CN119413440B 一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法 （航天精工股份有限公司）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(65)同一申请的已公布的文献号(73)专利权人航天精工股份有限公司地址300300天津市东丽区引航道1号周泉知沈超李瑀衡刘秀岩刘燕许彦伟符杰刘亚涛(74)专利代理机构天津企兴智财知识产权代理有限公司12226专利代理师薛萌萌刘本领.涂层对自锁螺栓锁紧力矩影响仿真及试验研究.机械强度.2023,第45卷(第1期),第244-249页.一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法本申请提供了一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法，包括：获取摩擦防松紧固件预紧时的参数数据，其中，所述参数数据包括螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩；根据所述螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩、支撑摩擦力矩和锁紧力矩，建立摩擦防松紧固件未被拧松时的拧松力矩关系式；根据所述拧松力矩、螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩计算得到最小有效锁紧力矩，基于所述最小有效锁紧力矩评估摩擦防松紧固件在标准松动实验下的防松动性能。本申请所述的方法极大的降低了摩21.一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法，其特征在于，包括：获取摩擦防松紧固件预紧时的参数数据，其中，所述参数数据包括螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩；根据所述螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩、支撑摩擦力矩和锁紧力矩，建立摩擦防松紧固件未被拧松时的拧松力矩关系式；根据所述拧松力矩、螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩计算得到最小有效锁紧力矩，基于所述最小有效锁紧力矩评估摩擦防松紧固件在标准松动实验下的防松动性能；所述螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩公式分别表示为：摩擦力矩；所述建立摩擦防松紧固件未被拧松时的拧松力矩关系式，包括：响应于所述摩擦防松紧固件被拧松过程中，内外螺纹之间的锁紧力矩阻碍紧固件松动，具有防松性能紧固件的拧松力矩满足如下关系式：其中，所述拧松力矩由预紧力、支撑表面摩擦系数和松动半径计算得到，计算公式如螺栓有效径得到。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在标准松动实验中，拧松力矩由振动试验机产生的切向力提供，试验机所提供的最大拧松力矩为固定值，以保证紧固件刚好不发生松动时的锁紧力矩为最小有效锁紧力矩，则所述最小有效锁紧力矩与所述拧松力矩关系式表示为：3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最小有效锁紧力矩公式表示为：TR-min=F·Hw·d-TThrea+TAxial-TBearing。34.一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算系统，应用如权利要求1至3任一项所述的方获取模块，被配置为获取摩擦防松紧固件预紧时的参数数据，其中，所述参数数据包括螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩；建立模块，被配置为根据所述螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩、支撑摩擦力矩和锁紧力矩，建立摩擦防松紧固件未被拧松时的拧松力矩关系式；计算模块，根据所述拧松力矩、螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩计算得到最小有效锁紧力矩，基于所述最小有效锁紧力矩评估摩擦防松紧固件在标准松动实验下的防松动性能。4一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法技术领域[0001]本申请属于紧固件防松技术领域，尤其涉及一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法。背景技术[0002]螺纹紧固件作为基础零件被大量应用于航空航天、航海、轨道交通等各种工程领域，随着对装备性能要求的不断提升，对紧固件性能的要求也更加严苛。传统紧固件服役过程中严苛的工况易导致预紧力减小，其主要原因来自于螺母的松动与螺栓的疲劳断裂，这些共性问题直接威胁着高端装备的服役可靠性，因此提升紧固件预紧力保持性能一直是国内外学者的研究热点。[0003]对于螺纹紧固件目前常用的防松方法有三种：永久防松、机械防松和摩擦防松。摩擦防松因其抗松动性能好、拆装方便、成本低廉而被广泛使用，摩擦防松是由于内外螺纹间过盈量会产生附加的应力，对紧固件的耐疲劳性能有负面影响。[0004]为了提升防松动性能，工业上常采用永久防松、机械防松及摩擦防松三种形式。这些方法虽能有效抑制松动，但增加了加工难度与预紧难度，而且并没有提升耐疲劳性能，甚至可能降低耐疲劳性能。在耐疲劳方面多应用高强度材料及滚压、喷丸、热处理等方法，这些方法可提升耐疲劳性能但没与防松动技术紧密结合，很难实现耐疲劳一防松动协调提升。而且，目前通用紧固件存在内部应力分布不均现象，导致固定位置应力集中，使用中过度劳累，断裂集中发生在过度劳累位置，材料性能没有得到最大程度的发挥，为避免事故发生目前采用过大尺寸匹配紧固件的方法，这也与轻量化路线违背。发明内容[0005]有鉴于此，本申请旨在提出一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法，以解决上述至少一个问题。[0006]为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：[0008]获取摩擦防松紧固件预紧时的参数数据，其中，所述参数数据包括螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩；[0009]根据所述螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩、支撑摩擦力矩和锁紧力矩，建立摩擦防松紧固件未被拧松时的拧松力矩关系式；[0010]根据所述拧松力矩、螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩计算得到最小有效锁紧力矩，基于所述最小有效锁紧力矩评估摩擦防松紧固件在标准松动实验下的防松动性能。[0011]第二方面，基于同一发明构思，本申请还提供了一种螺栓连接最小有效锁紧力矩5[0012]获取模块，被配置为获取摩擦防松紧固件预紧时的参数数据，其中，所述参数数据包括螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩；[0013]建立模块，被配置为根据所述螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩、支撑摩擦力矩和锁紧力矩，建立摩擦防松紧固件未被拧松时的拧松力矩关系式；[0014]计算模块，根据所述拧松力矩、螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩计算得到最小有效锁紧力矩，基于所述最小有效锁紧力矩评估摩擦防松紧固件在标准松动实验下的防松动性能。[0015]相对于现有技术，本申请所述的一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法具有以下有益效果：[0016]本申请所述的一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法对摩擦防松紧固件最小有效锁紧力矩进行计算，极大的降低了摩擦防松紧固件在设计与评估过程中的工作量，为方法相互结合，在现有性能基础上有效提升紧固件性能。附图说明[0017]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：[0018]图1为本申请实施例所述的一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法流程图；[0019]图2为本申请实施例所述的预紧力矩与预紧力关系图；[0020]图3为本申请实施例所述的预紧力矩、螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩示意图；[0021]图4为本申请实施例所述的拧松力矩、螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩、支撑摩擦力矩和锁紧力矩示意图；[0022]图5为本申请实施例所述的摩擦防松紧固件支撑表面摩擦力示意图；[0023]图6为本申请实施例所述的M12收口螺母螺栓径向力示意图；[0024]图7为本申请实施例所述的普通紧固件与摩擦防松紧固件的预紧力曲线图；[0025]图8为本申请实施例所述的摩擦防松紧固件预紧力矩与预紧力损失量比值关系[0026]图9为本申请实施例所述的普通紧固件的预紧力矩与最小有效锁紧力矩关系图；[0027]图10为本申请实施例所述的一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算系统结构示意具体实施方式[0028]为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照[0029]需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第6该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。LooseResistanceTorque(松动抵抗扭矩，即锁紧力矩),简称TR。Tp是一种初步评价螺纹紧固件的一种方法，其仅用扭矩扳手测量螺母旋入螺栓时的扭矩即可，无需预紧，然而对于某些类型的螺纹紧固件，Tp在预紧过程中有可能发生减小的现象，导致完全预紧的情况下Tp不能满足螺纹紧固件的防松要求。因此，本实施例特别研究了摩擦防松扭矩的另一个值TR,它可以考虑为拧松过程中的T,它在紧固件被拧松时直接阻碍其松动。图2展示了普通紧固件及某种摩擦防松螺纹紧固件在预紧-拧松过程中预紧力矩与预紧力的关系，图中黑色线条代表普通紧固件，灰色线条代表摩擦防松紧固件。当预紧到相同预紧力情况下，摩擦防松紧固件比普通紧固件需要更大的扭矩，在预紧过程中多出的那一部分扭矩就是T,,图中由右部分区域表示；在拧松过程中多出的那一部分就是T,图中由左部分区域表示。拧松起始点的松动抵抗扭矩TR直接决定紧固件是否会发生松动，因而特别得到关注。[0031]TR-min是在标准的横向振动松动实验条件下(JunkertestDIN25201-4)能够保证摩擦防松螺纹紧固件不发生松动的最小有效锁紧力矩值。利用TR-min可快速评估出紧固件在DIN25201-4标准下是否具有良好的防松动性能，TR-min可通过紧固件的基本参数计算获得。[0032]以下结合附图详细说明本申请的实施例。[0033]请参阅图1所示，本实施例提供了一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法，具体包括如下步骤：[0034]步骤S101、获取摩擦防松紧固件预紧时的参数数据，其中，参数数据包括螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩。[0035]具体地，在本实施例中，当摩擦防松紧固件预紧时，如图3所示，预紧力矩T为螺纹栓夹紧力力矩TAxia被转化为预紧力F,其他两个被消耗以克服摩擦。这些扭矩可以使用公式(1)-(5)来计算，其中，d₂表示螺杆的有效直径，P表示节距，d表示支撑表面摩擦的等效直7力产生，需要克服两个抗松力矩，预紧力T在此过程中被释放，在预紧力F一定的条件下，松动，可能使T≤TThread-TAxial+TBearing松动性能。[0049]根据公式(7)-(9)可推导出最小锁紧力矩TR-min的计算方程，如公式(10)所示。8产生防松扭矩的收口螺母。[0052]本实施例所述的一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算方法对摩擦防松紧固件最小有效锁紧力矩进行计算，极大的降低了摩擦防松紧固件在设计与评估过程中的工作量，为使用者提供了个更佳快速便捷的方法，同时此方法与新材料、结构优化、滚压、喷丸、热处理等方法相互结合，在现有性能基础上有效提升紧固件性能。[0053]本申请基于上述方法分别对摩擦防松紧固件和普通(螺纹)紧固件进行实例验证，具体如下：[0054]1)摩擦防松紧固件[0055]在本实施例中，采用的是由径向力产生防松扭矩的M12收口螺母与M12螺栓，如图6所示。在与螺栓预紧时，第一圈螺纹径向挤压螺栓，产生过盈配合。当干涉量△增加时，对应的松动抵抗扭矩T也随之增加。在DIN25201-4标准下，应的防松动性能如图7所示，松动抵抗扭矩.5Nm的防松紧固件的防松性能优于普通紧固件，但拧紧力F存在较大的损失。松动抵抗扭矩.2Nm的紧固件的预紧力F值相同，都具有较强的防松动性能。为了尽可能避免降低耐疲劳性能的基础上最大程度提升防松动性能，需要确定紧固件防松性与材料寿命之间的最佳。因此研究了当松动抵抗扭矩8.2Nm与10.2Nm之间紧固件预紧力F的损失量。预紧力F损失定义为剩余预紧始预紧力Finitia₁的百分比(Fresidual/Finitial%)。[0056]如图8所示，由于螺纹紧固件存在初始骤降，预紧力损失量比值不可能达不到100%值越大，防松性能越好值随着松动抵抗扭矩此通过实验得出M12紧固件的最小有效防松扭矩[0057]2)普通紧固件[0058]根据公式(7),在DIN25201-4标准下，对M12普通紧固件进行松动实验与有限元分0析。在松动开始时对螺母施加外扭矩，将松动实验中螺母的松动角度(-θ)强制限制为0,施加外扭矩可视为公式(7)中的。实验结果如图9所示，在确保普通紧固件不松动的条件下，所需要施加的外扭矩的最小值为7.8Nm,即最小有效松动抵抗扭矩[0059]由上述实例验证可得出M12防松紧固件(8.2Nm)与普通紧固件(7.8Nm)所得的有限元分析的值非常相似，因此，也验证了本实施例所述方法的可行性。0[0060]需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。[0061]基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请的实施例还提供了一种螺栓连接最小有效锁紧力矩计算系统。[0062]如图10所示，所述螺栓连接最小有效锁紧力矩计算系统，应用如上述实施例所述9[0063]获取模块11,被配置为获取摩擦防松紧固件预紧时的参数数据，其中，参数数据包括螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩和支撑摩擦力矩；[0064]建立模块12,被配置为根据螺纹摩擦力矩、螺栓夹紧力力矩、支撑摩擦力矩和锁紧力矩，建立摩擦防松紧固件未被拧松时的拧松力矩关系式；[006