重卡螺栓連接扭矩-預(yù)緊力關(guān)系影響因素分析

邵國強(qiáng),朱林波,洪軍,屈云鵬,張雪峰

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安; 2.陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司, 710200, 西安; 3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 100076, 北京)

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重卡螺栓連接扭矩-預(yù)緊力關(guān)系影響因素分析

邵國強(qiáng)1,2,朱林波1,洪軍1,屈云鵬1,張雪峰3

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安; 2.陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司, 710200, 西安; 3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 100076, 北京)

為了提高重卡裝配載荷的一致性水平,開發(fā)了一種高精度螺栓裝配連接試驗(yàn)臺(tái),可模擬不同材料及規(guī)格的螺栓裝配過程,實(shí)現(xiàn)扭矩法、扭矩轉(zhuǎn)角法和屈服點(diǎn)控制等擰緊策略,并實(shí)時(shí)檢測(cè)螺栓扭矩和預(yù)緊力的變化。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法規(guī)劃了6因素2水平螺栓擰緊試驗(yàn)方案,系統(tǒng)研究了6個(gè)因素(被連接件材料、螺栓等級(jí)、墊片等級(jí)、潤滑狀態(tài)、表面形貌及擰緊速度)對(duì)扭矩-預(yù)緊力關(guān)系(扭矩系數(shù))的影響規(guī)律,并通過統(tǒng)計(jì)學(xué)理論分析了各因素的顯著性和部分因子的交互作用。試驗(yàn)結(jié)果顯示:表面粗糙度和被連接件材料為扭矩系數(shù)的顯著影響因子,被連接件材料與螺栓等級(jí)、被連接件材料與潤滑情況的交互作用對(duì)扭矩系數(shù)也有較大影響,扭矩系數(shù)隨著重復(fù)擰緊次數(shù)的增加急劇減小,當(dāng)擰緊次數(shù)超過4次時(shí),扭矩系數(shù)趨于穩(wěn)定。該研究優(yōu)化了螺栓裝配工藝,從而給出提高重型卡車裝配預(yù)緊力一致性的合理建議。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法;螺栓連接;扭矩系數(shù);預(yù)緊力

螺栓連接被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)的裝配過程,其連接性能的好壞直接影響車輛產(chǎn)品質(zhì)量。重型卡車由于其行駛環(huán)境和負(fù)載較一般車輛更為復(fù)雜,對(duì)螺栓連接可靠性提出了更高要求。在重型卡車裝配流水線上,通常利用“扭矩法”控制螺栓連接的預(yù)緊力。實(shí)際操作發(fā)現(xiàn),擰緊扭矩往往可以通過擰緊工具精確控制,然而由于擰緊扭矩-預(yù)緊力關(guān)系極易受連接材料、擰緊速度、潤滑條件等因素的影響,導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力的精確控制十分困難。螺栓預(yù)緊力過大會(huì)導(dǎo)致螺栓斷裂、重卡結(jié)構(gòu)件發(fā)生塑性變形,預(yù)緊力過小會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)件松動(dòng)、分離、螺栓疲勞等問題。因此,系統(tǒng)掌握影響裝配連接扭矩-預(yù)緊力關(guān)系的影響因素,識(shí)別各因素的顯著性,進(jìn)而建立基于試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型,對(duì)精確控制螺栓預(yù)緊力,提高重型卡車裝配質(zhì)量水平是十分重要的。

螺栓扭矩-預(yù)緊力關(guān)系經(jīng)常被近似為線性,并引入扭矩系數(shù)對(duì)其進(jìn)行衡量。文獻(xiàn)[1]將扭矩系數(shù)近似為0.2,文獻(xiàn)[2]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),扭矩系數(shù)受連接件材料和結(jié)合面表面形貌的影響,并給出了不同組合下扭矩系數(shù)的近似值。為了量化表達(dá)扭矩-預(yù)緊力關(guān)系,文獻(xiàn)[3]提出一種簡化公式,該公式涉及摩擦系數(shù)、接觸壓力半徑、螺紋節(jié)距和螺紋牙型角,但并未考慮螺紋升角的影響。文獻(xiàn)[4]通過引入螺紋升角,提出了另外一種螺栓扭矩-預(yù)緊力公式,然而在螺栓摩擦扭矩計(jì)算過程中,該公式采用名義接觸壓力半徑代替真實(shí)接觸壓力半徑,忽略了接觸面壓力分布對(duì)摩擦扭矩的影響。文獻(xiàn)[5-6]提出4種典型的螺栓頭支承面和螺紋嚙合面接觸壓力分布形式,并給出對(duì)應(yīng)的接觸壓力半徑表達(dá)式,通過算例指出接觸壓力分布對(duì)接觸壓力半徑有明顯影響,特別是對(duì)螺栓頭支承面接觸壓力半徑影響尤為顯著。以此為基礎(chǔ),文獻(xiàn)[7]提出了基于均布和線性兩種壓力分布形式下的螺栓扭矩-預(yù)緊力公式,該公式通過面積積分法考慮了螺紋三維幾何形狀對(duì)摩擦扭矩及反抗扭矩的影響,為后續(xù)理解螺栓預(yù)緊力的形成提供了指導(dǎo)。然而,由于該接觸壓力分布形式依然是假設(shè)的,影響了預(yù)測(cè)公式的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[8]基于參數(shù)化有限元模型分析了材料、板厚、預(yù)緊力等因素對(duì)螺栓支承面有效半徑的影響。由此可見,眾多學(xué)者試圖通過構(gòu)建扭矩-預(yù)緊力理論模型來實(shí)現(xiàn)裝配預(yù)緊力的精確控制,然而由于假設(shè)條件的存在,其預(yù)測(cè)精度難以保證。

為了克服理論建模帶來的預(yù)測(cè)誤差,各國學(xué)者開展了裝配連接試驗(yàn)研究工作。文獻(xiàn)[9-10]等構(gòu)建了單軸螺栓擰緊試驗(yàn)臺(tái),分析了擰緊速度、螺栓表面鍍層對(duì)扭矩-預(yù)緊力關(guān)系的影響,發(fā)現(xiàn)鍍層越厚扭矩系數(shù)越大,而擰緊速度越大扭矩系數(shù)越小。此外,文獻(xiàn)[11]研究了不同表面粗糙度對(duì)扭矩-預(yù)緊力關(guān)系的影響,測(cè)量了擰緊前后表面形貌的變化,定性分析了表面粗糙度等級(jí)對(duì)扭矩-預(yù)緊力關(guān)系的影響。文獻(xiàn)[12]研究了潤滑及無潤滑狀態(tài)下不同擰緊速度對(duì)螺栓扭矩-預(yù)緊力關(guān)系的影響,指出一定擰緊扭矩下擰緊速度越大,得到的預(yù)緊力越大,且在潤滑狀態(tài)下這種影響更為顯著。文獻(xiàn)[13]利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析了潤滑狀態(tài)、被連接件加工方式、螺紋表面鍍層和擰緊次數(shù)對(duì)螺栓扭矩-預(yù)緊力關(guān)系的影響,并給出預(yù)測(cè)模型,然而由于其扭矩通過扭矩扳手控制,預(yù)緊力通過應(yīng)變片檢測(cè),無法實(shí)時(shí)檢測(cè)扭矩-預(yù)緊力的變化。文獻(xiàn)[14]利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析了螺栓連接初始松弛問題,確定了顯著影響因素,并給出了降低螺栓初始松弛的工程指導(dǎo)建議,為本文研究工作的開展提供了思路。

綜上所述,為了降低裝配預(yù)緊力的離散度,各國學(xué)者在理論與試驗(yàn)兩個(gè)方面開展了卓有成效的研究工作。然而,影響螺栓扭矩-預(yù)緊力關(guān)系的因素眾多(如幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、擰緊工藝等),一方面理論模型可定量考慮的影響因素有限,另一方面試驗(yàn)研究局限于單因素分析,缺乏系統(tǒng)多因素的顯著性及交互作用分析,難以對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)裝配連接工藝提出有效指導(dǎo)。由此,本文開發(fā)了一種高精度螺栓裝配連接試驗(yàn)臺(tái),可模擬不同材料及規(guī)格的螺栓裝配過程,實(shí)現(xiàn)扭矩法、扭矩轉(zhuǎn)角法和屈服點(diǎn)控制等擰緊策略,并實(shí)時(shí)檢測(cè)螺栓扭矩和預(yù)緊力的變化。以此,利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(DOE)規(guī)劃了6因素2水平螺栓擰緊試驗(yàn)方案,系統(tǒng)研究了6個(gè)因素(被連接件材料、螺栓等級(jí)、墊片等級(jí)、潤滑狀態(tài)、表面形貌及擰緊速度)對(duì)扭矩-預(yù)緊力關(guān)系(扭矩系數(shù))的影響規(guī)律,并通過統(tǒng)計(jì)學(xué)理論分析了各因素的顯著性和部分因子的交互作用。本研究主要目的是結(jié)合裝配預(yù)緊力的形成過程和試驗(yàn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在全面分析影響螺栓扭矩-預(yù)緊力關(guān)系因素的基礎(chǔ)上,優(yōu)化螺栓裝配工藝,從而給出提高重型卡車裝配預(yù)緊力一致性的建議。

1 高精度螺栓裝配連接試驗(yàn)臺(tái)

為了研究重型卡車不同裝配狀態(tài)下螺栓扭矩-預(yù)緊力的變化規(guī)律,本文開發(fā)了一種高精度螺栓裝配連接試驗(yàn)臺(tái),可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)螺栓裝配過程中扭矩和預(yù)緊力的數(shù)據(jù)變化,并繪制和記錄對(duì)應(yīng)的變化曲線。

1.1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

高精度螺栓裝配連接試驗(yàn)臺(tái)主要由5大模塊組成,如圖1所示,分別為機(jī)體框架、擰緊機(jī)構(gòu)、頂梁機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)升降模塊和控制模塊?？刂颇K獨(dú)立于擰緊臺(tái)安裝,可以有效消除擰緊過程對(duì)電氣系統(tǒng)的影響。擰緊機(jī)構(gòu)通過鋼絲繩和彈簧平衡器安裝于頂梁機(jī)構(gòu)的菱形梁架上,頂梁機(jī)構(gòu)通過固定角鐵安裝于機(jī)體框架頂端,工作臺(tái)升降模塊通過工作臺(tái)支撐架安裝于機(jī)體框架的底端。擰緊機(jī)構(gòu)帶有多根擰緊軸,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)4個(gè)螺栓的裝配擰緊,每根擰緊軸均配備有獨(dú)立的X、Y向絲杠,調(diào)節(jié)絲杠移動(dòng)擰緊軸,可組合出矩形、正方形、環(huán)形、正三角形、線型等多種螺栓分布形式。試驗(yàn)臺(tái)配備的4根擰緊軸均為高精度阿特拉斯擰緊軸(型號(hào)為QST 62-350COT-T50),每根擰緊軸上集成有馬達(dá)、扭矩傳感器、角度傳感器以及具備完整測(cè)量系統(tǒng)的智能CPU。每根擰緊軸的擰緊套筒可根據(jù)不同尺寸和規(guī)格的擰緊螺栓進(jìn)行替換,實(shí)現(xiàn)M8～M16外六角螺栓和內(nèi)六角螺栓的擰緊。

圖1 高精度螺栓連接試驗(yàn)平臺(tái)

本文主要關(guān)注單螺栓扭矩-預(yù)緊力關(guān)系的變化,故僅對(duì)單根擰緊軸開展試驗(yàn)研究工作。由于單軸擰緊時(shí)擰緊軸會(huì)存在一定的反力,因此設(shè)計(jì)了3套輔助夾具用于抵消擰緊過程中產(chǎn)生的反力,如圖2所示。夾具中有3組不銹鋼擰緊套筒,3根空閑的擰緊軸通過擰緊軸前端的方形凸出端與擰緊套筒的方形凹槽相配合,3組擰緊套筒均可實(shí)現(xiàn)空轉(zhuǎn),防止擰緊卡死對(duì)擰緊軸產(chǎn)生損壞。

圖2 單螺栓擰緊試驗(yàn)輔助夾具

圖3 單螺栓擰緊試驗(yàn)裝夾圖

單軸擰緊試驗(yàn)主要用于模擬單根螺栓螺母夾緊兩個(gè)被連接件。為了實(shí)現(xiàn)此目的,設(shè)計(jì)了一套試件夾具用于裝夾被連接件和螺栓,如圖3所示。墊圈式力傳感器安裝在被連接件與螺栓頭之間,整個(gè)試件夾具通過T型槽固定于試驗(yàn)臺(tái)工作臺(tái)上。該夾具可實(shí)現(xiàn)不同厚度連接件的有效裝夾擰緊,也可通過更換內(nèi)六方夾緊塊來實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)螺栓的固定。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法

擰緊軸集成了扭矩-轉(zhuǎn)角傳感器,可實(shí)時(shí)檢測(cè)擰緊扭矩和旋轉(zhuǎn)角度,并通過配套軟件Power MACS 4000完成數(shù)據(jù)采集和處理,繪制扭矩-時(shí)間曲線。通過扭矩-轉(zhuǎn)角傳感器可實(shí)現(xiàn)擰緊軸的閉環(huán)控制,精確控制輸出扭矩和擰緊速度,各擰緊軸扭矩范圍為1～250 N·m,控制精度可達(dá)±1%,各軸擰緊速度范圍為1～400 r/min。螺栓擰緊試驗(yàn)臺(tái)采用德國HBM公司的墊片式壓力傳感器(KMR-100 kN)檢測(cè)螺栓預(yù)緊力,測(cè)量精度可達(dá)1%～2%。

構(gòu)建的高精度螺栓裝配連接試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)扭矩法、轉(zhuǎn)角法、屈服點(diǎn)法等多種擰緊控制策略。由于重型卡車螺栓連接主要采用扭矩法,因此通過預(yù)設(shè)目標(biāo)扭矩來控制擰緊軸的工作。為了避免擰緊扭矩過大,導(dǎo)致螺栓斷裂失效,需要對(duì)擰緊試驗(yàn)的預(yù)設(shè)扭矩進(jìn)行預(yù)測(cè)與控制,本文預(yù)設(shè)擰緊扭矩通過螺栓目標(biāo)預(yù)緊力確定,表達(dá)式如下

T=KDFb

(1)

式中:Fb為螺栓目標(biāo)預(yù)緊力;D為螺栓公稱直徑;K為扭矩系數(shù)。

螺栓目標(biāo)預(yù)緊力一般通過螺栓材料屈服強(qiáng)度的60%確定,表達(dá)式如下

(2)

式中:σy為螺栓材料屈服強(qiáng)度;As為螺紋實(shí)際受力面積。

為了考慮螺栓重復(fù)使用次數(shù),每組螺栓重復(fù)擰緊5次,并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)每次螺栓扭矩試驗(yàn)值Te和預(yù)緊力試驗(yàn)值Fe。因此,利用下式計(jì)算不同工況下螺栓扭矩系數(shù)

(3)

2 螺栓擰緊試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

本文基于DOE方法設(shè)計(jì)了螺栓擰緊試驗(yàn)方案,旨在分析各因素對(duì)擰緊扭矩-預(yù)緊力關(guān)系影響的顯著性及其交互作用。由文獻(xiàn)[9-13]可知,被連接件材料、螺栓等級(jí)、墊片材料、潤滑狀態(tài)、被連接件表面形貌和擰緊速度對(duì)螺栓擰緊過程均有較大影響。因此,本文選取上述6個(gè)因素作為設(shè)計(jì)變量,以扭矩系數(shù)作為響應(yīng)變量。

考慮到6因素2水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)需進(jìn)行64(26=

64)次試驗(yàn),加之每組試驗(yàn)重復(fù)5次,總共需要開展320次試驗(yàn),導(dǎo)致試驗(yàn)研究成本過高。另一方面,本文主要目的是評(píng)估多個(gè)影響因素對(duì)扭矩系數(shù)影響的顯著性,部分因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)完全滿足要求。因此,本文采用部分因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,試驗(yàn)次數(shù)為16次(26-2=16),是全因素試驗(yàn)次數(shù)的1/4,每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次,共需進(jìn)行80次試驗(yàn)。該種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法可以考慮單個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,同時(shí)能夠考慮2個(gè)或3個(gè)因素的相互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.2 DOE試驗(yàn)方案

以M12×1.75螺栓、螺母及被連接件為檢測(cè)試件,每次試驗(yàn)均采用一組新試件,且每次試驗(yàn)重復(fù)5次,螺栓擰緊試驗(yàn)被連接件具體幾何參數(shù)見表1。

螺栓擰緊試驗(yàn)考察的6個(gè)因素分別用大寫英文字母A～F表示,水平用σ表示,每個(gè)因素選擇2水平,用“-1”和“1”表示,表2為螺栓擰緊試驗(yàn)DOE設(shè)計(jì)的6個(gè)影響因素及其水平。被連接件材料采用45鋼和2A12鋁合金,螺栓強(qiáng)度等級(jí)采用重卡車橋常用的8.8級(jí)和12.9級(jí),依據(jù)ISO 898-1標(biāo)準(zhǔn)可獲得兩種螺栓等級(jí)的材料屈服強(qiáng)度分別為640 MPa和1 080 MPa。以此,利用式(1)和式(2)可確定兩種螺栓等級(jí)下擰緊扭矩分別為87 N·m和145 N·m,取整后分別為90 N·m和145 N·m。試驗(yàn)采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼C級(jí)平墊片和A級(jí)不銹鋼平墊片,選擇兩種粗糙度(3.2 μm和12.5 μm)表征被連接件表面形貌的變化,每個(gè)試件表面粗糙度值均通過加工工藝保障,同時(shí)利用Talysurf PGI 3D根據(jù)GB/T 10610—2009進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。當(dāng)有潤滑要求時(shí),試驗(yàn)前采用32#潤滑油對(duì)螺栓螺母進(jìn)行油浴潤滑。試驗(yàn)時(shí)分別采用高低兩種擰緊速度實(shí)施擰緊(10 r/min和50 r/min)。

通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Minitab設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案表,試驗(yàn)設(shè)定因素?cái)?shù)目為6,選擇兩水平及1/4部分實(shí)施,從而生成試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,如表3所示。為了研究重復(fù)擰緊對(duì)扭矩系數(shù)(ki)的影響,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)擰緊5次,每次試驗(yàn)記錄扭矩?cái)?shù)據(jù)及螺栓預(yù)緊力數(shù)據(jù),并按照式(3)計(jì)算每次試驗(yàn)的扭矩系數(shù)值,最終試驗(yàn)結(jié)果如表4所示,表中ki表示第i次擰緊的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 被連接件幾何參數(shù)

表2 試驗(yàn)因素水平

表3 DOE試驗(yàn)方案

表4 扭矩系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果與討論

利用Mintab軟件對(duì)表4試驗(yàn)所得的扭矩系數(shù)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。圖4為每組試驗(yàn)第1次擰緊所得數(shù)據(jù)的因素主效應(yīng)圖。由圖4可知:隨著螺栓等級(jí)和擰緊速度的增加,扭矩系數(shù)有所降低,但降低的幅度不大;A級(jí)墊片與C級(jí)墊片相比,扭矩系數(shù)較小;通過油潤滑,可在一定程度上減小扭矩系數(shù);2A12鋁合金被連接件對(duì)應(yīng)的扭矩系數(shù)比45鋼的小,且下降的幅度較大;當(dāng)被連接件表面粗糙度增加時(shí),扭矩系數(shù)大幅增加,說明表面粗糙度對(duì)扭矩系數(shù)有顯著影響。

值得指出的是,由式(1)可知,當(dāng)輸入扭矩一定時(shí),扭矩系數(shù)越小,則獲得的螺栓預(yù)緊力越大,也就是說扭矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的比率越高。因此,當(dāng)輸入扭矩恒定時(shí),采用高螺栓等級(jí)、高墊片等級(jí)、潤滑、較高擰緊速度和較低表面粗糙度可在一定程度上得到更大的螺栓預(yù)緊力,其中被連接件表面質(zhì)量對(duì)預(yù)緊力影響尤為顯著。

圖4 因素主效應(yīng)圖

圖5為每組試驗(yàn)第1次擰緊時(shí)各單因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的Pareto圖。Pareto圖是利用t檢驗(yàn)根據(jù)給定的Alpha值來確定因子的顯著性水平,如果因子的t值超過給定的Alpha值則為顯著因子,本次分析取Alpha水平為0.1。由圖5可見,被連接件表面粗糙度為影響扭矩系數(shù)的顯著因素,在不考慮交互作用效應(yīng)下各因子顯著性從大到小的排序?yàn)?表面粗糙度,被連接件材料,螺栓等級(jí),擰緊速度,潤滑情況,墊片等級(jí)。其中,表面粗糙度、被連接件材料和螺栓等級(jí)的交互作用以及被連接件材料的影響尤為顯著。

圖5 各因素的Pareto圖

為了研究各因素低階交互作用的影響,本文采用每組試驗(yàn)第1次擰緊檢測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)造了雙因子交互作用圖(如圖6所示)。由圖6可見,各因子交互作用的影響各不相同,多數(shù)因子交互作用比較微弱,但部分因子交互作用卻十分明顯。其中,交互作用顯著的組合有:被連接件材料與螺栓等級(jí)、被連接件材料與潤滑情況、墊片等級(jí)與表面粗糙度、表面粗糙度與擰緊速度。此結(jié)論可用于指導(dǎo)重卡車橋螺栓連接裝配工藝的制定以及裝配質(zhì)量評(píng)估,以被連接件材料與潤滑情況交互作用為例,當(dāng)被連接件材料為45鋼時(shí),對(duì)螺栓連接施加潤滑將會(huì)降低扭矩系數(shù),然而當(dāng)被連接件材料為2A12鋁合金時(shí),施加潤滑反而會(huì)增大扭矩系數(shù)。如果在工程現(xiàn)場(chǎng)不考慮這些因子交互作用的影響,往往會(huì)使扭矩系數(shù)評(píng)估不準(zhǔn)確,從而導(dǎo)致最終裝配預(yù)緊力無法滿足目標(biāo)要求。

選擇影響顯著的因子及其交互作用,通過回歸分析構(gòu)建每組試驗(yàn)第1次擰緊時(shí)扭矩系數(shù)k1的預(yù)測(cè)模型為

k1=0.209-0.008 375σA-0.003σB-

0.001 375σC-0.002 25σD+0.016σE-

0.002 375σF-0.009 125σAσB+

0.003 75σAσC+0.007 625σAσD+

0.001 625σAσE

(3)

圖6 各因素交互作用圖

回歸方程的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)為92.6%,說明該預(yù)測(cè)模型有效。預(yù)測(cè)模型中σA～σF分別為各因素水平值“-1”或“1”,水平值由螺栓連接使用工況確定。此模型可用于預(yù)測(cè)螺栓給定使用工況下的扭矩系數(shù)量值。

由表4可知,每組試驗(yàn)隨著擰緊次數(shù)的增加,扭矩系數(shù)有變小的趨勢(shì)。為了便于觀察扭矩系數(shù)隨擰緊次數(shù)的變化趨勢(shì),利用拋物線方程對(duì)表4中DOE每組試驗(yàn)5次重復(fù)擰緊的數(shù)據(jù)進(jìn)行多數(shù)據(jù)函數(shù)擬合,擬合方程如下

y=0.227 26-0.020 96x+0.002 17x2

(4)

式中:x代表擰緊次數(shù);y代表擬合后扭矩系數(shù)。利用擬合方程,構(gòu)建重復(fù)擰緊次數(shù)和扭矩系數(shù)的關(guān)系曲線,如圖7所示。

圖7 扭矩系數(shù)隨擰緊次數(shù)的變化

(a)原始形貌 (b)第1次擰緊后 (c)第2次擰緊后

(d)第3次擰緊后 (e)第4次擰緊后 (f)第5次擰緊后圖8 重復(fù)擰緊后摩擦界面表面形貌

圖9 復(fù)擰緊后摩擦界面表面表面粗糙度變化曲線

由圖7可知,當(dāng)螺栓重復(fù)擰緊次數(shù)小于4次時(shí),扭矩系數(shù)隨著擰緊次數(shù)的增加大幅減小;當(dāng)重復(fù)擰緊次數(shù)大于4次后,扭矩系數(shù)趨于穩(wěn)定。此現(xiàn)象可從材料的微觀接觸層面給予解釋,從微觀尺度上觀察,材料表面實(shí)際是由大量微凸體組成,凹凸不平。因此,在螺栓擰緊初期,螺栓頭與被連接件表面、螺紋嚙合面的接觸主要發(fā)生在微凸峰上,且峰點(diǎn)接觸壓力很高。隨著擰緊過程的深入,率先加入接觸的微凸體由彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形,此時(shí)會(huì)有更多的微凸體加入到接觸中來,以此增大接觸面積,支撐夾緊力。同時(shí),隨著螺栓的回轉(zhuǎn)擰緊,接觸面微凸體逐漸被壓平。正是由于材料表面的這種微觀接觸特性,直接造成了螺栓頭與螺紋嚙合面摩擦系數(shù)的劇烈變化。隨著擰緊次數(shù)的增加,接觸面逐步變光滑,摩擦系數(shù)減小,當(dāng)達(dá)到一定擰緊次數(shù)時(shí),接觸面微凸體接觸狀態(tài)不再發(fā)生大幅變化,從而促使接觸摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定,此時(shí)扭矩系數(shù)也逐步穩(wěn)定下來。以表3第二組試驗(yàn)條件為例,本文利用LEXT OLS 4000激光共聚焦顯微鏡,在5倍鏡頭下觀測(cè)被連接件摩擦界面重復(fù)擰緊后的表面形貌,如圖8所示。以此為基礎(chǔ),利用Matlab小波工具(Bior 6.8小波基函數(shù))對(duì)檢測(cè)的表面形貌信息進(jìn)行處理,并依據(jù)GB/T 3505—2009計(jì)算相應(yīng)的界面粗糙度。圖9為重復(fù)擰緊后摩擦界面表面粗糙度變化曲線,可以看出,隨著重復(fù)擰緊次數(shù)的增加,摩擦界面粗糙度逐漸減小,說明表面形貌的高度逐漸減小,紋理趨于平滑。特別是在第4次和第5次重復(fù)擰緊后界面粗糙度下降率明顯減小,表明此時(shí)界面表面形貌趨于穩(wěn)定。因此,為了達(dá)到穩(wěn)定的裝配預(yù)緊力,建議在重卡車橋螺栓裝配過程中,采取正反擰的擰緊策略,擰緊次數(shù)為3、4次為宜。

4 結(jié) 論

(1)本文開發(fā)了一種高精度螺栓裝配連接試驗(yàn)臺(tái),可模擬不同材料及規(guī)格的螺栓裝配過程,實(shí)現(xiàn)扭矩法、扭矩轉(zhuǎn)角法和屈服點(diǎn)控制等擰緊策略,并實(shí)時(shí)檢測(cè)螺栓扭矩和預(yù)緊力。

(2)利用DOE方法規(guī)劃了6因素2水平螺栓擰緊試驗(yàn)方案,系統(tǒng)研究了各因素(被連接件材料、螺栓等級(jí)、墊片等級(jí)、潤滑狀態(tài)、表面形貌及擰緊速度)對(duì)擰緊扭矩-預(yù)緊力關(guān)系(扭矩系數(shù))影響的顯著性及其交互作用,構(gòu)建了扭矩系數(shù)預(yù)測(cè)模型,分析了重復(fù)擰緊次數(shù)對(duì)扭矩系數(shù)的影響規(guī)律。

(3)研究發(fā)現(xiàn),表面粗糙度和被連接件材料為扭矩系數(shù)的顯著影響因子,被連接件材料與螺栓等級(jí)、被連接件材料與潤滑情況的交互作用對(duì)扭矩系數(shù)有顯著影響,當(dāng)擰緊次數(shù)超過4次時(shí),扭矩系數(shù)趨于穩(wěn)定。因此,在重卡車橋螺栓裝配過程中應(yīng)重視各因子的交互作用,建議在螺栓裝配過程中,采取正反擰的擰緊策略,擰緊次數(shù)為3、4次為宜,以此減小重卡車橋裝配預(yù)緊力的離散性,提高裝配性能的一致性水平。

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(編輯 杜秀杰)

The Factors Influencing Torque-Preload Relationship of Bolted Joints in Heavy Truck

SHAO Guoqiang1,2,ZHU Linbo1,HONG Jun1,QU Yunpeng1,ZHANG Xuefeng3

(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Shaanxi Automobile Group Co. Ltd., Xi’an 710200, China;3. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

To improve the load consistency in heavy truck assembly, a high-precision fastening instrument is developed to simulate bolted assemblies with various materials and sizes. This instrument enables to control the tightening process with torque, torque-turn, or torque-to-yield strategy. The tightening torque and the preloading force can be measured in real time. Adopting the design of experiment (DOE) method, a tightening tests program, characterized by six variables with two levels each, is designed to investigate the influence of six factors on the torque-preload relationship (nut factor) in bolted joints. These factors include joint materials, fastener class, gasket grade, lubrication, surface roughness, tightening speed and repeated tightening. The effects of these factors on the nut factor and their interactions are evaluated with statistic technique. The results show that the surface roughness and the joint materials are the major factors affecting the nut factor; the interactions between the joint materials and the gasket grade and the interactions between the joint materials and the lubrication also exert considerable influence. The nut factor decreases rapidly with the tightening times, and it remains stable after four tightenings.

design of experiment; bolted joints; nut factor; preloading force

2015-03-19。

邵國強(qiáng)(1971—),男,博士生;洪軍(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51421004);國家“863計(jì)劃”資助項(xiàng)目(2012AA040703)。

時(shí)間:2015-08-18

10.7652/xjtuxb201510003

TH131

A

0253-987X(2015)10-0014-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150818.0926.006.html