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摩擦系数对微车高强度螺栓联接性能的影响研究莫易敏，梁绍哲( 武汉理工大学 摩擦学研究所，武汉 430070)摘要: 针对目前大多汽车厂商没有控制螺栓的摩擦系数，联接可靠性差的问题，通过对控制摩擦系数前后的微车常用的电镀锌高强度螺栓进行拧紧实验和不同摩擦系数的螺栓进行横向振动实验， 并从控制扭矩系数稳定性、扭矩转化率、防松脱等方面分析了摩擦系数对螺栓联接性能的影响。结 果表明: 随着摩擦系数的散差减小，扭矩系数的散差减小; 随着摩擦系数的增大，螺栓的防松性能越 好，但是扭矩转化 率 越 低。控制螺栓的摩擦系数能控制扭矩系数的稳定 性，提高摩擦防松的稳 定性。关键词: 微车; 高强度螺栓; 摩擦系数; 扭矩系数; 防松; 联接性能中图分类号: th131. 3文献标识码: a文章编号: 1003-8728( 2014) 09-1408-05effect of the friction coefficient on the connection performance ofhigh strength bolted joints in micro-carmo yimin，liang shaozhe( institute of tribology，wuhan university of technology，wuhan 430070)abstract: aiming at the low connecting reliability resulting from uncontrolling the friction coefficient of boltedjoints in vehicle assembly，by carrying out tightening experiments on different zinc-coated high strength bolted joints，and lateral experiments of bolted joints in different friction coefficients，effect of the friction coefficient on the performance of bolt connection are analyzed on different aspects of controlling torque coefficients stability， energy dissipation of torque and preventing loosening the results show that the decrease in dispersion of friction coefficient will reduce the dispersion of torque coefficient，and the increase in friction coefficient will better the performance of preventing loosening but lessen the conversion rate of toque，and to control the bolts friction coefficients can control torque coefficients stability and improve stability of preventing loosening and the controlling range of fiction coefficients is also recommendedkey words: assembly; automobiles; boltedfriction; matlab; micro-car;dimensional; torque coefficient;joints;normal torqueconnection performance; energy dissipation; experiments;distribution; prevent loosing; reliability; stability; three螺纹连接是汽车制造技术中使用最广泛的连接方式，螺纹连接质量直接影响到汽车装配质量和行 驶可靠性1。而 影 响 螺纹联接可靠性的因素有材 料、摩擦系 数、紧固件加工方法 等2。我 国 传 统 汽 车产品的螺纹联接一般基于经验设计，对螺纹紧固 件没有明确的摩擦性能要求，螺栓轴向预紧力分散，联接 可 靠 性 较 差，经 常 发 生 松 动、断 裂 等 质 量 问题3。国标里 缺 乏 车 用螺栓的摩擦系数的标准规 范，一些汽车厂商将摩擦系数控制在 0. 13 0. 03 和0. 18 0. 3 这 两 个 范 围4-5。微 车 中 的 连 接 螺 栓 多 用六角 头 或 六 角 法兰电镀锌螺栓、达 克 罗 螺 栓6 等，国内对于微车的常用高强度螺栓的摩擦系数对 其联接性能的影响缺乏深入研究。从控制螺栓扭矩系数稳定性、防松脱两个方面 分析了摩擦系数对其联接特性的影响，并通过实验 验证，提出了摩擦系数控制范围的建议。收稿日期: 2013-09-11基金项目: 校企合作科研基金项目( 01w10-911-010-oob) 资助作者简介: 莫易敏( 1960 ) ，教授，博士 生导师，研究方向为机电一 体化、摩擦学方向，moyimin whut edu cn1409第 9 期莫易敏等: 摩擦系数对微车高强度螺栓联接性能的影响研究1摩擦系数对螺栓联接性能的影响量，一部分为克服螺纹摩擦力矩消耗的能量，剩下的转换为保持螺栓预紧力所需要的能 量9。取 d =10 mm， = 30，p = 1. 25mm，查 gb / t196 20031. 1摩擦系数对扭矩系数的影响装配螺栓大多使用扭矩法7，扭矩系数是宏观 反应轴向 夹 紧 力 与拧紧扭矩的线性关 系8。而 摩 擦系数是一个材料常数，当接触面的材料、表面状态 一致时，摩擦系数基本不变。国家标准 gb / t16823. 3 2010螺纹紧固件紧 固通则中指出，扭矩的计算公式为332 dw dh得到，d2 = 9. 188 mm，dw = 12. 8 mm。s23 dw dh2= w = 0. 10，s = w = 0. 15，s = w = 0. 20，s = w =0. 30 时扭矩的分布情况10，如表 1 所示。表 1不同摩擦系数对应各部分力矩比例摩擦系数tw / %ts / %tf / %( 1)t = tw + ts + tf = kff d扭矩系数的计算公式为0 100 150 2046 749 150 538 740 741 714 610 27 8= 1 ( p+ d sec + d ) = kk+ k+ k ( 2)1232ds 2w w 0 30 51 8 42 9 5 3 1 式中: 克服螺栓头摩擦消耗的扭矩 tw = 2 ff w dw ;由表 1 可 知，摩 擦所决定的力矩要占 90% 左右，而用于产生螺栓预紧力的力矩仅占 10% 左 右， 拧紧力矩 中 大 部分能量都被摩擦消耗。摩 擦 系 数 大，摩擦消耗的能量就越多，装配扭矩转换为预紧力 的比例就小。从能量利用率上说，摩擦系数越小，扭 矩的利用率越高，同时，对高强螺栓的工艺和拧紧设 备的要求更加严格，成本也更高。从式( 3) 可看出，随着紧固件支撑面的摩擦系 数和螺纹摩擦系数减小，扭矩转化率增大，说明摩擦 系数小有利于能量利用。根据式( 3) 绘制出扭矩转 化率的三维图和平面图( 图 1、图 2) 。s d2克服螺纹摩擦消耗的扭矩 ts = ff 2cos; 转化为预 p 紧力的扭矩 tf = ff 2。螺栓的扭矩系数也可分为 3 个部分: 螺栓头部 1 1 扭矩 系 数 k1= 2dw dw ，螺 纹 扭 矩 系 数 k2= 2ds d2 ，预紧力扭矩系数 k =。p3cos2d扭矩转化率的计算公式为k3p / ( 2)= k= p + k + k123w w + s r2 sec +2( 3)式中: k 为扭矩系数; p 为螺距，mm; d 为螺纹公称直径，mm; d2 为螺纹中径，mm; s 为螺纹摩擦系数; 为螺纹牙侧角，; w 为支撑面摩擦系数; dw 为支 撑面等效摩 擦 直 径，mm，ff 为 轴 向 预 紧 力，kn。在 螺栓拧紧实验中，通常将螺纹摩擦系数 s 与支撑面 摩擦系数 w 近似相等，以总摩擦系数 来表征不同 装配螺栓的摩擦系数。轴向预紧力稳定，螺栓联接性能好。而扭矩系 数的散差过大，不利于螺栓的 可 靠 服 役。由 式 ( 2 ) 可以看出，紧固件的摩擦系数散差与扭矩系数散差 呈同方向变化的。在微车批量装配螺栓的条件下， 根据不同供应厂商提供的高强度螺栓，同一型号各 个螺栓的摩擦系数存在散差，若摩擦系数散差过大， 则可能导致扭矩系数散差过大，轴向预紧力分散，螺 栓联接会过早地失效，所以要控制同种高强度螺栓 摩擦系数的散差。拧紧螺栓需要克服摩擦力的作用，消耗拧紧力 矩的能量一部分为克服螺栓 头摩擦力矩消耗的能 图 1 扭矩转化率的影响三维图图 2 扭矩转化率的影响平面图可知摩擦系数越小，对扭矩系数的影响越大，但当支撑面 摩 擦 系 数 超 过 0. 18，螺纹摩擦系数超过 0. 23 时，摩擦系数对扭矩系数的影响不大。当控制1410机 械 科 学 与 技 术第 33 卷螺栓的摩擦系数小于 0. 18 时，更应该控制摩擦系数的散差。1. 2摩擦防松机理变载荷、振动和冲击是造成螺纹紧固件松动的 主要因素11。微车在行驶过程中，其螺栓都处于振 动、冲击、磨损或者高温的环境中，由于各零件的惯 性和与其相连零件的相互作用，使螺纹的摩擦系数 急剧降低，甚至出现摩擦阻力瞬时消失，破坏原有的 平衡关系，使螺纹副不能满足自锁条件，产生微量的 相对滑动，多 次 相对滑动累加，就会导致预紧力减 小，最终连接松动10。摩擦所决定的力矩要占 90% 左右，上述环境的 变化，都对摩擦所决定的力矩造成大的波动，所以在 联接中，要保持稳定的摩擦系数，才不致使拧紧力矩 迅速降低而产生松动。同时摩擦系数越大，摩擦阻 力也越大，螺栓联接松动的可能性就越小12，有利 于提高螺栓的防松性能。用 6h /6g 配合。垫 块 板 厚 为 3 mm，机 械 加 工 后 表面粗糙度为 3. 2 m，锐角倒钝。每组按照不同的连接部位进行 50 次实验，通过matlab 软件对记录的数据分别进行正态 分 布 拟 合15，如图 3，图 4，并计算两种螺栓的扭矩系数和 强度极限的均值、标准值和变异系数16。将扭矩系 数和极限强度制成分布盒图，如图 5，图 6 所示。图 3两种螺栓扭矩系数正态分布密度函数实例2以上理论分析可知摩擦系数是影响扭矩系数的主要因素之一13。扭矩系数是一个经验参数，影响 扭矩系数的原因有很多，即使一批螺栓的摩擦系数 恒定，扭矩系数也不可避免地出现散差。是否对摩 擦系数进行控制，控制到哪个程度，控制摩擦系数能 否使扭矩系数稳定，需要实验进一步探索。螺栓的摩擦系数小，有利于更多的能量转换为 轴向预紧力，提高扭矩的利用率，但是摩擦系数大， 能提高摩擦系数的防松性能。对摩擦系数的控制范 围需要进一步实验研究。而目前有些汽车厂商将摩 擦系数控制在 0. 13 0. 03 和 0. 18 0. 3 两个范围， 所以，针对这 2 组摩擦系数的范围，综合控制扭矩系 数的稳定性和保证防松性能两个因素，对摩擦系数 的控制范围进行分析。2. 1 摩擦系数对扭矩系数稳定性影响的实验实验采用 schatz 多功能螺栓紧固分析系统，该 系统可以测量出螺栓的极限强度、螺栓拧紧过程中 的夹紧力、螺纹副上的扭矩等。实验严格按照 gb / t16823. 3-2010 实施。以控制摩擦系数在 0. 13 0. 03 范围的电镀锌 螺栓和未控制摩擦系数的电镀锌螺栓14 为实验对 象，通过紧固件拧紧实验分析两种螺栓的扭矩系数 散差。试验螺栓统一为六角头螺栓，螺母为六角法 兰螺母，螺 栓 型 号 为 m10 1. 25 60，强 度 等 级 为10. 9 级，螺 母 型 号 为 m10 1. 25，相 应 等 级 为 10级。两者表面处理方式相同，处理后螺栓与螺母采图 4两种螺栓极限强度正态分布密度函数图 5 两种螺栓扭矩系数分布盒图图 6 两种螺栓极限强度分布盒图表 2 不同螺栓的测量参数均值、标准差、变异系数值测量参数均值 标准差变异系数控制摩擦系数的扭矩系数未控制摩擦系数的扭矩系数 控制摩擦系数的极限强度/ kn0. 22940. 425061. 08000. 01570. 03991. 10361. 68500. 06840. 09390. 01810. 0441未控制摩擦系数的极限强度/ kn 38. 24001411第 9 期莫易敏等: 摩擦系数对微车高强度螺栓联接性能的影响研究动17。直接测试微车工作时螺栓摩擦系数的动态 变化耗费多，这里以横向振动为例，通过测试预紧力的衰减，衡量不同摩擦系数的微车常用高强螺栓的 防松性能。实验采用横向振动试验机，夹紧力测量误差在 3% 内，横向位移测量误差在 1% 内。将紧固件 拧紧在试验装置上，试验机产生交变横向位移，连续 记录螺栓预紧力变化的瞬时值，根据记录的数据，判 定紧固件的防松性能。实 验 严 格 按 照 gb / t10431-2008 实施。试验螺栓为 4 种摩擦系数的六角头法兰面螺 栓，表 面处理方式分别为 ep zn8 c2c、ep zn8 c2c( 控制摩擦系数为 0. 15 ) 、ep zn8 c2d、达 克 罗，与之相配的螺母的表面处理方式 相 同，螺 栓 与 螺母采用 6h /6g 配 合，每 组 取 10 个 螺 栓 螺 母，计 算均值。对不同摩擦 系 数 的 螺 栓进行横向振动实 验，测试初始、30 、60 、90 、120 后 的 轴 向 力，实 验结果如表 3。从图 3，图 5 可以看出控制摩擦系数后的扭矩系数的正态分布更为集中，而未控制摩擦系数的扭矩系数 的正态分布则分散。从表 2 可以看出，控制前扭矩系 数大多分布在 0. 43 左右，而控制后扭矩系数大多分布 在 0. 23 左右，扭矩系数显著减少，降低了 46. 5% ，标准 差和变异系数反映了扭矩系数的散差，控制后扭矩系 数的标准差、变异系数分别降低了 60. 7% 和 27. 2% 。 说明摩擦系数散差对扭矩系数散差的影响大，控制摩 擦系数有利于控制扭矩系数的稳定性。从图 4，图 6 可以看出控制摩擦系数后的极限 强度的正态分布更为集中，而未控制摩擦系数的极 限强度的正态分布则分散。从表 2 可以看出，控制 后螺栓的极限强度要高出控制前的 59. 7% ，控制后 极限强度显著提高，控制后极限强度的标准差和变 异系数分别降低了 34. 5% 和 59. 0% ，说明控制摩擦 系数可以显著提高螺栓联接性能的稳定性。2. 2摩擦系数对螺栓防松性能的影响实验横向振动相对于轴向振动更易产生螺纹连接松表 3不同摩擦系数的残余轴向力对比摩擦系数表面处理方式初始轴向力 / kn30轴向力 / kn60轴向力 / kn90轴向力 / kn120轴向力 / kn残余 / 初始 / %0. 250. 200. 150. 12fe / epzn8c2cfe / epzn8d2dfe / epzn8c2c达克罗19. 8419. 7919. 7619. 8118. 6718. 5418. 1117. 7918. 5818. 3517. 6717. 1918. 5418. 2717. 3016. 6018. 5318. 2017. 0815. 9793. 3991. 9886. 6180. 63明显，其防松性能较好。图 8 中通过对不同摩擦系数残 余 / 初 始 的 对 比，当 摩 擦 系 数 从 0. 15 变 化 到0. 12，虽然摩擦系数只降低了 0. 03，但是剩余预紧力 与初始预紧力的比值下降了 6% ，降幅最大，而且随着摩擦系数的降低，剩余预紧力降低的越多，说明摩 擦系数小的螺栓也要控制散差，保证螺栓防松性能稳定。摩擦系数对于螺栓的防松性能影响大，摩擦系数越小，越不利于防松，这与摩擦防松机理相吻合。 随着车况、环境的影响，微车的高强螺栓的摩擦系数 是动态变化的，摩擦系数越小的螺栓在服役过程中 摩擦系数的继续降低是导致螺栓联接松脱的主要原 因。经过实验可知，微车高强螺栓摩擦系数 0. 12 左 右及以上的螺栓的防松性能比较好。图 7 不同摩擦系数轴向力的衰减通过不同摩擦系 数 的螺栓 残余轴向力对 比，得 出摩 擦 系 数 越 小，防 松 性 能越好。从图 7 中可以发 现轴向力下降的趋势大致 相同，而且在最初的 30 下 降最 显 著，最 大 降 幅 分 别图 8不同摩擦系数的残余轴向力比值为5. 90% 、 6. 32% 、3结论8. 25% 、10. 20% 。摩擦系数为 0. 25 和 0. 20 的螺栓在 60 后轴向力的降幅很小，不 到 0. 4% ，预 测 这 两种摩擦系数的螺栓防松性能稳定，摩擦系数为 0. 12的螺栓在 60以后，预紧力有持续下降的趋势，但不1) 对拧紧扭矩的能量损失和扭矩的利用 率 进行分析，得出降低螺栓的摩擦系数能提高扭矩的利1412机 械 科 学 与 技 术第 33 卷用率，有利于减少拧紧力矩的能量损耗。2) 通过扭矩转化率的三维图和平面图可 以 看出摩擦系数不同取值对扭矩系数的影响，发现当支 撑面摩擦 系 数 超 过 0. 18，螺纹摩擦系数超过 0. 23时，摩擦系数对扭矩系数的影响不再显著，摩擦系数 小于 0. 18 的螺栓要注意控制散差。说明摩擦系 数 越小，对扭矩系数的影响越大，必须控制摩擦系数，提高扭矩系数的稳定性。3) 对控制摩擦系数前后的电镀锌高强螺 栓 进行了拧紧实验，发现控制螺栓的摩擦系数能提高扭 矩系数的稳定性。摩擦 系 数 在 0. 13 0. 03 的 电 镀 锌高强螺栓的扭矩系数稳定性好。4) 通过横向振动实验对不同摩擦系数的 螺 栓 的防松性能进行评估，可知随着摩擦系数增大，防松性能越好。同时，摩擦系数为 0. 12 左右及以上的螺栓的防松性能比较好。摩 擦 系 数 为 0. 13 0. 03 的螺栓 的防松性能比摩擦系数为 0. 18 0. 3 的 螺 栓差，但是前者的防松是可靠的。5) 针对目前有些汽车厂商将摩擦系数控 制 在0. 13 0. 03 和 0. 18 0. 3 两个范围，从控制扭矩系 数的稳定性和防松可靠两方面综合考虑，摩擦系数控制在 0. 13 0. 03 的螺栓比控制在 0. 18 0. 3 的螺栓联接性能更好。threaded fasteners j( 46) : 26-27 ( in chinese)automobile and parts，2012，6徐关庆，林胜荣 汽车防护性表面处理技术发展j电镀与精饰，2007，29( 4) : 27-32xu g q，lin s development of automobile protective surface treatment techniquej plating and finishing，2007，29( 4) : 27-32 ( in chinese)濮良贵，纪明刚 机械设计m 北京: 高等教育出版 社，2006pu l g，ji m g design of machinerym beijing:higher education press，2006 ( in chinese)sakai t bolted joint engineering: fundamentals and applicationsm beuth verlag，2008nassar s a，el-khiamy h，barber g c，et al an experimental study of bearing and thread friction in fasteners c / / americansocietyofmechanical789engineersasme / stle 2004international jointtribology conference，2004: 1097-1114刘 朝 英 螺栓联接松脱分 析j 现 代 机 械，2002， ( 1) : 70-71liu c y analysis of loosening of threaded fastenersj modern machinery，2002，( 1 ) : 70-71 ( inchinese)jiang y，lee c h，zhang m a study of early stage self- loosening of bolted jointsj journal of mechanicaldesign，2003，125( 3) : 518-526housari b a，nassar s a effect of thread and bearing friction coefficients on the vibration-induced loosening of threaded fasteners j journal of vibration and acoustics，2007，129( 4) : 484-494赵海川，王晶 关于风电螺栓扭矩系数与摩擦系数的探讨j 风能，2010，( 9) : 54-56zhao h c，wang j study of torque coefficient and friction coefficient of wind power s threaded fastenersj wind energy，2010，( 9) : 54-56 ( in chinese)nassar s a，zaki a m effect of coating thickness on the friction coefficients and torque-tension relationship inthreaded fastenersj journal of tribology，2009，131( 2) : 021301张志涌 精通 matlab 6m 北京: 北京航空航天大学 出版社，2003zhang z y proficient in matlab 6m bijing: beihanguniversity press，2003 ( in chinese)王文森 变异系数-一个衡量离散程度简单而有用的 统计指标j 中国统计，2007，( 6) : 41-42wang w s coefficient of variation-a simple and useful statistical index on dispersion j china statistics，2007，( 6) : 41-42 ( in chinese)沈英明，杜彦 良，李 惠 军 螺 纹 联接防松方法研究综 述j 石