支承面硬度对扭矩系数影响的实验探究

2014-03-02

中国新技术新产品 2014年13期

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007）

支承面硬度对扭矩系数影响的实验探究

覃佳亮陈林肖健

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007）

影响高强度螺栓扭矩系数的因素比较多，但是在目前的研究分析中，对螺旋副支承面硬度这一因素的影响程度存在分歧。文章先是通过实验的方法进行分组对比并加以相应的理论分析，重点研究了螺旋副支承面对扭矩系数影响程度的大小，进而探究了支承面硬度是否为影响螺栓扭矩系数的关键因素。利于工程实践中更准确的计算扭矩系数，进而更好的发挥螺栓效能。

硬度；扭矩系数；效能

1 前言

高强度螺栓广泛应用于机械连接中，多用于受力部位及重要接头处，螺栓的安全关系到整个机械组的安全可靠性。螺栓的效能主要取决于初始的拧紧程度，在紧固件和结构允许的情况下，预紧力越大，螺栓效能越好，连接越可靠；但是，预紧力越高，对螺栓强度的要求和被连接件的要求就越高，过高的预紧力有可能将紧固件拉断或者压溃支承面.因此，控制预紧力的大小是相当重要的。实际装配时很难直接去控制和测量轴向预紧力，而是通过拧紧扭矩间接得到，其中的转化因子便是扭矩系数。螺栓的扭矩系数K宏观上直接反映螺栓拧紧过程中的扭矩与轴力的关系，它的大小不仅取决于摩擦面的摩擦系数，还取决于螺纹连接副的几何状况，其影响因素有很多。文章分析螺纹副支承面硬度对扭矩系数影响程度，其研究结果提高了扭矩系数分析的准确性，对工程实践中更有效的发挥螺栓效能有一定的指导意义。

2 实验分析

2.1 实验器材

本次螺栓的扭拉实验采用SCHATZ多功能螺栓紧固件分析系统（德国，传感器精度为±0.5%）。符合GB/T 16823中的实验测试机要求，运用这一系统可以测量出螺栓拧紧过程中的夹紧力、总扭矩、螺纹副上的扭矩以及支持面扭矩，并能对夹紧力和扭矩的关系精确实时的反映,通过扭矩和夹紧力曲线可以算出扭矩系数。

实验螺栓统一为六角头螺栓M12，长度60mm（这是SCHATZ仪器必要的长度要求），表面处理后与螺母配合精度为6g；螺母为六角法兰螺母，表面处理方式与螺栓相同（这一点是非常重要的），表面处理之后与螺栓的配合精度为6H。其他参数见表2-1，被联接件材料为45#和Q235，板厚度为3mm，其中45#钢的硬度一般为HRC28，Q235的硬度一般为HRC16。以上两种材料的硬度都是在未经淬火前的硬度，其他条件均相同。

表2-1 实验材料清单

表2-2 两种材料在不同孔位的扭矩系数值

表2-3 夹紧力与摩擦系数（摩擦力）关系表

2.2 实验方法

（1）第一组实验：M12螺栓及配对螺母，45#钢垫板

将螺栓固定，将45#钢板的1号孔套入螺杆，将螺母在拧紧装置中夹紧并调整其空间定位，是螺母下端面与孔板接触；启动仪器，螺母随拧紧装置旋转向下，拧紧装置对螺母施加线性增加的扭矩（直到200N*m左右停止），仪器自动记录螺栓预紧力随着扭矩增加变化的曲线，并记录实验编号；更换另一对相同的螺栓螺母，用孔板上得2号孔装配，重复上述实验过程。这样连着重复做十次实验，每次实验都采用新的螺栓、螺母，每次都用孔板上得不同孔来装配，并记录下每次实验数据。

（2）第二组实验：M12螺栓及配对螺母，Q235垫板

该组实验同样按照第一组实验的步骤反复进行10次，并记录每次实验数据。

两组实验完成后，记录试验仪器上每次实验曲线编号，并拷贝对应的实验数据，以作后来的实验数据处理。

2.3 实验数据处理

实验过程中，仪器自动记录了螺栓拧紧过程中的“预紧力—转角”与“扭矩—转角”两条曲线，要得出最终的“扭矩—预紧力”曲线（该曲线的斜率与扭矩系数K成正比关系），就需要将上述两条曲线分别等分，准确获取曲线上对应点得数值，两组扭矩系数的数据如表2-2：

将上述实验数据导入MATLAB程序后进行数值拟合，得到两组数据的拟合K线图（图1-1）。其中，图1-1（a）中的十条蓝色直线分别代表了第一组实验中十个孔位的“扭矩—预紧力”曲线；图1-1（b）中的十条红色直线分别代表了第二组实验中十个孔位的“扭矩—预

紧力”曲线。

图1-1（a）45#拟合图

图1-1（b）Q235拟合图

对上述两幅图对比分析发现，两幅图在形状上并没有太大的区别，K线的斜率大致相同，分布的区域也相近。另外，单独观察分析两组图发现，各自都出现了几条偏差较大的K线；从表2-2中两组实验中的扭矩值中也可以发现，在第一组中的2、8、9孔和第二组的6、7、10孔位的值都超过了0.3，与同组中其他孔位的扭矩系数值差别较大，这说明实验数据存在散差较大的问题。那么，这些散差问题到底是什么原因造成的呢？下面进行了一系列的理论分析。

图1-2 总扭矩的分配规律

通过理论经分析，影响上述数据散差较大的原因可能有以下两点：一是孔板表面加工不均匀，未经过统一镀锌等表面加工处理；二是孔板在实验的过程中发生了细微变形。首先，电镀锌是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层金属锌的过程，换句话说是锌离子在镀层表面堆积的过程，由于表面加工不均匀以及电位高低的不同就会造成镀锌厚度的不同，一般电镀高低电位处镀层厚薄差距较大。这样由于表面加工不均匀以及镀锌厚度的不同，那么其表面状态就会有很大的差异，这样就会导致在不同的孔位表面摩擦系数不相同，根据公式

式中：

Tf—紧固扭矩；K—扭矩系数；Ff—初始预紧力；d—螺纹公称直径

d2—螺纹中径；P—螺距

μs—螺纹摩擦系数； μw—支撑面摩擦系数

α'—螺纹牙侧角；—接触支撑面外径

dh—接触的支撑面内径

Dw—支撑面摩擦扭矩的等效直径。

可以看出扭矩系数K与摩擦系数（螺纹间摩擦系数sμ和支承面间摩擦系数wμ）相关，当实验过程中保持其它因素不变的情况下，由于摩擦系数的不同，显然会造成扭矩系数值的差别，因此使得扭矩系数曲线出现散差较大的情况，这一点在两组实验中都是存在的；

其次，在螺栓被拧紧的过程中，由于孔板的微小变形，导致了螺母与连接件的实际接触面发生变化，因为拧紧过程中摩擦力的大小与实际的接触面积有关——实际接触面越大，对应的两接触面的摩擦力越大，反之亦然。根据夹紧力与摩擦系数关系表（如表2-3）和总扭矩的分配规律（如图1-2）

从图1-2中，我们可以看出在通常情况下，对螺栓所施加的总扭矩只有10%转化为轴向夹紧力，而其它大部分都用于克服摩擦力；从表2-3中清楚的发现，当摩擦系数发生变化时，总扭矩转化成的轴向夹紧力就会变化，而由前言中提到的扭矩与轴向力的转化因子便是扭矩系数，显然扭矩系数K必然发生了变化。这种影响对于两组实验过程中都是存在的，对两组实验的干扰影响大致相同。

通过上述分析可知，孔板表面加工不均匀，未经过统一镀锌等表面加工处理和孔板在实验的过程中发生了细微变形这两个因素在两组试验中都是存在的，并且影响的程度是一致的。可见，两组实验数据中散差较大的原因并不是因为螺旋副支承面硬度不同而引起的，是试验过程中实验材料、实验环境等客观原因造成的。

为了进一步探究两组数据的差别与螺旋副支承面硬度的关系，特将两组共20条K线整合在一张图片中（图1-3），其中红线代表垫块材料为45#的实验数据，蓝线代表垫块材料为Q234的实验数据。

对比前面表2-2中两种材料分别在不同孔位实验测得的扭矩系数值可以看出，除去前面提到的几个散差较大的数据外，第二组K值略小与第一组，但是这个差异甚微，最大相差为仅为0.0386，最小相差为0.0217。从图1-3中可以清楚的发现两组实验拟合K线的分布区域

大致重合，并无明显的差异,这一点也说明了，两组对比实验中除了支承面不同外，在误差允许的范围内，保证其它条件相同的情况下，所得到拟合K线图是一致的。