普通螺母及自鎖螺母對螺栓標定特征曲線的影響

賈金龍， 張桂明， 李晨陽

(泛亞汽車技術中心有限公司， 上海 201201)

汽車子系統緊固點的螺栓軸力測試目前廣泛采用超聲波法[1]，即預先獲得螺栓軸力和超聲波聲時差之間的關系特征曲線(螺栓標定曲線)，后續在實際零件子系統試驗中通過超聲波測出螺栓聲時差并參照標定曲線就能得到緊固連接中螺栓的軸力。因此，獲取正確的標定曲線對實際零件子系統中螺栓軸力測量結果的準確性尤為重要。目前超聲波測試方法主要有單波法(即縱波法)和橫縱波法[2-3]。

在螺栓標定過程中，影響標定結果的因素較多，如夾持長度、溫度、擰緊機轉速、夾具工裝等。目前采用較多的螺栓標定方法是旋轉擰緊方法，在螺栓試驗臺上對螺栓進行標定，這就需要制作軸力傳感器的配套夾具，分別是壓板和內螺紋孔夾具，內螺紋孔夾具的作用是替代普通螺母。在汽車底盤安全系數要求較高的緊固連接點中通常采用防松設計來保證其緊固的可靠性，目前采用的防松措施之一是自鎖螺母，即有效力矩鎖緊螺母[4]。

筆者采用縱波法并使用自制的內螺紋夾具，分別選擇普通螺母和自鎖螺母來標定螺栓，通過不同的擰緊策略和標定方法，研究采用普通螺母和自鎖螺母來標定螺栓曲線的差異，并對汽車子系統緊固件軸力試驗提出了一些建議。

1 聲彈性測試原理

超聲波技術測試螺栓軸力是一種間接的測試方法，根據聲彈性原理，聲音在固體中傳播的速度與應力有關，因此可以借助超聲波來獲得螺栓的軸向力[5-8]。螺栓在擰緊過程中自身會伸長，同時產生軸向拉應力，超聲波脈沖從螺栓的頭部傳向尾部，由于介質密度的突變會沿原路徑返回，在螺栓表面通過壓電陶瓷接收信號后產生時間差Δt。超聲波測試原理圖如圖1所示，時間差與伸長量成正比關系。

圖1 超聲波測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic test

超聲縱波波速與應力的關系式如下

(1)

式中：v0為無應力條件下超聲波的波速；vσ為有應力條件下超聲波的波速；A為聲彈性系數(與固體的密度，二階和三階彈性系數有關)；σ為軸向應力。

另外，由于受到軸向應力后螺栓會有微小的伸長，則在彈性范圍內有

(2)

式中：E為彈性模量。

引入超聲波脈沖聲時參數，則有

(3)

(4)

式中：Δt0為螺栓在初始長度時超聲波穿過螺栓的聲時；Δtσ為有應力條件下超聲波穿過螺栓的聲時。

將Δt0看成螺栓的初始狀態，則在螺栓受到軸向應力時的聲時差為Δtσ-Δt0，令Δt=Δtσ-Δt0，則有

(5)

(6)

由式(6)可以看出在彈性階段，螺栓的軸向力與超聲波的聲時差成正比。對于給定的螺栓，軸向力與聲時差的比值是定值，因此可以通過前期標定獲得螺栓軸向力與超聲波聲時差的線性特征關系。依此原理，以下設計了不同的標定試驗以區別普通螺母和自鎖螺母對螺栓標定曲線的影響。

2 試驗方案

文中涉及到的試驗均在螺栓標定試驗臺上完成，軸力傳感器以及螺栓的裝夾如圖2所示，其中夾具和壓板都屬于輔助工裝。軸力傳感器使用RS Technologies公司的軸力傳感器，數據采集使用MCI的MC9004型通道瞬時記錄儀，電動扭矩槍的轉速設定為30 r·min-1。

圖2 螺栓標定試驗裝夾示意圖Fig.2 Clamping diagram of bolt calibration test

將螺母放入自制的夾具(如圖3)中用于螺栓標定，此夾具是在原夾具的基礎上通過電脈沖開槽加工而成，加工尺寸為M12規格的六角法蘭螺母最大尺寸，以保證普通螺母和法蘭螺母都可以裝入該夾具中。將螺栓按照設定轉速擰緊的同時，數據采集儀采集螺栓軸向力和聲時差的數據，繪制成相應的螺栓軸向力-聲時差標定特征曲線。

圖3 自制的法蘭螺母夾具實物圖Fig.3 Physical diagram of self-made clamp for flange nut

試驗1中采用M12 mm×1.75 mm×100 mm規格螺栓，先使用普通螺母標定5顆螺栓，然后使用自鎖螺母用兩種不同形式標定螺栓，一種是人工擰至螺栓法蘭即將貼合壓板時掃描初始波(即記錄螺栓原始長度L0)，然后用電動槍擰至100 N·m+300°(稱為Ⅰ類方法)，另一種是直接掃描初始波后用擰緊槍擰至目標扭矩(稱為Ⅱ類方法)，這個過程中會有一定的空轉距離(如圖4所示)。圖5為普通螺母和自鎖螺母按照Ⅰ類方法標定后的曲線。圖6為使用自鎖螺母按照Ⅰ類和Ⅱ類方法標定后的曲線。可以看出，使用普通螺母和使用自鎖螺母Ⅰ類方法的標定曲線完全一致(都經過原點、線性段斜率和屈服點大小相同)；而使用自鎖螺母采取兩類方法(Ⅰ類和Ⅱ類)標定螺栓獲取的曲線有所差異，兩個曲線的線性段斜率和屈服點相同，但后者曲線比前者平行右移了。

圖4 螺栓標定試驗裝夾實物圖Fig.4 Physical diagram of bolt calibration test clamping

圖5 使用普通螺母和自鎖螺母(Ⅰ類方法)測得的螺栓標定曲線Fig.5 Calibration curves of bolt measured by common nut and self-locking nut (method I)

試驗2選用規格為M12 mm×1.75 mm×156 mm的螺栓，將夾持長度設定為63.3 mm，驗證當不同長度(80 mm和60 mm)的外螺紋通過自鎖螺母時摩擦生熱是否對標定的曲線有影響。試驗說明見表1，前2個試樣(1號螺栓和2號螺栓)仍然選擇用普通螺母標定，后面4個試樣都使用自鎖螺母標定，3號螺栓和4號螺栓的空轉距離為80 mm，5號螺栓和6號螺栓空轉距離為60 mm，其中4號螺栓和6號螺栓為重復使用的自鎖螺母。試驗結果如圖7所示，可見用普通螺母標定的螺栓軸向力-伸長量曲線仍然過原點；而用自鎖螺母標定的曲線，在一定的空轉距離下曲線向右平移的幅度有所差別，3號和5號螺栓曲線基本一致，而4號和6號螺栓曲線基本一致。

表1 試驗2的試驗說明及螺栓標定曲線特征Tab.1 Test description of test 2 and bolt calibration curve characteristics

圖7 不同擰緊狀態下螺栓伸長量與螺栓軸向應力的關系Fig.7 Relationship between bolt elongation and bolt axial stress under different tightening states

試驗3是將數采儀軟件中Graph Setup的Y3坐標設置為溫度坐標(用外部溫度傳感器)，將螺栓空轉距離設置為60 mm進行標定，記錄扭矩/軸向力/溫度和對角度的曲線。如圖8所示，可以看出隨著螺栓的不斷擰入，溫度在不斷上升，溫度的上升可以看成是線性的。選取4個螺栓試樣都使用自鎖螺母標定，圖9為該4個螺栓的標定曲線，可以看出4條曲線均向右平移，但平移的程度不同。表2記錄了標定曲線向右偏移的距離與擰緊過程中溫度的升高值，可見標定曲線右移的程度與溫度升高的幅度基本成正比。

圖8 試驗3中螺栓的扭矩/軸向力/溫度曲線圖Fig.8 Torque/axial force/temperature curves of bolt in test 3

圖9 使用自鎖螺母獲得的不同標定曲線Fig.9 Different calibration curves obtained from different bolts with self-locking nut

表2 標定曲線右移量與螺栓升高溫度的關系Tab.2 The relationship between the right shift of calibration curve and the rising temperature of bolt

3 試驗結果與討論

螺栓在擰緊時受到軸向應力和扭轉應力的共同作用，兩者的合力最終導致螺栓屈服。在螺栓的標定中，只有螺栓的軸向力被反映在標定曲線上以提供緊固子系統的夾緊力。由圖5的試驗結果可知，盡管是自鎖螺母，如果是人工已經將螺栓旋轉至即將貼合壓板支承面后記錄初始長度，則標定曲線結果與普通螺母的是完全重合的。這說明在該狀態下標定，自鎖螺母的自鎖扭矩帶來的影響是可以忽略的。

如果直接用電動槍擰緊螺栓至自鎖螺母中，則曲線會整體向右平移，如圖6所示。這說明自鎖扭矩影響了標定曲線中的聲時差。觀察右移的曲線的起始段，說明在螺栓已經有一定伸長量的條件下仍然沒有產生軸向力，或者說軸向力非常小，相當于螺栓還沒有壓緊軸力傳感器時已經被拉伸，顯然此時螺栓的伸長是虛假伸長，而不是真正的伸長，造成虛假伸長的原因是空擰過程中由于自鎖扭矩產生的熱量影響了超聲波的傳播，反映在曲線上顯示螺栓已經伸長，說明溫度對超聲波是有影響的。而對于圖6中同樣也使用了自鎖螺母標定，但標定曲線沒有右移的原因是雖然擰入自鎖螺母時同樣會有摩擦導致發熱，但由于記錄螺栓初始長度時已將熱量計入并已清零，加上螺栓標定時間非常短(通常不到5 s)，所以溫度的影響并沒有呈現在標定特征曲線上。

何存富等提到對于M24 mm×240 mm高強度螺栓溫度對其軸向力影響是2～3 kN·℃-1。這說明溫度的影響是不能忽略的[9]。為了研究溫度升高對標定曲線影響的程度，試驗2給出了使螺栓一定長度的有效螺紋通過自鎖螺母的試驗結果，如圖7所示。一定長度的外螺紋擰入自鎖螺母時由于摩擦生熱使得標定曲線右移，右移幅度的大小與空轉距離和螺母的使用狀態有關，試驗中重復使用螺母(4號螺栓和6號螺栓)使螺紋摩擦力減小會使曲線右移的幅度遠小于空轉距離減小(3號螺栓和5號螺栓)帶來的曲線右移的幅度。

由上述分析可知，空擰中的螺紋摩擦導致螺栓溫度升高從而減小了超聲波的波速，表現為標定曲線平行右移，曲線右移幅度的大小取決于擰入自鎖螺母的長度和鎖緊扭矩，這兩個因素都與螺紋摩擦產生熱量成正比，如圖10所示。表2中統計了標定曲線右移的幅度及擰緊整個過程中螺栓溫度升高的大小，可以看出標定曲線右移的幅度與溫度升高的程度是一致的，并呈線性比例關系的，其比值約為

圖10 使用自鎖螺母標定螺栓的要素鏈Fig.10 Essential factor chain using self-locking nut to calibrate bolt

10.1，假設溫度升高10 ℃，則聲時差增加101 ns，對應M12螺栓標定曲線上24.4 kN的軸向力。從物理角度解釋為溫度的升高會引起螺栓材料的諧振性發生變化，使得通過螺栓介質的超聲波波速發生變化進而影響超聲波傳播的時間[9]。理論上根據聲彈性原理，推導出在無應力狀態下，超聲波縱波在螺栓中傳播的聲時長與溫度變化量的關系如下

t(T)=t(T0)[1+(α-β)ΔT]

(7)

式中：t(T)為溫度為T時超聲波縱波穿過螺栓的聲時長；t(T0)為初始溫度T0時超聲波縱波穿過螺栓的聲時長；α為螺栓材料的線膨脹系數；β為溫度對超聲波的影響系數；ΔT為溫度變化量。

對式(7)進行轉換可得出

t(T)-t(T0)=t(T0)·(α-β)ΔT

(8)

其中t(T)-t(T0)則為超聲波測得螺栓的聲時差，與溫度的變化量ΔT成正比，當溫度升高后，聲時差就會相應增加。在標定曲線圖像中代表曲線與橫坐標的交點，圖9所示的測試結果與式(8)表達的關系是一致的。在螺栓受力后，因電動擰緊螺栓的時間很短，所以可以不考慮溫度對超聲波的影響。

汽車底盤系統的自鎖螺母緊固連接點設計中，在裝配完成的情況下不允許穿過自鎖螺母的有效外螺紋過長，一般小于10 mm，所以不會導致標定曲線的大幅度右移。若標定中不注意引入了溫度的因素，則會使最終的螺栓軸力測試結果變小，將誤導緊固件開發工程師釋放扭矩的范圍。生產線上往往是直接用氣動槍預擰緊螺栓以提高生產節拍，試驗室測試時應保證螺栓標定和軸力測試采用相同的擰緊工藝，關鍵在于何時記錄螺栓的初始長度。考慮到溫度對超聲波波速的影響，推薦的標定方法是消除其影響，所以應在螺栓快貼合支承面時再記錄初始長度，如果是采用氣動或者電動擰至貼合的，就需要有冷卻的時間，等溫度恒定后再記錄螺栓初始長度。同樣，在后續的實際零件測試中依然要采用該擰緊步驟，這樣才能獲得準確的螺栓軸向應力測試結果。若按照生產線模式標定和測試，則需要觀察標定曲線的一致性和偏差范圍，如在允許的范圍內，這種測試的效率反而會更高。

4 結論及建議

采用普通螺母和自鎖螺母標定螺栓特征曲線時因方法不同會獲得不同的標定特征曲線，其結果的差異是因為空擰中溫度因素對超聲波波速的影響而造成的。自鎖螺母的鎖緊扭矩使螺栓溫度升高導致超聲波聲時差增加，獲得的標定特征曲線會平行右移。

試驗室測試時應盡量消除溫度對超聲波的影響，或者保證螺栓標定和軸向力測試兩個階段采用相同的標定方法，建議在螺栓快貼合支承面時再記錄初始長度。