摩擦系数对螺栓联接性能的影响
摩擦系数对螺栓联接性能的影响
螺纹连接是汽车制造技术中使用最广泛的连接方式,螺纹连接质量直接影响到汽车装配质量和行
驶可靠性[1].而影响螺纹联接可靠性的因素有材料、摩擦系数、紧固件加工方法等[2].我国传统
汽车产品的螺纹联接一般基于经验设计,对螺纹紧固件没有明确的摩擦性能要求,螺栓轴向预紧
力分散,联接可靠性较差,经常发生松动、断裂等质量问题[3].国标里缺乏车用螺栓的摩擦系数的
标准规范, 一些汽车厂商将摩擦系数控制在 0. 13 ±0. 03 和0. 18 ~ 0. 3 这两个范围[4-5].微车中的
连接螺栓多用六角头或六角法兰电镀锌螺栓、达克罗螺栓[6]等,国内对于微车的常用高强度螺
栓的摩擦系数对其联接性能的影响缺乏深入研究.
从控制螺栓扭矩系数稳定性、防松脱两个方面分析了摩擦系数对其联接特性的影响,并通过实验
验证,提出了摩擦系数控制范围的建议.
1 摩擦系数对螺栓联接性能的影响
1. 1 摩擦系数对扭矩系数的影响
装配螺栓大多使用扭矩法[7],扭矩系数是宏观反应轴向夹紧力与拧紧扭矩的线性关系[8].而摩擦
系数是一个材料常数,当接触面的材料、表面状态一致时,摩擦系数基本不变.
国家标准 GB/T16823. 3 - 2010《螺纹紧固件紧固通则》中指出,扭矩的计算公式为
T = Tw+ Ts+ Tf= KFfd ( 1)
扭矩系数的计算公式为
K =1/2d(P/π+ μsd2secα' + μwD)w= K1+ K2+ K3 ( 2)
式中: 克服螺栓头摩擦消耗的扭矩 Tw=1/2FfμwDw; 克服螺纹摩擦消耗的扭矩 Ts= Ffμsd2/2cosα';
转化为预紧力的扭矩 Tf= FfP/2π.
螺栓的扭矩系数也可分为 3 个部分: 螺栓头部扭矩系数 K1=1/2dμwDw, 螺纹扭矩系数
K2=1/2dμsd2/cosα', 预紧力扭矩系数 K3=P/2πd.
扭矩转化率的计算公式为
η =K3/K1+ K2+ K3=P / ( 2π)/μwRw+ μsr2secα' +P2π ( 3)
式中: K 为扭矩系数; P 为螺距,mm; d 为螺纹公称直径,mm; d2 为螺纹中径,mm; μs 为螺纹摩擦系
数;α'为螺纹牙侧角,°; μw 为支撑面摩擦系数; Dw 为支撑面等效摩擦直径,mm,Ff 为轴向预紧
力,kN.在螺栓拧紧实验中, 通常将螺纹摩擦系数 μs 与支撑面摩擦系数 μw 近似相等,以总摩擦系
数μ 来表征不同装配螺栓的摩擦系数.
轴向预紧力稳定,螺栓联接性能好.而扭矩系数的散差过大,不利于螺栓的可靠服役.由式( 2)可以
看出,紧固件的摩擦系数散差与扭矩系数散差呈同方向变化的.在微车批量装配螺栓的条件下,根
据不同供应厂商提供的高强度螺栓,同一型号各个螺栓的摩擦系数存在散差,若摩擦系数散差过
大,则可能导致扭矩系数散差过大,轴向预紧力分散,螺栓联接会过早地失效,所以要控制同种高强
度螺栓摩擦系数的散差.
拧紧螺栓需要克服摩擦力的作用,消耗拧紧力矩的能量一部分为克服螺栓头摩擦力矩消耗的能
量,一部分为克服螺纹摩擦力矩消耗的能量,剩下的转换为保持螺栓预紧力所需要的能量[9]. 取d
=10 mm,α' = 30°,P = 1. 25 mm, 查GB / T196 - 2003 得到,d2= 9. 188 mm,.μs= μw= 0. 10,μs= μw= 0.
15,μs= μw= 0. 20,μs= μw=0. 30 时扭矩的分布情况[10], 如表 1 所示.
由表 1 可知, 摩擦所决定的力矩要占 90% 左右, 而用于产生螺栓预紧力的力矩仅占 10% 左右,拧
紧力矩中大部分能量都被摩擦消耗.摩擦系数大,摩擦消耗的能量就越多,装配扭矩转换为预紧力
的比例就小.从能量利用率上说,摩擦系数越小,扭矩的利用率越高,同时,对高强螺栓的工艺和拧紧
设备的要求更加严格,成本也更高.
从式( 3) 可看出,随着紧固件支撑面的摩擦系数和螺纹摩擦系数减小,扭矩转化率增大,说明摩擦
系数小有利于能量利用.根据式( 3) 绘制出扭矩转化率的三维图和平面图( 图1 、图2) .
可知摩擦系数越小,对扭矩系数的影响越大, 但当支撑面摩擦系数超过0. 18,螺纹摩擦系数超过0.
23 时,摩擦系数对扭矩系数的影响不大. 当控制螺栓的摩擦系数小于 0. 18 时,更应该控制摩擦系
数的散差.
1. 2 摩擦防松机理
变载荷、振动和冲击是造成螺纹紧固件松动的主要因素[11].微车在行驶过程中,其螺栓都处于振
动、冲击、磨损或者高温的环境中,由于各零件的惯性和与其相连零件的相互作用,使螺纹的摩
擦系数急剧降低,甚至出现摩擦阻力瞬时消失,破坏原有的平衡关系,使螺纹副不能满足自锁条件,
产生微量的相对滑动,多次相对滑动累加,就会导致预紧力减小,最终连接松动[10].
摩擦所决定的力矩要占 90% 左右,上述环境的变化,都对摩擦所决定的力矩造成大的波动,所以在
联接中,要保持稳定的摩擦系数,才不致使拧紧力矩迅速降低而产生松动.同时摩擦系数越大,摩擦
阻力也越大,螺栓联接松动的可能性就越小[12],有利于提高螺栓的防松性能.
2 实例
以上理论分析可知摩擦系数是影响扭矩系数的主要因素之一[13].扭矩系数是一个经验参数,影响
扭矩系数的原因有很多,即使一批螺栓的摩擦系数恒定,扭矩系数也不可避免地出现散差.是否对
摩擦系数进行控制,控制到哪个程度,控制摩擦系数能否使扭矩系数稳定,需要实验进一步探索.
螺栓的摩擦系数小,有利于更多的能量转换为轴向预紧力,提高扭矩的利用率,但是摩擦系数大,能
提高摩擦系数的防松性能.对摩擦系数的控制范围需要进一步实验研究.而目前有些汽车厂商将
摩擦系数控制在 0. 13 ±0. 03 和0. 18 ~0. 3 两个范围,所以, 针对这 2 组摩擦系数的范围,综合控制
扭矩系数的稳定性和保证防松性能两个因素,对摩擦系数的控制范围进行分析.
2. 1 摩擦系数对扭矩系数稳定性影响的实验
实验采用Schatz 多功能螺栓紧固分析系统,该系统可以测量出螺栓的极限强度、螺栓拧紧过程
中的夹紧力、螺纹副上的扭矩等. 实验严格按照 GB/T16823. 3-2010 实施.
以控制摩擦系数在 0. 13 ± 0. 03 范围的电镀锌螺栓和未控制摩擦系数的电镀锌螺栓[14]为实验对
象,通过紧固件拧紧实验分析两种螺栓的扭矩系数散差.试验螺栓统一为六角头螺栓,螺母为六角
法兰螺母, 螺栓型号为 M10 × 1. 25 × 60,强度等级为10. 9 级, 螺母型号为 M10 × 1. 25, 相应等级为
10 级.两者表面处理方式相同, 处理后螺栓与螺母采用6H/6g 配合. 垫块板厚为3 mm,机械加工后
表面粗糙度为 3. 2 μm,锐角倒钝.
每组按照不同的连接部位进行50 次实验,通过 Matlab 软件对记录的数据分别进行正态分布拟合
[15], 如图3, 图4,并计算两种螺栓的扭矩系数和强度极限的均值、标准值和变异系数[16].将扭矩
系数和极限强度制成分布盒图, 如图5, 图6 所示.
从图3,图5 可以看出控制摩擦系数后的扭矩系数的正态分布更为集中,而未控制摩擦系数的扭矩
系数的正态分布则分散. 从表 2 可以看出,控制前扭矩系数大多分布在 0.43 左右,而控制后扭矩系
摘要：
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摩擦系数对螺栓联接性能的影响螺纹连接是汽车制造技术中使用最广泛的连接方式,螺纹连接质量直接影响到汽车装配质量和行驶可靠性[1].而影响螺纹联接可靠性的因素有材料、摩擦系数、紧固件加工方法等[2].我国传统汽车产品的螺纹联接一般基于经验设计,对螺纹紧固件没有明确的摩擦性能要求,螺栓轴向预紧力分散,联接可靠性较差,经常发生松动、断裂等质量问题[3].国标里缺乏车用螺栓的摩擦系数的标准规范,一些汽车厂商将摩擦系数控制在0.13±0.03和0.18~0.3这两个范围[4-5].微车中的连接螺栓多用六角头或六角法兰电镀锌螺栓、达克罗螺栓[6]等,国内对于微车的常用高强度螺栓的摩擦系数对其联接性能的影响缺...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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时间：2023-03-04
