螺紋緊固件摩擦系數(shù)的影響因素試驗研究

倪晉挺

(安徽機電職業(yè)技術學院 汽車工程系,安徽 蕪湖 241002)

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螺紋緊固件摩擦系數(shù)的影響因素試驗研究

倪晉挺

(安徽機電職業(yè)技術學院 汽車工程系,安徽 蕪湖 241002)

摘要：螺紋緊固件在汽車上的應用極為廣泛，螺紋聯(lián)接的可靠性主要取決于螺栓的軸向預緊力，而且螺紋副之間的摩擦系數(shù)對裝配扭矩的大小也起到關鍵的作用，在螺紋聯(lián)接中，影響緊固件摩擦系數(shù)的因素比較多。主要從墊片硬度、潤滑條件、裝配工藝、配合螺母的表面處理方式4個方面分析對緊固件摩擦系數(shù)的影響。

關鍵詞：螺紋緊固件；摩擦系數(shù)；潤滑條件；裝配工藝；表面處理方式

緊固件是機械行業(yè)不可缺少的通用零件，主要包括螺紋緊固件、墊圈、銷和鉚釘?shù)?。汽車作?個裝配型的產(chǎn)品，平均每輛轎車的緊固件約有1 500個，其中，高強度螺栓的價值占全車的3%～5%，因此，緊固件的作用是非常重要的，且緊固件的連接質(zhì)量對主機水平及整車質(zhì)量具有重要影響。螺紋聯(lián)接的可靠性主要取決于螺栓的軸向預緊力，螺栓的軸向預緊力通常只能通過控制擰緊扭矩或轉角來實現(xiàn)，而螺栓的軸向預緊力不僅僅取決于擰緊扭矩或轉角，還受到聯(lián)接副摩擦性能的影響，而且螺紋副之間的摩擦系數(shù)對裝配扭矩的大小起到關鍵的作用。由于摩擦系數(shù)的變化，加上接觸面及螺紋上的幾何差異以及緊固工具的不準確，使預緊力有一定的分散性，摩擦系數(shù)的變化對預緊力的影響很大，它是影響扭矩和預緊力一致性的重要因素。摩擦系數(shù)是通常意義上的物理概念，是摩擦力與正壓力的比值。在螺紋聯(lián)接中，摩擦可分為端面摩擦和螺紋副摩擦兩部分，由于這兩部分的摩擦條件不同，因而存在端面摩擦系數(shù)μb和螺紋副摩擦系數(shù)μth。摩擦系數(shù)因材質(zhì)、表面狀況及潤滑條件的不同而不同[1]。影響緊固件摩擦系數(shù)的因素較多，各種因素的影響程度又有不同，本文對此進行了試驗研究。

1試驗原理

螺紋緊固件在彈性區(qū)內(nèi)的緊固扭矩與預緊力的關系[2]

(1)

式中：K為扭矩系數(shù)；T為緊固扭矩，N·m；Tth為螺紋扭矩，N·m；Twb為支撐面扭矩，N·m；F為軸向預緊力，N；d為螺紋公稱直徑，mm。

由式(1)可知，螺紋扭矩和端面扭矩之和即為緊固扭矩，因此,只要測得三者之間的任意兩者，就可以求出第三者。

根據(jù)克萊曼和克林的緊固扭矩T的公式，可以得到

(2)

式中：T為緊固扭矩，N·m；F為緊固軸力，N；P為螺距，mm；μth為螺紋摩擦系數(shù)；μb為螺母或螺栓頭部底下的支承面摩擦系數(shù)；d2為螺紋中徑，mm；D0為支承面外徑，mm；dh為螺栓通過的墊圈或支承零件的孔徑(公稱值)，mm。

總摩擦系數(shù)μtot可由緊固扭矩和預緊力的比值得出，近似的公式為

(3)

由式(3)知，只要測得緊固扭矩T和緊固軸力F，就可求得總摩擦系數(shù)μtot；螺紋間的摩擦系數(shù)μth可由螺紋扭矩和預緊力的比值得出，近似的公式為

(4)

由式(4)可知，只要測得螺紋扭矩Tth和緊固軸力F，就可求得螺紋摩擦系數(shù)μth。

支承面摩擦系數(shù)μb可由支承面摩擦扭矩和預緊力的比值得出，近似的公式為

(5)

由式(5)可知，只要測得端面扭矩Tb和緊固軸力F，就可求得端面摩擦系數(shù)μb。本文的各組試驗采用的試驗設備為Schatz多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備總扭矩/角度傳感器和軸向力/螺紋扭矩傳感器，可以直接測量到螺栓緊固過程中產(chǎn)生的總扭矩、軸向力和螺紋扭矩[3-4]。通過對總扭矩、軸向力和螺紋扭矩3個量的測試，可以直接計算出螺栓總摩擦系數(shù)μtot，螺栓端面摩擦系數(shù)μb，螺紋摩擦系數(shù)μth以及扭矩系數(shù)K。

2試驗方案及結果分析

2.1試驗墊片硬度的不同對摩擦系數(shù)的影響

試驗所用螺栓為M6×1的8.8級鍍彩鋅六角法蘭面螺栓，螺母為與螺栓材料、表面處理狀態(tài)相同的8級螺母，試驗墊片硬度分別為53.5 HRC、36.0 HRC以及硬度較低鋁制墊片。試驗采用扭矩法測試[5-6]，將螺栓最終扭矩設定在11 N·m,每組試驗均有10副螺栓螺母連接副，取每組試驗結果的平均值(見表1)。

表1　不同硬度的試驗墊片試驗結果比較

通過對3種硬度不同試驗墊片的試驗數(shù)據(jù)的比較顯示，在總扭矩不變的情況下，隨著試驗墊片硬度的降低，測得的摩擦系數(shù)μtot，μth，μb均呈逐漸增大趨勢，尤其是端面摩擦系數(shù)增加更為明顯。端面摩擦系數(shù)變大致使螺栓在裝配時頭部消耗的扭矩增大，同時對應的預緊力降低，這樣將會致使螺栓連接達不到鎖緊的功能，造成連接副松動。

本試驗采用M10×1.25的8.8級鍍白鋅六角法蘭面螺栓，標準試驗墊片為與螺栓材料、表面處理狀態(tài)相同的8級螺母，采用的潤滑油型號SL5W-40。試驗采用扭矩法測試，將螺栓的最終扭矩設定在80 N·m,每組試驗均有7副螺栓螺母連接副，取每組試驗結果的平均值(見表2)。

表2　不同硬度的試驗墊片試驗結果比較

注：狀態(tài)1：端面、螺紋均不潤滑；狀態(tài)2：端面潤滑、螺紋不潤滑；狀態(tài)3：端面不潤滑、螺紋潤滑： 狀態(tài)4：端面、螺紋均潤滑。

2.2螺栓不同潤滑條件對摩擦系數(shù)的影響

由試驗結果可知，螺栓端面、螺紋部分均潤滑比均不潤滑時的摩擦系數(shù)降低42%～62%，扭矩系數(shù)降低48%，可見螺栓的潤滑狀況對摩擦系數(shù)的影響很大。螺栓端面和螺紋部分的潤滑狀態(tài)改善，能大幅度降低螺栓的摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)。而且螺栓的潤滑部位不同，得到的摩擦系數(shù)也會有很大變化，潤滑部位越是全面，摩擦系數(shù)會越小。摩擦系數(shù)的減小，直接關系到連接副的緊固軸力，在裝配扭矩不變的情況，得到的緊固軸力就會越大，潤滑工藝的不同也會對連接副的軸向力產(chǎn)生不同的影響[7-9]。

2.3螺栓不同裝配工藝對摩擦系數(shù)的影響

本試驗用的螺栓為M10×1.5的10.9級磷化處理的內(nèi)六角缸蓋螺栓，采用特殊加工的鋁合金墊片和缸體螺紋副模擬缸蓋螺栓的現(xiàn)場裝配，試驗采用40 N·m+90°+90°的扭矩轉角法和將螺栓擰緊至屈服的屈服點控制法裝配工藝進行試驗，每組試驗用10 套連接副測試，取每組試驗結果的平均值(見表3)。

表3　不同裝配工藝的試驗結果比較

通過對缸蓋螺栓采用不同的裝配工藝測得的試驗數(shù)據(jù)的比較可以看出，兩種裝配工藝連接副的軸向力基本一致，均符合該螺栓的設計要求。屈服點控制法測得的總摩擦系數(shù)、螺紋摩擦系數(shù)、端面摩擦系數(shù)以及扭矩系數(shù)均比扭矩轉角法有所降低，而且屈服點控制法所需的總扭矩比轉角法降低了約9.8%，摩擦系數(shù)的降低直接導致螺栓總扭矩的降低，由此可以得出，緊固件裝配工藝的不同得到的螺栓緊固特性值也不同。

2.4不同表面處理、不同廠家的螺母對摩擦系數(shù)的影響

本試驗采用M10×1.5的10.9級達克羅處理的螺栓、標準試驗墊片、A廠家鍍彩鋅和鍍黑鋅的8級螺母、B廠家鍍彩鋅的8級螺母，由于螺母級別低于螺栓級別，為了防止試驗過程中螺母滑牙，特采用設定緊固軸力為36.10 kN進行試驗，每組試驗用5套連接副進行測試，取每組試驗結果的平均值(見表4)。

表4　不同裝配工藝的試驗結果比較

從試驗結果可以看出，A廠家鍍黑鋅螺母與本試驗選取的10.9級達克羅處理的螺栓配合的螺紋副測得的螺紋摩擦系數(shù)、總摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)均比鍍彩鋅的螺母連接副低，A廠家鍍彩鋅螺母連接副測得的總摩擦系數(shù)和螺紋摩擦系數(shù)比B廠家鍍彩鋅螺母連接副的低，端面摩擦系數(shù)高，扭矩系數(shù)相同。由此可知，即便在同一制造廠家生產(chǎn)同一規(guī)格同一級別的螺母，采用不同的表面處理方式，得到的螺紋摩擦系數(shù)和總摩擦系數(shù)也不同，同一規(guī)格同一級別同一表面處理方式，不同的生產(chǎn)廠家得到的螺紋摩擦系數(shù)、端面摩擦系數(shù)和總摩擦系數(shù)也不同。

3結論

通過多組摩擦系數(shù)測試結果的綜合分析，可以得出以下結論：

1)隨著試驗墊片硬度的降低，螺紋緊固件的摩擦系數(shù)會變大；

2)螺栓的潤滑狀況對摩擦系數(shù)的影響很大，潤滑部位不同，摩擦系數(shù)會有很大變化，潤滑部位越是全面，摩擦系數(shù)會越??；

3)在保證連接副軸向力不變的情況下，采用不同的裝配工藝得到的螺栓摩擦系數(shù)也不同；

4)同一廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的螺母采用不同的表面處理方式得到的摩擦系數(shù)不同，不同廠家生產(chǎn)的同一規(guī)格同一表面處理方式的螺母得到的摩擦系數(shù)也不同。

綜上，螺紋緊固件的摩擦性能取決于連接副結合面的狀況、潤滑條件、實際裝配工藝、表面處理等相關工藝因素，它直接決定了螺栓強度利用率的高

低、扭矩控制工藝投資、裝配質(zhì)量的評定等[2]。因此，螺紋緊固件的摩擦性能是決定螺紋聯(lián)接質(zhì)量和可靠性的重要方面，也是機械產(chǎn)品設計、材料及制造工藝技術水平的綜合體現(xiàn)。

參考文獻

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[責任編輯：郝麗英]

Experimental study on the factors affecting the friction coefficient of threaded fasteners

NI Jinting

(Department of Automotive Engineering,Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhu 241002，China)

Abstract：Threaded fasteners are widely used in automobiles.Screw connection reliability depends on the axial bolt preload.Friction coefficient between vice thread plays a key role in the size of the assembly torque.There are many factors that affect the friction coefficient of fasteners.This paper analyzes the impact of the fastener friction coefficient from four aspects，mainly including gasket hardness,lubrication,assembly process and the treatments of nut surface.

Key words：threaded fastener; friction coefficient; lubrication; assembly process; surface treatment

DOI:10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.03.007

收稿日期：2016-01-16

基金項目：安徽省質(zhì)量工程項目大學生創(chuàng)客實驗室建設計劃(2015ckjh144)

作者簡介：倪晉挺(1983-)，男，講師，研究方向：汽車懸架.

中圖分類號：TH131.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-4679(2016)03-0026-03