式與螺栓相同（這一點(diǎn)是非常重要的），表面處理之后與螺栓的配合精度為6H。其他參數(shù)見(jiàn)表2-1，被聯(lián)接件材料為45#和Q235，板厚度為3mm，其中45#鋼的硬度一般為HRC28，Q235的硬度一般為HRC16。以上兩種材料的硬度都是在未經(jīng)淬火前的硬度，其他條件均相同。

表2-1 實(shí)驗(yàn)材料清單

表2-2 兩種材料在不同孔位的扭矩系數(shù)值

表2-3 夾緊力與摩擦系數(shù)（摩擦力）關(guān)系表

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）第一組實(shí)驗(yàn)：M12螺栓及配對(duì)螺母，45#鋼墊板

將螺栓固定，將45#鋼板的1號(hào)孔套入螺桿，將螺母在擰緊裝置中夾緊并調(diào)整其空間定位，是螺母下端面與孔板接觸；啟動(dòng)儀器，螺母隨擰緊裝置旋轉(zhuǎn)向下，擰緊裝置對(duì)螺母施加 線(xiàn)性增加的扭矩（直到200N*m左右停止），儀器自動(dòng)記錄螺栓預(yù)緊力隨著扭矩增加變化的曲線(xiàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)編號(hào)；更換另一對(duì)相同的螺栓螺母，用孔板上得2號(hào)孔裝配，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這樣連著重復(fù)做十次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)都采用新的螺栓、螺母，每次都用孔板上得不同孔來(lái)裝配，并記錄下每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）第二組實(shí)驗(yàn)：M12螺栓及配對(duì)螺母，Q235墊板

該組實(shí)驗(yàn)同樣按照第一組實(shí)驗(yàn)的步驟反復(fù)進(jìn)行10次，并記錄每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

兩組實(shí)驗(yàn)完成后，記錄試驗(yàn)儀器上每次實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)編號(hào)，并拷貝對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以作后來(lái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，儀器自動(dòng)記錄了螺栓擰緊過(guò)程中的“預(yù)緊力—轉(zhuǎn)角”與“扭矩—轉(zhuǎn)角”兩條曲線(xiàn)，要得出最終的“扭矩—預(yù)緊力”曲線(xiàn)（該曲線(xiàn)的斜率與扭矩系數(shù)K成正比關(guān)系），就需要將上述兩條曲線(xiàn)分別等分，準(zhǔn)確獲取曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)得數(shù)值，兩組扭矩系數(shù)的數(shù)據(jù)如表2-2：

將上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB程序后進(jìn)行數(shù)值擬合，得到兩組數(shù)據(jù)的擬合K線(xiàn)圖（圖1-1）。其中，圖1-1（a）中的十條藍(lán)色直線(xiàn)分別代表了第一組實(shí)驗(yàn)中十個(gè)孔位的“扭矩—預(yù)緊力”曲線(xiàn)；圖1-1（b）中的十條紅色直線(xiàn)分別代表了第二組實(shí)驗(yàn)中十個(gè)孔位的“扭矩—預(yù)

緊力”曲線(xiàn)。

圖1-1（a）45#擬合圖

圖1-1（b）Q235擬合圖

對(duì)上述兩幅圖對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩幅圖在形狀上并沒(méi)有太大的區(qū)別，K線(xiàn)的斜率大致相同，分布的區(qū)域也相近。另外，單獨(dú)觀察分析兩組圖發(fā)現(xiàn)，各自都出現(xiàn)了幾條偏差較大的K線(xiàn)；從表2-2中兩組實(shí)驗(yàn)中的扭矩值中也可以發(fā)現(xiàn)，在第一組中的2、8、9孔和第二組的6、7、10孔位的值都超過(guò)了0.3，與同組中其他孔位的扭矩系數(shù)值差別較大，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在散差較大的問(wèn)題。那么，這些散差問(wèn)題到底是什么原因造成的呢？下面進(jìn)行了一系列的理論分析。

圖1-2 總扭矩的分配規(guī)律

通過(guò)理論經(jīng)分析，影響上述數(shù)據(jù)散差較大的原因可能有以下兩點(diǎn)：一是孔板表面加工不均勻，未經(jīng)過(guò)統(tǒng)一鍍鋅等表面加工處理；二是孔板在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)生了細(xì)微變形。首先，電鍍鋅是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層金屬鋅的過(guò)程，換句話(huà)說(shuō)是鋅離子在鍍層表面堆積的過(guò)程，由于表面加工不均勻以及電位高低的不同就會(huì)造成鍍鋅厚度的不同，一般電鍍高低電位處鍍層厚薄差距較大。這樣由于表面加工不均勻以及鍍鋅厚度的不同，那么其表面狀態(tài)就會(huì)有很大的差異，這樣就會(huì)導(dǎo)致在不同的孔位表面摩擦系數(shù)不相同，根據(jù)公式

式中：

Tf—緊固扭矩；K—扭矩系數(shù)；Ff—初始預(yù)緊力；d—螺紋公稱(chēng)直徑

d2—螺紋中徑 ；P—螺距

μs—螺紋摩擦系數(shù)； μw—支撐面摩擦系數(shù)

α'—螺紋牙側(cè)角；—接觸支撐面外徑

dh—接觸的支撐面內(nèi)徑

Dw—支撐面摩擦扭矩的等效直徑。

可以看出扭矩系數(shù)K與摩擦系數(shù)（螺紋間摩擦系數(shù)sμ和支承面間摩擦系數(shù)wμ）相關(guān)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持其它因素不變的情況下，由于摩擦系數(shù)的不同，顯然會(huì)造成扭矩系數(shù)值的差別，因此使得扭矩系數(shù)曲線(xiàn)出現(xiàn)散差較大的情況，這一點(diǎn)在兩組實(shí)驗(yàn)中都是存在的；

其次，在螺栓被擰緊的過(guò)程中，由于孔板的微小變形，導(dǎo)致了螺母與連接件的實(shí)際接觸面發(fā)生變化，因?yàn)閿Q緊過(guò)程中摩擦力的大小與實(shí)際的接觸面積有關(guān)——實(shí)際接觸面越大，對(duì)應(yīng)的兩接觸面的摩擦力越大，反之亦然。根據(jù)夾緊力與摩擦系數(shù)關(guān)系表（如表2-3）和總扭矩的分配規(guī)律（如圖1-2）

從圖1-2中，我們可以看出在通常情況下，對(duì)螺栓所施加的總扭矩只有10%轉(zhuǎn)化為軸向夾緊力，而其它大部分都用于克服摩擦力；從表2-3中清楚的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，總扭矩轉(zhuǎn)化成的軸向夾緊力就會(huì)變化，而由前言中提到的扭矩與軸向力的轉(zhuǎn)化因子便是扭矩系數(shù)，顯然扭矩系數(shù)K必然發(fā)生了變化。這種影響對(duì)于兩組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都是存在的，對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)的干擾影響大致相同。

通過(guò)上述分析可知，孔板表面加工不均勻，未經(jīng)過(guò)統(tǒng)一鍍鋅等表面加工處理和孔板在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)生了細(xì)微變形這兩個(gè)因素在兩組試驗(yàn)中都是存在的，并且影響的程度是一致的?？梢?jiàn)，兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中散差較大的原因并不是因?yàn)槁菪敝С忻嬗捕炔煌鸬模窃囼?yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等客觀原因造成的。

為了進(jìn)一步探究?jī)山M數(shù)據(jù)的差別與螺旋副支承面硬度的關(guān)系，特將兩組共20條K線(xiàn)整合在一張圖片中（圖1-3），其中紅線(xiàn)代表墊塊材料為45#的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，藍(lán)線(xiàn)代表墊塊材料為Q234的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)比前面表2-2中兩種材料分別在不同孔位實(shí)驗(yàn)測(cè)得的扭矩系數(shù)值可以看出，除去前面提到的幾個(gè)散差較大的數(shù)據(jù)外，第二組K值略小與第一組，但是這個(gè)差異甚微，最大相差為僅為0.0386，最小相差為0.0217。從圖1-3中可以清楚的發(fā)現(xiàn)兩組實(shí)驗(yàn)擬合K線(xiàn)的分布區(qū)域

大致重合，并無(wú)明顯的差異,這一點(diǎn)也說(shuō)明了，兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中除了支承面不同外，在誤差允許的范圍內(nèi)，保證其它條件相同的情況下，所得到擬合K線(xiàn)圖是一致的。

圖1-3 兩中材料的擬合K線(xiàn)圖

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)和理論分析可以得出該對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：在排除了實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的客觀因素的問(wèn)題外，螺旋副支承面的硬度不同對(duì)扭矩系數(shù)K值的影響很小，可以略微不計(jì)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)材料為45#鋼和Q235鋼的墊板進(jìn)行十次實(shí)驗(yàn)，兩組實(shí)驗(yàn)中只是被連接件不同，其它條件均保持一致。并利用MATLAB軟件做相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理，得出螺旋副支承面硬度的差異，對(duì)高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)的影響甚微，可以忽略不計(jì)。因此，螺旋副支承面的硬度不是影響高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)的關(guān)鍵因素。

[1]賈賢安，李昊，袁皖安． 高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)影響因素的實(shí)驗(yàn)研究[J]．技術(shù)，2003．

[2]劉建文．螺栓預(yù)緊力—扭矩圖及應(yīng)用[J]．技術(shù)，2001．

TH-3

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