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    螺栓摩擦及防松研究

    2016-11-21 02:00:57王曉輝高任余超張含苗小建高建麗
    汽車實(shí)用技術(shù) 2016年10期
    關(guān)鍵詞:連接件摩擦系數(shù)摩擦力

    王曉輝,高任,余超,張含,苗小建,高建麗

    (1.陜西重型汽車有限公司,陜西 西安 710200;2. 河南駿通車輛有限公司,河南 三門峽 472000)

    螺栓摩擦及防松研究

    王曉輝1,高任1,余超1,張含1,苗小建1,高建麗2

    (1.陜西重型汽車有限公司,陜西 西安 710200;2. 河南駿通車輛有限公司,河南 三門峽 472000)

    簡要分析了車輛裝配螺栓擰緊過程,從緊固扭矩、扭矩系數(shù)、支承面摩擦力矩的等效直徑方面分析提高螺紋防松功能方法,分析螺紋松動(dòng)原因主要為受軸向載荷、徑向載荷、被連接件變形的影響。指出了常用的幾種螺紋防松措施在不同情況中的選擇和應(yīng)用。

    螺栓受力分析;螺紋松動(dòng)原因;螺紋副防松措施

    10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.063

    CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-193-03

    前言

    螺紋連接因其成本較低、連接可靠等優(yōu)點(diǎn),成為機(jī)械零部件之間應(yīng)用最廣泛的連接之一。但在變載、沖擊、振動(dòng)等動(dòng)載荷沖擊下或工作溫度有較大變化時(shí),可能會(huì)引起螺紋聯(lián)接的松動(dòng),從而造成螺紋聯(lián)接預(yù)緊力的衰減,使螺紋聯(lián)接的質(zhì)量降低,甚至造成聯(lián)接失效,出現(xiàn)設(shè)備故障,甚至引發(fā)安全事故。本文從螺栓聯(lián)接的可靠性分析,以采取相應(yīng)的防松措施,提高螺紋副連接的穩(wěn)定性。

    1、螺栓受力分析

    螺栓在擰緊過程中,自身受軸向拉力作用,材料形變分為兩個(gè)區(qū)域:彈性區(qū)及塑性區(qū),見圖1。

    對于國內(nèi)整機(jī)廠對螺栓本身的利用來說,絕大多數(shù)在螺栓擰緊方面均采用控制螺栓在彈性區(qū)域的緊固軸力,通過其力矩進(jìn)行控制。

    1.1 在螺栓彈性區(qū)域內(nèi)緊固

    在螺紋的彈性區(qū)域內(nèi),螺紋緊固扭矩:

    扭矩系數(shù):

    螺紋扭矩:

    支承面扭矩:

    式中:

    Tf—緊固扭矩,N.m;Ts—螺紋扭矩,N.m;Tw—支承面扭矩,N.m;

    Ff—預(yù)緊力,N;Dw—支承面摩擦力矩的等效直徑;K—扭矩系數(shù);

    d—螺紋公稱直徑,m;μs—螺紋摩擦系數(shù);μw—支承面摩擦系數(shù)。

    而在螺栓擰緊過程中,最終需要得到的是螺栓所施加的預(yù)緊力Ff,在生產(chǎn)現(xiàn)場沒有相關(guān)設(shè)備或檢測手段能測量預(yù)緊力的大小,只能通過檢測緊固扭矩Tf來控制預(yù)緊力Ff。

    1.1.1 緊固扭矩Tf

    螺紋緊固件擰緊時(shí),緊固扭矩轉(zhuǎn)化為3個(gè)方面的力,即緊固力、螺紋結(jié)合摩擦力及螺栓頭端面摩擦力,見圖2。

    在擰緊過程中,摩擦力對夾緊力的影響特別重要,如對螺紋涂抹潤滑油,降低螺紋的摩擦系數(shù),導(dǎo)致摩擦力減小,見圖3:

    在擰緊力矩相同的情況下,涂抹潤滑油的螺紋副所產(chǎn)生的夾緊力大于未涂抹潤滑油的螺紋副所產(chǎn)生的夾緊力。

    而此時(shí)螺栓所規(guī)定的普通要求力矩只能參考,螺紋副所形成的夾緊力有可能大于螺栓本身的屈服極限,造成螺栓斷裂。

    1.1.2 扭矩系數(shù)K

    通過式(1)中分析,在緊固力矩Tf值一定的情況下,預(yù)緊力Ff受扭矩系數(shù)K的影響。而扭矩系數(shù)K根據(jù)式(2)則是受制于螺紋摩擦系數(shù)μs、支承面摩擦系數(shù)μw及支承面摩擦力矩的等效直徑Dw。

    螺紋摩擦系數(shù)μs、支承面摩擦系數(shù)μw則由嚙合部位的狀態(tài)(表面粗糙度、表面處理、制造精度、潤滑等)影響,見表1、2。

    表1 常用螺紋摩擦系數(shù)μs

    表2 常用支撐面摩擦系數(shù)μw

    1.1.3 支承面摩擦力矩的等效直徑Dw的影響

    當(dāng)螺紋摩擦系數(shù)μs、支承面摩擦系數(shù)μw為定值時(shí),由式(2)可得,扭矩系數(shù)K由支承面摩擦力矩的等效直徑Dw確定。

    接觸的支撐面是圓環(huán)狀時(shí):

    式中:dw—接觸的支承面外徑,m;dh—接觸的支承面內(nèi)徑,m;

    如在螺紋副擰緊過程中,為增大支承面扭矩,就應(yīng)增大支承面摩擦力矩的等效直徑Dw,通過委托上海茲韋克實(shí)驗(yàn)室對公稱直徑相同的六角法蘭面帶齒螺栓和六角頭螺栓進(jìn)行“擰緊力矩與夾緊力實(shí)驗(yàn)”,通過實(shí)驗(yàn),得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果,見圖4:

    通過上圖可知,在夾緊力相同的條件下,六角法蘭面帶齒螺栓的擰緊力矩要大于六角頭螺栓的力矩,產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因就是六角法蘭面帶齒螺栓支承面摩擦力矩的等效直徑更大,多余的那部分力矩在擰緊過程中轉(zhuǎn)化為螺栓頭部的摩擦力矩,在受橫向載荷的情況下,具有更好的防松功能。

    2、螺紋松動(dòng)原因

    在靜載荷和工作溫度變化不大時(shí),緊固螺紋連接不會(huì)發(fā)生自動(dòng)松脫的現(xiàn)象,其連接是非常可靠的。如果螺紋聯(lián)接工作在沖擊、振動(dòng)、變載荷或高溫、溫度變化較大下的環(huán)境中,將會(huì)發(fā)生聯(lián)接的摩擦力和預(yù)緊力逐漸減小甚至消失的現(xiàn)象,反復(fù)多次后造成螺紋聯(lián)接松動(dòng),最后失效。

    2.1 受軸向載荷影響

    當(dāng)螺紋副受到軸向載荷作用時(shí),如果預(yù)緊力大于所受到的軸向載荷時(shí),螺栓不會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。

    而當(dāng)預(yù)緊力小于軸向載荷時(shí),大于螺栓屈服緊固軸力,引起螺栓塑性拉伸變形,螺紋接觸面會(huì)產(chǎn)生相對滑動(dòng),導(dǎo)致螺母松動(dòng),連接失效。

    為避免螺紋副松動(dòng),在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)選擇合適的預(yù)緊力,即選擇合適的螺栓。

    2.2 受徑向載荷影響

    當(dāng)?shù)穆菁y副受到垂直于軸線的橫向載荷作用時(shí),在橫向力(交變應(yīng)力)的反復(fù)作用下,使螺紋發(fā)生彈性的扭轉(zhuǎn)變形或零件接觸面之間有垂直于螺紋軸線方向的相對滑移。逐漸累積起的扭轉(zhuǎn)位移,迫使螺旋副沿螺旋方向下滑,從而逐漸使預(yù)緊力減小,甚至消失,進(jìn)而使螺紋聯(lián)接出現(xiàn)松動(dòng)。

    在夾緊力一定的情況下,為提高自鎖能力,需增大螺栓摩擦能力,在一些限定條件下(如螺栓公稱直徑、被連接件表面摩擦系數(shù)等已確定),只能增加螺紋副摩擦面積及其表面的摩擦系數(shù),如將六角頭螺栓更換為六角法蘭面帶齒螺栓,增大螺紋副支承面摩擦力。

    2.3 被連接件變形

    在螺紋聯(lián)接中,被連接件受螺紋副預(yù)緊力作用,而預(yù)緊力超過被連接件材料的屈服強(qiáng)度,在擰緊過程中產(chǎn)生塑性變形,而這種塑性變形在螺紋聯(lián)接工作中繼續(xù)存在,在某些條件下還會(huì)擴(kuò)大。正是由于這種初始變形的存在導(dǎo)致了螺紋聯(lián)接發(fā)生初始松動(dòng)。

    為避免此種現(xiàn)象出現(xiàn),需要從設(shè)計(jì)上通過計(jì)算被連接件的受力情況,選擇合適的被連接件的材料。

    3、常用的螺紋副防松措施

    通過對被連接件的受力分析,確定其受到的載荷方式,如軸向載荷、橫向載荷影響等,選擇合適的防松方式。

    3.1 增大螺紋副摩擦力矩

    現(xiàn)有大多數(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu),承受橫向載荷的螺紋副結(jié)構(gòu)比較多,增大螺紋副摩擦力矩這種防松方式應(yīng)用最廣,例如汽車前簧支架固定螺栓,在實(shí)際工作過程中,它受到橫向載荷作用。

    通過上海茲韋克實(shí)驗(yàn)室對公稱直徑相同的六角法蘭面帶齒螺栓和六角頭螺栓進(jìn)行“擰緊力矩與夾緊力實(shí)驗(yàn)”結(jié)果證明,增大螺紋副支承面半徑及表面粗糙度可增大摩擦力矩,當(dāng)其橫向載荷小于摩擦力時(shí),螺紋副不會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。

    3.2 提高螺栓的等級(jí)強(qiáng)度

    當(dāng)被連接件外形結(jié)構(gòu)、成本等因素控制時(shí),螺栓副預(yù)緊力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,可選擇提高螺紋副的等級(jí)強(qiáng)度,提高螺紋副的預(yù)緊力。避免所需要的預(yù)緊力大于螺栓的屈服極限,引起螺栓塑性變形產(chǎn)生松動(dòng)。

    3.3 機(jī)械防松

    該類防松方式是利用各種金屬止動(dòng)元件阻止螺母螺栓之間的相對運(yùn)動(dòng)。常用的機(jī)械防松方法有開口銷與六角螺母、止動(dòng)墊圈、串聯(lián)鋼絲等。此種防松方式適用于較大振動(dòng)、沖擊、高速的場合,特別是機(jī)械內(nèi)部不易檢查的場合,防松可靠,但不易拆卸。此種方式不適用我公司。

    3.4 破壞運(yùn)動(dòng)副關(guān)系防松

    這是一種永久方式方法。是通過破壞了螺紋副來達(dá)到防松目的。常用的破壞運(yùn)動(dòng)副關(guān)系防松方法有鉚合、沖點(diǎn)、釬焊等,這種方式防松可靠,但不可重復(fù)使用。此種方式不適合我公司。

    Research of Bolts’Friction and Anti-loosen

    Wang Xiaohui1, Gao Ren1, Yu Chao1, Zhang Han1, Miao Xiaojian1, Gao Jianli2
    (1.Shaanxi HeavyDuty Automobile Co.ltd, Shaanxi Xi’an 710200; 2. Henan Junton Vehicle Co.ltd, Henan Sanmenxia 472000)

    The process of bolts’tightening in automobile assembling process is analysed briefly in this article,and the research of improving Bolts’anti-loosen function is based from tightenning torque,torque coefficient and the equivalent diameter of frictional torque of sustain surface.etc;the effect of Screw thread’s loosen is mainly influnced by the axial load,the racial load and the deformation of the connection parts; and the option and application of several ways of bolts’antiloosing function is refered in this article.

    Analysis of Bolts’torque; Cause of Screw thread’s loosen; The Ways of Screw thread’s anti-loosen

    U463.8

    A

    1671-7988(2016)10-193-03

    王曉輝,(1982.10-),男,助理工程師,就職于陜西重型汽車有限公司特種車事業(yè)部,主要研究方向:汽車裝配技術(shù)。

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