关于紧固件旋转方式对扭矩差异的分析

张远彬

摘 要 一个螺纹状紧固件因为所占空间受到限制，只能选择旋转螺栓，在确保夹紧力不变的情况下，對紧固件旋转方法的变化带来的扭矩差异进行观察探究，分开对比了在同样的装备空间中，紧固螺母和紧固螺栓对保证同等夹紧力分别要求的扭矩的不同。

关键词 紧固件;夹紧力;扭矩

引言

螺纹的紧固方法大致分为扭矩法、扭矩加转角法和屈服点法这三种方法。其中，扭矩加转角法可以减少因为螺纹摩擦系数的变动对转角加固所产生的预夹力的阻碍，提前把预夹力设置到螺栓屈服力的五分之四以上，这一做法在汽车底部的重要区域得到了广泛的运用。

1紧固件的动态扭矩

1.1 动态扭矩含义

对紧固件夹紧时测量所得的最大值，扳手和一系列操作的工具都可以加大动态的扭矩。动态扭矩一定是在夹紧的过程中测量到的，它产生的轴向预夹力可以达到工程上对预夹力的标准。动态扭矩不会伴随着时间的变化而减弱，并且这类扭矩与预夹力之间的依赖性更强。

1.2 动态扭矩的测量方法

第一种方法，可以利用夹紧设备和被夹紧零件之间额外的传感器进行测量;第二种则是利用夹紧设备的扭矩传感器进行测量。

1.3 影响动态扭矩的因素

设置动态扭矩时应考虑紧固件、被夹紧件和夹紧工具的影响。同时还需注意，过小的动态扭矩可能会导致防松效果差，影响紧固件发挥应有的作用，过大的动态扭矩会导致紧固件屈服或者断裂。因此为了让紧固件最大程度上发挥它的效果，一般情况下要把紧固件的轴向预夹紧力设置为紧固件屈服力的50%～75%。

（1）紧固件的头部形状。当紧固件头部承受的面积变大，摩擦面积也随之变大，同等状态下，轴向的预夹紧力所需的扭矩也随之变大，所以当其他条件保持不变时，头部的摩擦面积越大紧固件所需的扭矩就越大。

（2）紧固件表面的摩擦系数。各类不同表面处理紧固件的摩擦系数差异很大，在这种情况下，可以通过加入润滑剂把表面的摩擦系数调节到要求值范围内。对于表面电镀紧固件，不加入润滑剂时，摩擦系数普遍为0.3左右，加润滑剂时，摩擦系数约为0.1;对于表层没有电镀的紧固件，摩擦系数普遍在0.1左右。由此可见，在同样的扭矩条件下，紧固件表层的摩擦系数对轴向力产生了一定的影响，所以对于关键部位的紧固件一定要规定紧固件表面摩擦系数的取值范围。

（3）螺纹之间的配合。一般情况下，螺纹之间要有空隙上的配合，也就是说螺栓表层在电镀之后为6h，螺母的表层在电镀之后是6H，但是这种情况受到了紧固件自身差异和表层电镀厚度的影响，最终结果有可能会让紧固件之间产生过盈配合或者空隙配合，这可能导致夹紧不到位或者滑牙。

（4）紧固件自身的特点。自攻螺栓装配的螺母是没有螺纹的，安装时要求螺栓在螺丝母上直接刻出螺纹，在这种情况下，就需要额外增大扭矩。在螺纹上配有防松动和加强密封性的胶水，或者螺母为自锁性的螺母，也会导致螺纹之间产生过盈配合，所以在这种情况下，需额外加大扭矩[1]。

2静态扭矩

2.1 静态扭矩含义

当紧固件被紧固后，将其在紧固方向上能够继续旋转时所需的扭矩成为静态扭矩。静态扭矩是在夹紧工作完成后再进行测量的，可以用来监测生产过程是否稳定。与动态扭矩不同，静态扭矩会伴随着时间的变化而减弱，当被夹紧件为非金属材料时，扭矩衰减更加的明显。同时，静态扭矩受到的影响因素很多，和预夹紧力之间的依赖性较小。

2.2 静态扭矩测量方法

用有表盘或者可以显示测量数据的力矩扳手，在加固以后的五分钟内朝着紧固件夹紧方向拧3～5度，这样就得到了一个较为科学准确的数值。

2.3 静态扭矩的应用

静态扭矩传感器大多用于试验机和静态扭矩的监测等环节，它大多数被应用于测量扭矩变化不明显的场合，数据采集的频率一般是50次/秒。

3对紧固件的旋转方式进行理论分析

利用旋转要求的角度来达到预期的夹紧力，让螺母与被夹紧件严密贴合，在旋转到预定的角度，让预夹紧力到达预期值，这就是扭矩旋转法。常见的扭矩旋转法有两种，一种是控制角度，一种是控制扭矩。监测方可采取控制角度的方法，用监测扭矩法进行实践，这样不仅可以防止螺栓过度屈服，还可以防止被紧固设备不会因为扭矩过大而被损坏。

螺母的拧紧扭矩T的计算公式为：T=KFd，其中F为预夹紧力，d为螺栓的直径，K为扭矩系数。现阶段还没有关于螺栓旋转的扭矩计算式，但是我们可以从已知的公式中得知，螺栓旋转时与被夹紧部件相互转动的摩擦消耗变大，这种摩擦对螺栓的增长产生了阻碍，限制了螺纹升角，其他部分没有差别。

由此可知，在拧紧螺母的扭矩一定时，由于装备占用的空间狭窄，夹紧工具无法进入时，只能固定螺母旋进螺栓，此时需把螺栓头和被夹紧零件之间的摩擦考虑在内，也就是在基础的扭矩范围内再加入额外的扭矩，这样就得到了要求的最大扭矩。

4对紧固件的旋转方式进行实验验证

选取一定数量的M16规格的螺栓，以及被夹持的部分装备配件，在实验台上模拟螺母紧固过程，被紧固的装备配件能够确保紧固设备有充足的空间来旋转螺母。经过一系列的改变和测量并且把紧固件的旋转方法更改成螺栓旋转夹紧，获得了一系列不同的扭矩转角，这些数据都在科学允许的范围内。

通过批量的测试，M16规格的螺栓扭矩范围为320～408N·m，这个范围和旋转螺母理论的扭矩数据相比略有差异，差距在3%左右。当扭矩的最大值超过400N·m时，再对螺栓和螺纹部分进行研究可以看出，螺纹部位并没有发现冷变形的产生和塑性流的现象，说明螺栓还是处在弹性的变形环节，与实验的预期相符合。

综合上面的测试结果，再综合夹紧设施的扭矩差异，把扭矩的最大值设置为420N·m，也就是超过旋转螺母方法最高的扭矩范围的二十分之一。经过多次反复的实验证明，未曾出现零件和紧固件都符合标准时监控扭矩错误的情况。

5结束语

在确保夹紧力度一样的基础上，旋转螺栓夹紧所出现的扭矩范围数值比旋转螺母出现的扭矩范围数值略高，这个数值的范围在一般在3%左右，在面对这种情况时，需要选取夹固设施时，就不需要把监测的扭矩数据的范围设置的过大，这样就可以在很大程度上节省设施的成本;其次在使用紧固件的旋转方法时，选择旋转螺栓夹紧要求的最大值，最好比旋转螺母来加固的方法高出大约4%-5%，不然就无法达到夹紧力度的最低要求，就会在一定程度上影响实验结果;最后对于紧固件夹紧扭矩的确定需要进行多次反复的实验，否则测量结果容易出现失误并具有片面性。本次的研究存在研究样品数量不多的缺陷，但是测量的结果和理论分析对于类似的问题有着一定的参考和借鉴意义。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2017：215.