淺談裝配中螺紋聯接扭矩分析

徐紅彥，苗 奎，舒曉君

(中航飛機股份有限公司 長沙起落架分公司，陜西 漢中 723200)

中航飛機股份有限公司長沙起落架分公司在產品裝配過程中經常會出現擰緊不到位或過擰緊現象，造成螺栓拉斷或超負荷的連接，導致連接失效，縮短使用壽命。本文從連接方式、螺紋聯接的連接件受力分析入手，了解扭矩轉換為夾緊力的過程，并通過對擰緊過程的動態分析，得到扭矩質量管控的重要性。

1 常用螺紋聯接類型

螺紋聯接主要是指螺栓聯接和螺釘聯接，螺栓聯接具有裝配簡單、拆卸方便、效率高、成本低且可以重復使用，能夠抵抗外力等眾多優點，但對生產裝配中的扭矩質量要求也越來越精密[1]。在產品裝配過程中常用的螺紋聯接有如下4種基本類型。

1.1 螺栓聯接

螺栓聯接的結構特點是被連接件的孔中不切制螺紋，裝拆方便。圖1a所示為普通螺栓聯接[2]，螺栓與被連接件孔之間有間隙。這是因為通常規定所取孔徑要比螺栓公稱直徑大10%左右。這種連接的優點是連接件便于加工，對孔的尺寸精度和表面粗糙度沒有太高的要求，一般用鉆頭粗加工即可，所以應用最為廣泛。圖1b所示為鉸制孔螺栓聯接，其螺桿外徑與螺栓孔的內徑具有同一公稱尺寸，并常用過渡配合而得到一種幾乎無間隙的配合，它適用于承受垂直于螺栓軸線的橫向載荷。

圖1 螺栓聯接

圖1中，l1為螺紋余留長度。靜載荷：l1≥(0.3～0.5)d；變載荷：l1≥0.75d；沖擊載荷或彎曲載荷：l1≥d；鉸制孔螺栓：l1≈0。螺紋伸出長度：a=(0.2～0.3)d。螺栓軸線到邊緣的距離：e=d+(3～6)mm。

1.2 螺釘聯接

螺釘直接旋入被連接件的螺紋孔中，省去了螺母(見圖2)，因此結構簡單。但這種連接不宜經常裝拆，以免被連接件的螺紋磨損而使連接失效。

圖2 螺釘聯接

1.3 雙頭螺柱聯接

雙頭螺柱多用于較厚的被連接件或為了結構緊湊而采用盲孔的連接(見圖3)，雙頭螺柱聯接允許多次裝拆而不損壞被連接件。

圖3 雙頭螺柱聯接

圖2和圖3中，H為座端擰入深度。孔材料為鋼或者青銅，H≈d；孔材料為鑄鐵：H=(1.25～1.5)d；孔材料為鋁合金：H=(1.25～1.5)d。螺紋孔深度：H1=H+(2～2.5)d。鉆孔深度：H2=H1+(0.5～1)d。

1.4 緊定螺釘連接

緊定螺釘連接常用來固定兩零件的相對位置，并可傳遞不大的力或轉矩。

1.5 常用的螺紋緊固件的性能等級

常用的螺紋緊固件有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母、墊圈等。螺栓的性能等級分為3.6級～12.9級，共10個強度等級，螺紋的精度為4h～6h；螺母的性能等級分為4級～12級，共7個等級，螺紋的精度為4h～6h。螺紋緊固件的性能等級對照表見表1。

表1 螺紋緊固件的性能等級對照表

常用的螺紋連接件材料為低碳鋼、不銹鋼、銅，依據表1中不同規格螺栓對應的不同屈服強度和精度等級來修正系統的關鍵參數。

2 螺栓聯接的受力分析

一般情況下，螺栓的擰緊過程如圖4所示，實際上需要控制的不是施加在螺栓上的扭矩大小，而是控制的因扭矩作用產生的夾緊力是否滿足工作時承受負載的需求。實際上，轉化為螺栓夾緊力的扭矩僅有10%，其余50%用于克服螺栓頭下的摩擦力，40%用于克服螺紋副中的摩擦力，這就是“541”規則[3]，主要反映夾緊力與摩擦力之間的關系。但若施加一定的改善措施(如涂抹潤滑油)或螺紋副中存有缺陷(如雜質、磕碰等)，該比例關系會受到不同程度的影響而改變[4]。

圖4 541規則

螺紋聯接時的受力情況與螺紋的大徑、小徑、中徑、螺距、導程、螺紋升角、牙型角等各項尺寸參數都有關系(見圖5)。

圖5 螺紋聯接

螺栓擰緊時需要施加扭矩的理論大小由如下計算式求得：

式中，μs為螺紋副的摩擦因數；μw為螺紋端面與連接件的摩擦因數dp為螺栓有效直徑：粗牙螺紋dp≈0.906d，細牙螺紋dp≈0.928d[5]；φ為螺紋升角；β為垂直截面內的螺紋牙形半角[6]；dw為端面摩擦圓等效直徑：

式中，du、di分別為摩擦圓的外徑及內徑；d為螺紋公稱直徑。

可以根據計算式來初步計算達到要求的預緊力時所需的扭矩大小，與真實擰緊過程中測得的扭矩大小進行對比，可以反映出螺栓裝配條件的優良狀況。

3 擰緊過程的動態分析

螺栓的預緊力是指所有的螺栓都需要擰緊，是連接件在承受工作載荷之前預先受到作用力。預緊力能提高螺栓聯接的可靠性、防松能力和螺栓的抗疲勞程度，增量連接件的緊密性和剛性。但過高的預緊力，如果控制不當或偶然過載會導致連接失效[7]。螺栓擰緊時施加到螺栓上的扭矩只有約10%轉換為連接件的預緊力，整個過程螺栓受到軸向拉伸變形，其特性如圖6所示。

圖6 螺栓連接件的特性

通過圖6可知：剛開始擰緊時螺栓的拉應力加速增加，中間段保持一定的速度增加，當將要到達屈服強度時，應力增加速度開始下降，該點就是螺栓材料在保證連接強度的要求下的極限狀態——屈服強度，如果能將擰緊過程控制到該點，材料將得到充分利用。

4 擰緊過程控制

4.1 扭矩控制法

扭矩控制法是最早被人們提出來的一種控制方法，它是先粗略計算擰緊所需要的扭矩大小[8]，計算得到的扭矩值與實際需要的扭矩值有一定偏差，保證計算的扭矩值在實際需要扭矩值的區間內。利用扭矩檢測裝置直接將螺栓擰到計算的扭矩大小，這是一種開環控制方法，操作相對簡單，成本低，誤差相對較大適用于裝配精度要求不高的場合，一般的裝配可以滿足夾緊力要求。

4.2 扭矩-轉角控制法

扭矩-轉角控制法的做法是先將螺栓擰至與連接件剛接觸，此時螺栓與連接件之間沒有產生摩擦力，這個狀態的扭矩被稱為“轉角起始扭矩”，從該狀態開始測量轉角，一旦超過設定的“安全轉角”立即停止擰緊[9]。與扭矩法相比，該方法增加了轉角控制，能夠有效避免螺栓被過高的預緊力拉失效。缺點就是轉角起始扭矩之后旋轉的角度是根據試驗或經驗得到的，停止之后沒有合適的方法檢查其是否擰緊。

4.3 屈服點控制法

屈服點控制法是把螺栓擰緊至屈服點后停止擰緊的一種方法，它是利用材料的屈服現象發展起來的一種高精度擰緊方法。這種控制方法，是通過對擰緊的扭矩/轉角曲線斜率的連續計算和判斷來確定屈服點的曲線斜率的[10]。

螺栓材料在擰緊的過程中如圖7所示，剛開始啟動時，扭矩的斜率增大，在a-b區間扭矩恒速增加[11]，b點之后，扭矩增速開始減小，說明已經過了螺栓材料應力應變的線性階段。當扭矩斜率下降到最大值的一半時，證明已經到達屈服點，此時應立即發出停止信號。

圖7 扭矩/轉角曲線斜率

5 結語

本文闡述了螺栓聯接擰緊時產生的扭矩與夾緊力的關系、受力計算以及擰緊過程的動態分析，在裝配技術上了解了螺紋聯接的關鍵技術參數，掌握了螺栓擰緊過程控制法以及扭矩質量管控的重要性，在裝配過程中達到有效、合理地控制連接，推進螺栓擰緊扭矩控制從最初的“體感”發展到量化，有利于改進和提高生產裝備的性能。本公司對于生產裝配的要求未來會朝著智能化、快速化、信息化等方向發展，比如與互聯網結合實現遠程控制、建立數據庫來管控產品的合格率等功能都是可以實現的，今后會在扭矩管控方面再進行深入研究，提高生產裝配質量。