被連接件表面處理對螺栓扭矩系數(shù)的影響分析

韋耀華

摘 要：目前汽車螺栓在設(shè)定扭矩時，都是針對螺栓本體進(jìn)行設(shè)定，沒有考慮被連接件表面處理對扭矩系數(shù)的影響。文章基于螺栓扭矩系數(shù)的計(jì)算公式從理論上對被連接件表面狀況對扭矩系數(shù)影響進(jìn)行了分析，通過螺栓擰緊實(shí)驗(yàn)研究了不同被連接件表面處理對支撐面的摩擦系數(shù)的影響，研究表明被連接件表面處理對螺栓扭矩系數(shù)影響很大，在計(jì)算扭矩時也應(yīng)該考慮螺栓使用場合，適當(dāng)調(diào)整支撐面的摩擦系數(shù)。

關(guān)鍵詞：被連接件；表面處理；扭矩系數(shù)

中圖分類號：TU311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）14-0077-02

緊固件數(shù)量占汽車基礎(chǔ)零件總數(shù)的40%，在裝配線上緊固件占整個工作量的70%，緊固件的裝配可靠性對于汽車質(zhì)量是至關(guān)重要的。目前汽車螺栓進(jìn)行緊固大多采用扭矩法，這種方法操作簡單，對設(shè)備要求低，但是扭矩系數(shù)的散差對預(yù)緊力的大小影響極大，因此對于扭矩系數(shù)散差的控制要求極高。現(xiàn)在很多汽車公司都采用控制螺栓摩擦系數(shù)的方法，來控制扭矩系數(shù)，但是沒有考慮被連接件摩擦系數(shù)對扭矩系數(shù)的影響，這對扭矩的設(shè)定是極為不利的，本文從理論和實(shí)驗(yàn)分析了被連接件表面處理對扭矩系數(shù)的影響，提出根據(jù)使用場合適當(dāng)調(diào)整支承面摩擦系數(shù)，為扭矩系數(shù)的精確計(jì)算提供可靠依據(jù)。

1 被連接件表面處理對扭矩系數(shù)影響

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》中扭矩系數(shù)的計(jì)算公式，

扭矩系數(shù)是由摩擦系數(shù)和螺紋常數(shù)共同決定的參數(shù)，對于特定的螺紋聯(lián)接副而言，螺栓的螺紋常數(shù)是固定的，當(dāng)摩擦系數(shù)確定之后，扭矩系數(shù)也就唯一確定了。從公式中可以看出螺栓的摩擦系數(shù)分為螺紋摩擦系數(shù)和支撐面的摩擦系數(shù)，扭矩系數(shù)受這兩個摩擦系數(shù)共同影響。對于擰螺母這種裝配方式，螺紋摩擦系數(shù)由螺紋常數(shù)和螺栓以及螺母表面處理決定，支撐面的摩擦系數(shù)由螺紋常數(shù)和螺母以及被連接件的表面處理決定。對于擰螺栓這種裝配方式，螺紋摩擦系數(shù)由螺紋常數(shù)和螺栓以及螺母表面處理決定，支撐面的摩擦系數(shù)由螺紋常數(shù)和螺栓以及被連接件的表面處理決定。因此，被連接件的表面處理會影響支撐面的摩擦系數(shù)，最終會影響螺栓的扭矩系數(shù)。目前，大多工程師在進(jìn)行扭矩計(jì)算的時候，都沒有區(qū)分螺紋摩擦系數(shù)和支撐面的摩擦系數(shù)，都是直接根據(jù)螺栓的材質(zhì)和表面處理查表獲得摩擦系數(shù)，而且認(rèn)為兩個摩擦系數(shù)是一樣的。如對于鍍鋅螺栓，工程師會根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊認(rèn)為螺紋摩擦系數(shù)和支撐面的摩擦系數(shù)都為0.15。其實(shí)螺紋的接觸狀況和支撐面的接觸狀況是不同的，即便是控制了摩擦系數(shù)的螺栓螺母，也不能保證螺紋摩擦系數(shù)和螺栓摩擦系數(shù)是一致的，因?yàn)槠嚿媳贿B接件表面處理摩擦系數(shù)是很難控制的，也很少有公司控制。從理論上分析，被連接件的表面處理是會影響螺栓的扭矩系數(shù)，下面從實(shí)驗(yàn)分析，到底被連接件表面處理會不會影響螺栓的扭矩系數(shù)。多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)如圖1所示：

2 試驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理

本實(shí)驗(yàn)采用Schatz多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)，擰緊機(jī)自帶一個測定總扭矩Tf的扭矩傳感器，同時在螺紋裝配夾具內(nèi)安裝了測定螺紋扭矩Ts的傳感器和測定夾緊力F的力傳感器。

根據(jù)緊固扭矩與夾緊力的比值，總摩擦系數(shù)，螺紋摩擦系數(shù)，支撐面的摩擦系數(shù)用如下公式（5）（6）（7）計(jì)算確定：

2.2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

①兩個總體一致性的檢驗(yàn)（非參數(shù)檢驗(yàn)）。兩個總體的一致性檢驗(yàn)，以較小的風(fēng)險（本次分析選5%出錯的概率）來判斷估計(jì)數(shù)值與總體數(shù)值是否存在顯著差異，是否應(yīng)當(dāng)接受原假設(shè)選擇的一種檢驗(yàn)方法。現(xiàn)將螺栓螺母表面處理為Fe/Ep·Zn12·c2D的40組支撐面的摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照被連接件表面處理方式分為兩個總體，一個電泳總體A，一個電鍍總體B。

編寫程序如下：

結(jié)果表明：一方面p=4.025e-08，表示兩樣本總體均值相等的概率為4.025e-08，接近于0；另一方面h=1，表示兩個樣本不一致，也說明被連接件表面處理方式對支撐面摩擦系數(shù)影響很大。

②被連接件電鍍、電泳對支撐面摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)的影響規(guī)律將被連接件電鍍和電泳支撐面摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)進(jìn)行對比，如圖2和圖3所示。

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可以看出，被連接件為電泳的支撐面摩擦系數(shù)要比為電鍍要高，由于被連接件為電泳支撐面摩擦系數(shù)比電鍍高，導(dǎo)致被連接件為電泳的扭矩系數(shù)普遍要比電鍍的高。如圖4所示，為做完實(shí)驗(yàn)后的電泳電鍍墊片，從圖4中可以看出在電泳墊片在螺栓擰緊過程中容易起皮，電泳碎渣使得支撐面摩擦系數(shù)增大，而電鍍墊片做完實(shí)驗(yàn)后面比較光滑，所以相對于電泳摩擦系數(shù)小。

3 結(jié) 語

電泳和電鍍的被連接件支撐面摩擦系數(shù)，經(jīng)過兩個總體一致性的檢驗(yàn)（非參數(shù)檢驗(yàn)），發(fā)現(xiàn)兩個總體顯著不同，說明被連接件不同表面處理方式對螺栓支撐面摩擦系數(shù)有顯著影響。而且進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn)，被連接件采用電泳支撐面摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)比采用電鍍要高。因此，在設(shè)定扭矩時，需要考慮螺栓的使用場合對扭矩系數(shù)作適當(dāng)調(diào)整。

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