张和平 王晓斌 莫易敏 满健康 王赓 陈璟

（武汉理工大学机电工程学院 武汉 430070）

0 引 言

近年来，随着我国汽车产品及相关工艺技术的引进与消化吸收，人们对螺纹紧固件的认识逐渐加深，尤其是对螺纹紧固件质量、螺栓拧紧速度控制等尤为重视.在装配过程中通过控制螺栓拧紧速度来有效的控制螺栓摩擦系数，从而减少转矩系数的分散，提高螺栓使用性能.

本文采用转矩控制法来间接实现轴向力控制，在实验过程中通过对不同拧紧速度对螺纹紧固件摩擦系数和转矩-预紧力关系进行了实验分析，得出拧紧转速对摩擦系数和转矩系数具有较大影响，因此在整车装配过程中，控制拧紧速度对提高螺栓使用效能具有重大意义.

1 螺栓联接理论分析

拧紧螺栓联接时，螺纹紧固件的拧紧力矩大部分是用来克服由于螺纹摩擦和支撑面摩擦而产生的力矩，仅少部分的转矩转化为螺栓拧紧所需轴向预紧力.影响预紧力的主要因素除了使用的工具及拧紧方法外，还有紧固件的摩擦系数.

而影响摩擦系数的因素主要有拧紧速度、表层处理性质、表面粗糙度、加工精度、温度等.本文主要研究拧紧速度对摩擦系数的影响.图1为控制螺栓拧紧速度时拧紧转矩分配示意图.

图1 螺栓拧紧转矩分配

1.1 拧紧速度对摩擦系数的影响理论分析

在螺栓拧紧过程中，接触表面会产生相对滑动，必然会引起接触表面产生摩擦，导致接触面磨损，改变摩擦面的温度.拧紧速度较低时，紧固件的磨损主要以磨粒磨损和轻微塑性变形及犁沟为主，此时接触表面的温度较低，不易形成氧化膜，在拧紧时候接触表面容易产生粘着，摩擦系数较大；随着拧紧速度提高及磨损时间的增加，导致强烈磨损，摩擦接触面因大量摩擦热使表层元素发生转移，不同生成膜的生成导致了材料表面性质及接触表面的接触状况的改变，材料耐磨性因此发生改变，从而影响摩擦系数.拧紧速度越高，由接触表面相对滑动使接触表面的温度增加也越明显，紧固件更容易产生变形，达到稳定且相对较低的摩擦系数.由经验公式：

式中：μ0 为静摩擦系数；v为转速；c为常数.

根据公式可知，随着拧紧速度的增加，摩擦系数随之减小.同时在拧紧过程中，拧紧转矩转化为轴向预紧力对摩擦的影响主要在于形成的摩擦膜上，低速时摩擦膜上产生很多裂纹摩擦系数较大，拧紧速度提高时，摩擦膜较为完整，此时摩擦系数小，所以摩擦系数随预紧力的增加而减小［1］.

目前针对螺纹副摩擦系数的检测设备主要是德国多功能螺栓紧固分析系统.下列公式按照国标GB／T16823.3-2010得出［2］，总摩擦系数计算公式

式中：P为螺距；d2为螺纹中径mm；Db为支承面摩擦的有效直径，mm；D0为支承面外径，mm；dh为与螺纹接触的孔径，mm.

螺纹摩擦系数：

支承面摩擦系数：

1.2 摩擦系数对转矩系数影响理论分析

螺栓的转矩系数宏观上直接反映螺栓拧紧过程中的转矩与轴力之间的系数，它不仅取决于摩擦系数，还取决于螺纹连接副的几何形状.国家标准GB／T 16823.2-1997《螺纹紧固件紧固通则》［3］中明确指出，转矩系数K可用下式表达：

式中：d为螺纹公称直径mm；α为螺纹牙侧角.

从式（4）中可以看出，转矩系数决定了在上紧转矩的转化中轴向力所占的比例.由式（5）可知，转矩系数是由螺纹常数和摩擦系数共同决定的.因此，转矩系数对螺栓紧固的研究非常重要.

2 试验研究

2.1 试验材料

试验螺栓统一为六角头螺栓，螺母为六角法兰螺母，两者表面处理方式相同，处理后螺栓与螺母采用6 H／6g配合.被连接材料为45＃，板厚为3mm，机械加工后表面粗糙度为3.2，锐角倒钝.其他参数见表1.

表1 试验材料属性

2.2 试验方法

为提高螺栓联接质量，汽车装配过程中广泛采用计算机控制综合拧紧技术，此技术可以对拧紧过程施行自动控制，又可对拧紧的结果进行监测.就目前技术而言，转矩控制法具有控制系统简单，易于用扭力传感器或高精度的转矩扳手来检查拧紧的质量且成本较低等优点.

本试验利用德国多功能螺栓紧固分析系统对紧固件进行试验，试验台架有3个传感器分别测出转角、转矩、轴向预紧力3个参量.通过上述公式的计算软件可以获得以下参数：转矩系数、摩擦面系数（总摩擦系数、螺纹摩擦系数、支撑面摩擦系数）、屈服点轴力、屈服点转矩、转角、最大转矩和最大扭力.转矩控制法就是利用转矩与预紧力的线性关系在弹性区进行紧固控制的一种方法，该方法在拧紧时，只对一个确定的拧紧转矩进行控制，拧紧转矩与转角的关系如图2所示.

2.3 试验数据处理与结果分析

试验利用德国Schatz公司研制的多功能螺栓紧固分析系统，将螺栓固定，对螺母在相同拧紧速度15r／min的情况下进行五组实验；扭紧装置对螺母施加线性增加的转矩（直到200N·m 左右停止），仪器自动记录螺栓轴向预紧力随着转矩增加而变化的曲线.接着换一对螺栓螺母，用孔板上的2号孔装配，重复上述实验过程至5次.同理将拧紧速度设置为30，45，50，55，60r／min，在各种拧紧速度下进行五组试验，仪器分别记录其数据.表2为紧固件在不同拧紧速度时的均值数据.

图2 紧固件拧紧转矩变化示意图

表2 紧固件在不同转速下的均值数据

根据表2中的数据，分别作出紧固件在不同拧紧速度下紧固件摩擦系数与转矩系数的直方图如图3、图4.通过分析可以得出：

1）随着紧固件拧紧速度的增大，总摩擦系数缓慢减小至趋于0.12，螺纹摩擦系数逐渐减小.拧紧速度从30r／min提高至45r／min，总摩擦系数与螺纹摩擦系数减幅较大，通过数据可知紧固件拧紧速度对摩擦系数有较大影响，并且在较高拧紧速度条件下摩擦系数减幅比较低速度条件下要小.试验结果表明，当拧紧转矩趋于屈服转矩时，摩擦系数随拧紧速度的增大而减小，并逐渐趋于稳定.且当速度为55，60r／min时，摩擦系数达到了0.12，非常符合欧洲汽车装配过程中对紧固件摩擦系数控制范围，其范围为0.07～0.12.

由图4可见，紧固件拧紧速度较低条件下的转矩系数明显高于较高速度状态下的转矩系数.当对紧固件拧紧速度控制为15r／min时，紧固件的转矩系数在0.25左右，轴向预紧力为72.05kN；当对紧固件的拧紧速度提高到60r／min时，紧固件的转矩系数在0.15左右，轴向预紧力为85.11kN；轴向预紧力增幅较大.由转矩计算公式可知转矩系数决定了在拧紧转矩的转化中轴向预紧力所占的比例，当拧紧转矩趋于屈服转矩时，转矩系数K值越小，对应转化为轴向预紧力的值也较大，轴向联接可靠性较高，保证了螺栓的可靠服役.

图3 不同拧紧速度下螺栓的摩擦系数

图4 不同拧紧速度下螺栓的转矩系数

2）由实验数据分析可知，随拧紧速度的增加，摩擦系数总体上减小.从两方面阐述原因：（1）由实验数据可知，拧紧速度较低时，拧紧转矩转化成的轴向预紧力较小，此时摩擦系数比较大，这是由于镀层与联接件的粘结力较小，容易发生脱落.同时紧固件实际接触面积比较少，脱落的镀层会增大接触面的粗糙度，使摩擦系数增大.在拧紧速度较大时，拧紧转矩转化成的轴向预紧力较大，合适的轴向预紧力有助于紧固件与被联接件之间的润滑抑制接触面的粗化，导致摩擦系数必然减小［4］；（2）另一方面，因为在紧固件的拧紧过程，拧紧速度引起接触表面发热和温度的变化使摩擦副表面材料的性质和接触状况发生改变，从而影响摩擦系数.当拧紧速度较低时，接触表面的摩擦热影响小，此时摩擦表面不易形成氧化膜，在实际接触表面容易产生粘着，导致摩擦系数较大；当拧紧速度增大时，接触表面由于摩擦而升温，分子热运动使粘着点剪切强度减少，摩擦系数降低.

3 拧紧速度对螺栓许用强度的影响

普通螺栓联接，在拧紧螺母时，螺栓不仅受到预紧力F产生的拉应力σ，还受到了转矩T产生的切应力τ，螺栓处于拉伸和扭转的复合作用，对于普通螺纹螺栓，应用第四强度理论［5］，计算螺栓危险剖面的当量应力为

由式（6）可知，受预紧力的普通螺栓，预紧后受复合应力，在计算强度时可将拉应力增大30%，当作只受轴向拉力计算螺栓的强度.因此，只受预紧力作用的紧螺栓联接的强度条件为：

式中：［σ］=σs／s；d1为螺栓小径，mm.

由上可知，在拧紧过程中，必须控制拧紧转矩转化轴向预紧力的大小从而保证螺栓截面拉伸强度在许用拉应力范围之内.从表2中可以得知，对比拧紧速度为15r／min与60r／min时，所需拧紧转矩从200.02N·m 减小到149.14N·m，减小25%；轴向预紧力从72.05kN 增到85.11kN，增大18%，说明在紧固件装配过程中控制拧紧速度，只需要对紧固件施加较小的拧紧转矩就可以提高轴向预紧力达到预期的目的［6-7］.故在弹性区域内，适当提高拧紧速度，拧紧转矩达到屈服状态前，转矩系数越小，产生的轴向预紧力就越大，拧紧螺栓联接更具效能，见图5.

图5 紧固件应变过程示意图

4 结 论

1）通过理论与试验分析可知摩擦系数是影响转矩系数的主要因素，转矩系数是摩擦系数的增函数，在一定范围内，转矩系数与摩擦系数呈同增减趋势.

2）拧紧速度对摩擦系数影响较大，摩擦系数随着拧紧速度的增大而减小趋于稳定，因此应严格控制拧紧速度，从而更好的控制动态拧紧力矩.

3）转矩系数在整个拧紧过程中并非一成不变的，在屈服之前，转矩系数在整个拧紧过起着重要作用.

4）紧固件的拧紧过程，摩擦会产生高温，温度变化是使摩擦系数发生变化的重要因素.

［1］王振廷，孟君晟.摩擦磨损与耐磨材料［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2013.

［2］国家技术监督局.GB／T16823.3-2010紧固件转矩-夹紧力试验［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［3］国家技术监督局.GB／T16823.2-1997螺纹紧固件紧固通则［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［4］蒋浩明，俞宁峰.正压力和滑动速度对镀锌钢板摩擦系数的影响［C］∥第九届全国塑性工程学术年会、第二届全球华人先进塑性加工技术研讨会论文集（一），锻压技术，2005（S）：131-132.

［5］彭文生，李志明，黄华梁.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［6］邱轶兵，试验设计与数据处理［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，2008.

［7］CROCCOLO D，M.De AGOSTINIS，VINCENZI N.Failure analysis effect of friction coefficients in torque-preloading relationship［J］.Engineering Failure Analysis，2011，18：364-373.