螺栓摩擦及防松研究

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)。