關于緊固件旋轉(zhuǎn)方式對扭矩差異的分析

張遠彬

摘 要 一個螺紋狀緊固件因為所占空間受到限制，只能選擇旋轉(zhuǎn)螺栓，在確保夾緊力不變的情況下，對緊固件旋轉(zhuǎn)方法的變化帶來的扭矩差異進行觀察探究，分開對比了在同樣的裝備空間中，緊固螺母和緊固螺栓對保證同等夾緊力分別要求的扭矩的不同。

關鍵詞 緊固件;夾緊力;扭矩

引言

螺紋的緊固方法大致分為扭矩法、扭矩加轉(zhuǎn)角法和屈服點法這三種方法。其中，扭矩加轉(zhuǎn)角法可以減少因為螺紋摩擦系數(shù)的變動對轉(zhuǎn)角加固所產(chǎn)生的預夾力的阻礙，提前把預夾力設置到螺栓屈服力的五分之四以上，這一做法在汽車底部的重要區(qū)域得到了廣泛的運用。

1緊固件的動態(tài)扭矩

1.1 動態(tài)扭矩含義

對緊固件夾緊時測量所得的最大值，扳手和一系列操作的工具都可以加大動態(tài)的扭矩。動態(tài)扭矩一定是在夾緊的過程中測量到的，它產(chǎn)生的軸向預夾力可以達到工程上對預夾力的標準。動態(tài)扭矩不會伴隨著時間的變化而減弱，并且這類扭矩與預夾力之間的依賴性更強。

1.2 動態(tài)扭矩的測量方法

第一種方法，可以利用夾緊設備和被夾緊零件之間額外的傳感器進行測量;第二種則是利用夾緊設備的扭矩傳感器進行測量。

1.3 影響動態(tài)扭矩的因素

設置動態(tài)扭矩時應考慮緊固件、被夾緊件和夾緊工具的影響。同時還需注意，過小的動態(tài)扭矩可能會導致防松效果差，影響緊固件發(fā)揮應有的作用，過大的動態(tài)扭矩會導致緊固件屈服或者斷裂。因此為了讓緊固件最大程度上發(fā)揮它的效果，一般情況下要把緊固件的軸向預夾緊力設置為緊固件屈服力的50%～75%。

（1）緊固件的頭部形狀。當緊固件頭部承受的面積變大，摩擦面積也隨之變大，同等狀態(tài)下，軸向的預夾緊力所需的扭矩也隨之變大，所以當其他條件保持不變時，頭部的摩擦面積越大緊固件所需的扭矩就越大。

（2）緊固件表面的摩擦系數(shù)。各類不同表面處理緊固件的摩擦系數(shù)差異很大，在這種情況下，可以通過加入潤滑劑把表面的摩擦系數(shù)調(diào)節(jié)到要求值范圍內(nèi)。對于表面電鍍緊固件，不加入潤滑劑時，摩擦系數(shù)普遍為0.3左右，加潤滑劑時，摩擦系數(shù)約為0.1;對于表層沒有電鍍的緊固件，摩擦系數(shù)普遍在0.1左右。由此可見，在同樣的扭矩條件下，緊固件表層的摩擦系數(shù)對軸向力產(chǎn)生了一定的影響，所以對于關鍵部位的緊固件一定要規(guī)定緊固件表面摩擦系數(shù)的取值范圍。

（3）螺紋之間的配合。一般情況下，螺紋之間要有空隙上的配合，也就是說螺栓表層在電鍍之后為6h，螺母的表層在電鍍之后是6H，但是這種情況受到了緊固件自身差異和表層電鍍厚度的影響，最終結(jié)果有可能會讓緊固件之間產(chǎn)生過盈配合或者空隙配合，這可能導致夾緊不到位或者滑牙。

（4）緊固件自身的特點。自攻螺栓裝配的螺母是沒有螺紋的，安裝時要求螺栓在螺絲母上直接刻出螺紋，在這種情況下，就需要額外增大扭矩。在螺紋上配有防松動和加強密封性的膠水，或者螺母為自鎖性的螺母，也會導致螺紋之間產(chǎn)生過盈配合，所以在這種情況下，需額外加大扭矩[1]。

2靜態(tài)扭矩

2.1 靜態(tài)扭矩含義

當緊固件被緊固后，將其在緊固方向上能夠繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時所需的扭矩成為靜態(tài)扭矩。靜態(tài)扭矩是在夾緊工作完成后再進行測量的，可以用來監(jiān)測生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定。與動態(tài)扭矩不同，靜態(tài)扭矩會伴隨著時間的變化而減弱，當被夾緊件為非金屬材料時，扭矩衰減更加的明顯。同時，靜態(tài)扭矩受到的影響因素很多，和預夾緊力之間的依賴性較小。

2.2 靜態(tài)扭矩測量方法

用有表盤或者可以顯示測量數(shù)據(jù)的力矩扳手，在加固以后的五分鐘內(nèi)朝著緊固件夾緊方向擰3～5度，這樣就得到了一個較為科學準確的數(shù)值。

2.3 靜態(tài)扭矩的應用

靜態(tài)扭矩傳感器大多用于試驗機和靜態(tài)扭矩的監(jiān)測等環(huán)節(jié)，它大多數(shù)被應用于測量扭矩變化不明顯的場合，數(shù)據(jù)采集的頻率一般是50次/秒。

3對緊固件的旋轉(zhuǎn)方式進行理論分析

利用旋轉(zhuǎn)要求的角度來達到預期的夾緊力，讓螺母與被夾緊件嚴密貼合，在旋轉(zhuǎn)到預定的角度，讓預夾緊力到達預期值，這就是扭矩旋轉(zhuǎn)法。常見的扭矩旋轉(zhuǎn)法有兩種，一種是控制角度，一種是控制扭矩。監(jiān)測方可采取控制角度的方法，用監(jiān)測扭矩法進行實踐，這樣不僅可以防止螺栓過度屈服，還可以防止被緊固設備不會因為扭矩過大而被損壞。

螺母的擰緊扭矩T的計算公式為：T=KFd，其中F為預夾緊力，d為螺栓的直徑，K為扭矩系數(shù)。現(xiàn)階段還沒有關于螺栓旋轉(zhuǎn)的扭矩計算式，但是我們可以從已知的公式中得知，螺栓旋轉(zhuǎn)時與被夾緊部件相互轉(zhuǎn)動的摩擦消耗變大，這種摩擦對螺栓的增長產(chǎn)生了阻礙，限制了螺紋升角，其他部分沒有差別。

由此可知，在擰緊螺母的扭矩一定時，由于裝備占用的空間狹窄，夾緊工具無法進入時，只能固定螺母旋進螺栓，此時需把螺栓頭和被夾緊零件之間的摩擦考慮在內(nèi)，也就是在基礎的扭矩范圍內(nèi)再加入額外的扭矩，這樣就得到了要求的最大扭矩。

4對緊固件的旋轉(zhuǎn)方式進行實驗驗證

選取一定數(shù)量的M16規(guī)格的螺栓，以及被夾持的部分裝備配件，在實驗臺上模擬螺母緊固過程，被緊固的裝備配件能夠確保緊固設備有充足的空間來旋轉(zhuǎn)螺母。經(jīng)過一系列的改變和測量并且把緊固件的旋轉(zhuǎn)方法更改成螺栓旋轉(zhuǎn)夾緊，獲得了一系列不同的扭矩轉(zhuǎn)角，這些數(shù)據(jù)都在科學允許的范圍內(nèi)。

通過批量的測試，M16規(guī)格的螺栓扭矩范圍為320～408N·m，這個范圍和旋轉(zhuǎn)螺母理論的扭矩數(shù)據(jù)相比略有差異，差距在3%左右。當扭矩的最大值超過400N·m時，再對螺栓和螺紋部分進行研究可以看出，螺紋部位并沒有發(fā)現(xiàn)冷變形的產(chǎn)生和塑性流的現(xiàn)象，說明螺栓還是處在彈性的變形環(huán)節(jié)，與實驗的預期相符合。

綜合上面的測試結(jié)果，再綜合夾緊設施的扭矩差異，把扭矩的最大值設置為420N·m，也就是超過旋轉(zhuǎn)螺母方法最高的扭矩范圍的二十分之一。經(jīng)過多次反復的實驗證明，未曾出現(xiàn)零件和緊固件都符合標準時監(jiān)控扭矩錯誤的情況。

5結(jié)束語

在確保夾緊力度一樣的基礎上，旋轉(zhuǎn)螺栓夾緊所出現(xiàn)的扭矩范圍數(shù)值比旋轉(zhuǎn)螺母出現(xiàn)的扭矩范圍數(shù)值略高，這個數(shù)值的范圍在一般在3%左右，在面對這種情況時，需要選取夾固設施時，就不需要把監(jiān)測的扭矩數(shù)據(jù)的范圍設置的過大，這樣就可以在很大程度上節(jié)省設施的成本;其次在使用緊固件的旋轉(zhuǎn)方法時，選擇旋轉(zhuǎn)螺栓夾緊要求的最大值，最好比旋轉(zhuǎn)螺母來加固的方法高出大約4%-5%，不然就無法達到夾緊力度的最低要求，就會在一定程度上影響實驗結(jié)果;最后對于緊固件夾緊扭矩的確定需要進行多次反復的實驗，否則測量結(jié)果容易出現(xiàn)失誤并具有片面性。本次的研究存在研究樣品數(shù)量不多的缺陷，但是測量的結(jié)果和理論分析對于類似的問題有著一定的參考和借鑒意義。

參考文獻

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2017：215.