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嘉峪檢測網 2022-09-15 21:13
摘要：摩擦系數是螺栓連接的關鍵影響因素之一。在介紹摩擦系數分類和影響因素的基礎上， 分析了摩擦系數對螺栓連接的影響，包括摩擦系數對擰緊力矩分配、軸向預緊力大小、預緊 力散布誤差等。研究結果表明，摩擦系數應控制在合理范圍內。摩擦系數過小，螺栓容易產 生自松動；摩擦系數過大，夾緊力矩轉化效率低，容易出現粘滑效應。減小摩擦系數，可以降低擰緊力矩，減小螺栓尺寸。減小摩擦系數范圍，可以降低預緊力散布誤差。研究結果對 摩擦系數控制范圍的確定具有重要的指導意義。
螺栓連接具有結構簡單、拆卸方便、標準化 程度高等優點，在汽車行業應用廣泛。扭矩法是最早出現也是應用最廣的螺栓連接擰緊方法，通 過擰緊工具將螺紋緊固件擰緊至目標扭矩值，從 而產生預緊力。在使用扭矩法擰緊螺栓時，摩擦 系數對軸向預緊力的影響較大[1]，如果摩擦系數過 大，可能會導致螺栓獲得的軸向預緊力低于安全 閾值，零部件在使用過程中出現松動、異響。如果摩擦系數過小，可能會導致軸向預緊力高于材 料屈服極限，出現螺栓斷裂、螺紋脫扣或者被連 接件表面被壓潰等問題。因此，需要重點研究摩 擦系數對螺栓連接影響，對螺栓連接的摩擦系數 范圍進行設計管控。
1 摩擦系數分類
與螺栓連接相關的摩擦系數主要有三種：螺 紋摩擦系數 μs、支承面摩擦系數 μw 和結合面抗滑 移系數 μT。簡化分析時，經常采用總摩擦系數 μ。總摩擦系數是在理論上假設螺紋摩擦系數與支承 面摩擦系數相等，根據擰緊力矩與預緊力的關系 計算確定[2]為：
式中，T 為擰緊力矩，Nm；F 為軸向預緊力，N；P 為螺距，mm；d2 為外螺紋基本中徑，mm；dw 為支承面等效摩擦直徑，mm。
螺紋摩擦系數 μs 是螺紋連接副內外螺紋接觸 表面之間的摩擦系數，根據螺紋力矩 Ts 與預緊力 的關系計算確定為：
支承面摩擦系數 μw 是螺栓/螺母頭部與被連 接件支承面之間的摩擦系數，根據支承面摩擦力 矩 Tw 與預緊力的關系計算確定為：
抗滑移系數 μT 是被連接件結合面之間的摩擦 系數，根據試驗所測得的滑移荷載和預緊力的關 系計算確定為：
式中，TQ 為由試驗測得的滑移荷載，N；qF 為摩 擦面數量；FV 為試件滑移一側螺栓預緊力實測值之和，N。
2 摩擦系數的影響因素
2.1 材料配對
摩擦是發生在兩個或多個零件之間的，摩擦 副的材料特性是影響摩擦系數的重要因素之一， 材料的配對不同，摩擦系數測試結果也不相同。表 1 給出了常見材料配對的摩擦系數[3]。
2.2 表面處理和潤滑狀態
表面處理和潤滑狀態是影響摩擦系數的關鍵 因素，也是調節摩擦系數的主要方法。同一螺栓 在不同表面處理和潤滑狀態下的摩擦系數測試結 果，可以看出，達克羅表面處理的摩擦系數小于 磷化處理的摩擦系數，如表 2 所示。表面處理相 同時，涂油處理的摩擦系數小于干燥無油的摩擦 系數。
2.3 其它因素
摩擦系數的影響因素較多，除了材料配對、 表面處理和潤滑狀態，還包括材料硬度、鍍層厚 度、公差配合的等級、螺紋加工方法、零件加工 質量、粗糙度、表面清潔程度、是否有墊片、環 境溫度、擰緊速度、擰緊工具、擰緊方法、擰緊 次數、摩擦系數測試方法等。為了保證螺栓連接 的可靠性，需要對緊固件生產一致性、摩擦系數 測試標準、裝配擰緊策略等進行控制，減少或消 除這些因素對摩擦系數范圍和穩定性的影響。實 際應用中，通過添加不同的潤滑劑，可以實現對 摩擦系數的調整，將摩擦系數控制在設計要求范 圍內即可。
3 摩擦系數對螺栓連接的影響
3.1 擰緊力矩分配
擰緊力矩的計算公式為：
式中，T 為擰緊力矩，Nm；F 為軸向預緊力，N；P 為螺距，mm；d2 為外螺紋基本中徑，mm；dw為 支承面等效摩擦直徑，mm；α 為牙型半角，一般 為 30°；μs 為螺紋摩擦系數；μw 為支承面摩擦系數。
式（5）包含三部分，第一部分是用于產生夾 緊力的力矩 T1，第二部分是螺紋表面的摩擦力矩 T2，第三部分是支承面摩擦力矩 T3。摩擦系數對 擰緊力矩分配的影響如圖 1 所示。夾緊力矩隨摩 擦系數增大而減小，螺紋摩擦力矩和支承面摩擦 力矩隨摩擦系數增大而增大。總摩擦系數 μ=0.15 時，三部分的力矩比例約為 1:4:5。
摩擦系數越小，夾緊力矩分配比例越大；摩 擦系數越大，夾緊力矩分配比例越小。不同摩擦系 數下擰緊力矩分配比例如圖 2 所示。總摩擦系數 μ=0.3 時，夾緊力矩占擰緊力矩比例為 5%。總摩 擦系數 μ=0.1 時，夾緊力矩占擰緊力矩比例為 13%。
減小摩擦系數，有利于提高夾緊力矩的比例， 降低擰緊力矩，減輕工人勞動強度和擰緊工具能 耗。
3.2 螺栓軸向預緊力
對式（5）進行變形，得到螺栓軸向預緊力計 算公式為：
以 M10×1.25 規格螺栓為例，對于給定的摩擦 系數，式（6）分母為常數，軸向預緊力與擰緊力 矩為線性關系，如圖 3 所示，擰緊力矩越大，螺 栓軸向預緊力越大。
3.3 預緊力散布誤差
最小摩擦系數 μmin 對應的最大預緊力為 Fmax， 最大摩擦系數 μmax 對應的最小預緊力為 Fmin，定 義預緊力散布誤差為：
根據式（7）可以繪制摩擦系數與預緊力散布 誤差的關系曲線，如圖 5 所示。摩擦系數范圍為 0.1～0.16 時，預緊力散布誤差約為±20%；摩擦系 數范圍為 0.1～0.2 時，預緊力散布誤差約為±30%；摩擦系數范圍為 0.1～0.4 時，預緊力散布誤差約為 ±56%；摩擦系數范圍越大，預緊力散布誤差越大。 預緊力過大或過小都會引起螺栓連接失效。為了控制螺栓軸向預緊力波動，應減小摩擦系數 范圍。
3.4 螺栓屈服軸力
等效應力截面直徑為 ds，軸向預緊力為 F， 螺紋力矩為 Ts 的螺栓，拉伸應力 σ 和剪切應力 τ 分別為：
螺紋間消耗的擰緊力矩 Ts 為：
為了防止螺栓屈服失效，根據 Mises’s 屈服條 件[4]，復合應力不應大于螺栓軸向拉伸屈服強度， 即：
根據式（8）—式（11），可以得出：
根據式（12）繪制曲線如圖 6 所示。可以看 出，減小摩擦系數，有利于提高螺栓屈服軸力。
3.5 預緊力轉化效率
由式（6）可以看出，擰緊力矩 T 相同時，摩 擦系數 μ 越小，預緊力 F 越大，當 μ=0 時，預緊 力 F 的極限值為 Fμ=0，定義預緊力轉化效率為：
以 M10×1.25 螺栓為例，繪制預緊力轉化效率 與摩擦系數關系曲線如圖 7 所示，可以看出，當 μ=0 時，預緊力轉化效率為 100%；當 μ=0.15 時， 預緊力轉化效率為 10%；當 μ=0.3 時，預緊力轉 化效率為 5%。減小摩擦系數，有利于提高預緊力 轉化效率。
當螺栓擰緊到屈服點時，Fμ=0 的極限值為 Fσ， 采用 Fσ 替代式（13）中的 Fμ=0，可以計算螺栓屈 服軸力利用率，同樣的，減小摩擦系數，有利于提高螺栓屈服軸力利用率。
3.6 螺栓尺寸
摩擦系數越小，預緊力轉化效率越高，螺栓 屈服軸力利用率越高。預緊力相同時，螺栓屈服 軸力利用率越高，對螺栓屈服軸力的要求越低， 在螺栓屈服強度相同的條件下，螺栓應力截面積 越小，螺栓尺寸越小。
以摩擦系數為 0.25～0.5 的 M16 螺栓為例， 在不降低螺栓夾緊能力的條件下，通過降低摩擦 系數，可以減小螺栓尺寸，進而降低螺栓質量和 成本，如表 3 所示。
3.7 螺栓松動
松開力矩 TL 計算公式為：
若松開力矩 TL＞0，則螺栓不會自行松開；若 松開力矩 TL＜0，則螺栓在不需要施加任何松開力 矩的情況下自行松開。螺栓不產生自松的條件被 稱為螺紋自鎖條件，即：
摩擦系數過小，螺栓會產生自松動。圖 8 是 大眾標準給出的不同規格公制螺紋自松動摩擦系 數[5]。以 M6 公制螺紋為例，摩擦系數小于 0.06 時，容易產生自松動。增加摩擦系數，有利于螺 栓防松。但是摩擦系數過大，為了保證夾緊力， 需要增加擰緊力矩和螺栓尺寸，不利于工人操作和減重。
4 結果與結論
通過上述分析，結果為摩擦系數對螺栓連接 有影響，具體包含以下幾個方面：
（1）在軸向預緊力相同的條件下，減小摩擦 系數，有利于提高夾緊力矩的分配比例、降低擰 緊力矩、減輕工人勞動強度和擰緊工具能耗。
（2）在擰緊力矩相同的條件下，減小摩擦系 數，有利于提高軸向預緊力，防止被連接件分離；在螺栓規格和強度等級相同的條件下，減小摩擦 系數，有利于提高螺栓屈服軸力。
（3）在預緊力要求相同的條件下，減小摩擦 系數，有利于提高預緊力轉化效率、螺栓屈服軸 力利用率、降低對螺栓屈服軸力的需求、減小螺 栓尺寸、降低螺栓質量和成本。
（4）摩擦系數控制范圍越小，軸向預緊力散 布誤差越小，預緊力控制精度越高，由于預緊力 過大或過小引起的螺栓連接失效風險越小。
（5）摩擦系數過小，螺栓自松動風險加大， 最小摩擦系數應控制在 0.08 以上。
（6）摩擦系數過大，夾緊力矩分配比例大幅 降低，產生相同預緊力所需的擰緊力矩增大，工 人勞動負荷增大，且容易產生粘滑效應。
本文在介紹摩擦系數影響因素的基礎上，從 擰緊力矩分配，預緊力大小，預緊力散布誤差等 方面，系統分析了摩擦系數對螺栓連接的影響， 進而給出摩擦系數控制要點為在防止螺栓自松動 的前提下減小摩擦系數和摩擦系數波動范圍。總 摩擦系數控制范圍建議在 0.13±0.03。研究結果對 于摩擦系數控制范圍的確定具有重要指導意義。
來源：汽車實用技術
