紧固件摩擦系数分析

螺丝君研究院 GAF螺丝君 2022-03-30 11:30

摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面的垂直压力的比值。也可以理解为一个材料常数,当摩擦面的材料、表面处理状态和润滑条件确定后,摩擦系数也就确定下来。为保证螺栓的可靠使用,必须在装配时保证有适当的轴向预紧力。

而螺栓的拧紧过程是一个克服摩擦的过程,在这一过程中存在螺纹副摩擦和端面摩擦。而影响预紧力的主要因素除了使用的工具及拧紧方法外就是紧固件的摩擦系数。本文从一个实际装配案例出发,分析螺栓摩擦系数的意义,摩擦系数对不同拧紧方法的影响,摩擦系数的检测及摩擦系数的计算方法。

某装配车间汽车装配工位采用M10×1.5螺栓,螺栓强度级别为10.9级,螺栓材料为SCM435钢,被夹紧本体有两种情况,一种本体是钢制零件,而另一种本体是铝合金零件。

螺栓的装配工艺采用扭矩转角法,工艺参数为30Nm+90°,最终扭矩监控窗口为40~90Nm。在装配过程中对于本体是钢制的零件,完全能够达到工艺要求。

但是在本体是铝合金零件时,装配机器频频出现报警现象。

经检查发现在装配铝合金本体零件时,转角还没有达到90°要求,扭矩已经超出了94Nm的最大控制范围。

这是什么原因的呢?

钢制螺栓对铝合金本体的摩擦系数为0.17,而钢与钢的摩擦系数在0.10~0.15之间,根据公式计算螺栓屈服时的装配扭矩:钢制螺栓对铝合金本体时M1=102Nm, 钢制螺栓对钢本体时M2=80Nm。

针对装配中产生的实际问题及最小屈服点的计算结果,按照惯例将计算结果增加10%,则最终扭矩控制监控窗口设置为40~110Nm,从根本上解决了扭矩转角的转配质量,保证了生产的正产进行。

目前使用最多的是“扭矩法”和“扭矩-转角法”,而这两种拧紧方式都将会受到摩擦系数大小的影响,从而影响螺栓紧固是的预紧力。而“屈服点控制法”和“螺栓长度法”则避免了摩擦系数对装配的影响。

使用扭矩装配方法时,当达到规定的扭矩就停止,只对一个确定的紧固力矩进行控制,操作简单,扭矩容易测量和控制,扭紧后也容易复检。

经过大量的试验和实践经验的积累和公式计算可知,在实际拧紧过程中受到摩擦系数的影响,仅仅5%~10%的扭矩转化为所需的预紧力,有90%的扭矩被在拧紧过程的摩擦消耗掉。

当支承面的摩擦系数降低20%时,支承面摩擦扭矩降为40%,螺栓轴向夹紧力将翻倍增加,因为有20%的拧紧力矩转化为夹紧力。由此可见,使用扭矩装配方法,摩擦系数对夹紧力的影响之大。可参考下面的图示:

在拧紧螺栓时,先以设定的扭矩将螺栓拧紧,然后再将螺栓旋转到一个规定的角度,利用螺栓的弹性变形,来确保连接力达到规定的要求,这就是转角扭矩法。这种方法可分为弹性区域拧紧法和塑性区域法。

此方法能较准确控制预紧力,螺栓材料完全被利用,仅与螺栓副摩擦及螺栓的屈服强度有关,设定的扭矩值常取所需拧紧扭矩值的25%左右。虽然螺纹的摩擦系数对达到较小的扭矩产生的“阶段预紧力”有一定的影响,但是影响较小,而螺纹的摩擦系数对转角拧紧所产生预紧力没有影响,因为在弹性区或塑性区,如果弹性模量恒定,预紧力仅与螺栓伸长量有关,而伸长量与螺栓旋转的角度成正比。

需要注意的是,螺栓的摩擦系数对扭矩-转角控制法的预紧力影响小,但对驱动力矩影响很大,较大的摩擦系数会到导致拧紧机器的规格增大,成本增加。

目前汽车行业使用比较多的设备是德国Schatz多功能螺栓紧固分析系统,此实验测试机传感器精度均为0.5%,符合各大汽车公司紧固件分析要求中的试验测试要求。

实验测试机通过测试分析系统软件程序,可以求得总摩擦系数、螺纹之间的摩擦系数及支承表面摩擦系数,同时可以按不同的装配工艺如扭矩转角装配和屈服点装配等进行验证性试验。

在对首件检验或批量监控以及特殊螺纹连接的评价中,摩擦系数均按VW 01131-1确定。对于新的表面系统的确认,原则上按VW 01131-1规定的条件进行检验。

结果评价按以下原则:对10件随机选取的工件,总的摩擦系数,部分摩擦系数,即使受到极限因素的影响,也必须位于0.08~0.16之间。当系数数值超出这个范围,还可以对同一范围内的零件进行第二次抽样进行检验。而第二次抽样必须所有10个测量值位于公差范围内。

对于表面系统的确认检验,热旋出测定按VW 01131-2,其作为是对3.2节摩擦系数的附加要求。6次随机选取的零件,必须所有热旋出测定的总摩擦系数满足的验收条件:

摩擦系数,拧紧力矩和预紧力彼此互相影响(见VW01126-1和VW 01126-2)。摩擦系数将受到材料的匹配和表面保护类型的影响。

为了获得均匀的拧紧结果,必须压缩允许的摩擦系数的分布宽度,并且规定平均值的位置。这可以通过合适的润滑来达到-集成在表面保护涂层内或附加导入润滑剂,见VW01110-1和VW13750。测定摩擦系数可能会在应用状态中出现的摩擦系数,由于不同的边缘条件而有所偏差。

因此,需要针对ISO、DIN和VDA改变检测条件,其依据是VW 01131-1中“摩擦系数的测定,实践和装配检验”和VW 01131-2中“摩擦系数的测定,新表面系统的确认”及VDA规定对总摩擦系数和部分摩擦系数的偏差极限值。

对于无法测定摩擦系数的特殊结构,必须进行在处理,达到无特殊结构的相应零件的该数值。

因为摩擦系数在大批的批量使用中,受拧紧速度的影响,其必须在可比条件下进行确定。因此,对于摩擦系数的测定,需按标准进行两级拧紧,初次拧紧的速度至少为200转/分钟,最终拧紧的速度为20转/分钟.详细的技术规范见标准VW 01131-1。

总摩擦系数

(特别适用于室温下的拧紧)将通过螺纹中的摩擦扭矩和在螺栓头支承面或螺母支承面上测定。允许的公差既适用于总摩擦系数,又适用于螺栓头支承面或螺母支承面的摩擦系数和螺纹中的摩擦系数。

总摩擦系数

摩擦系数

其如下定义:

在最大允许测量可靠性为Δμ=0.01时,作为所有摩擦系数验收条件适用的范围是:

(还可参见DIN ISO 14253-1),作为一个验收批次的平均值,尽可能为μ=0.12,拧紧的总摩擦系数如下定义:

在带有凹凸支撑面的螺栓和螺母上,将根据受检连接元件上红丹承压检验图来确定所用的Dkm实际值。

螺纹摩擦系数由以下公式确定:

上图显示在带有60螺纹啮合角的公制ISO-螺纹中的自锁极限值

螺栓角=摩擦角

μg螺纹中的摩擦系数

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