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      摩擦系數對螺栓裝配質量影響的探討

      來源: 上海百若試驗儀器有限公司 日期:2017年11月01日  點擊數:載入中...

      0.前言

      螺紋聯接是目前應用最為廣泛的聯接方式之一,尤其是在汽車制造業中,其聯接質量直接影響著汽車裝配質量及可靠性。要提高螺紋聯接件的疲勞壽命、聯接可靠性及聯接質量,關鍵在于合理的控制預緊力的大小。從目前的裝配工藝來看,最經濟可行的方法是通過控制扭矩來實現對軸向夾緊力的控制;預緊力的大小是保證聯接質量的重要因素。實際上,螺栓擰緊的過程是一個克服摩擦的過程,在這一過程中存在端面摩擦和螺紋副的摩擦。

      ?

      本文針對摩擦系數對螺紋聯接的影響進行一定的理論分析,定性的得出摩擦系數對裝配質量的影響,并結合一定的試驗研究及案例分析,定量的確定摩擦系數對裝配質量的影響程度,從而更好的去控制預緊力,提高螺栓連接的可靠性。

      ?

      1.摩擦性能及理論分析

      1.1螺栓擰緊過程中的摩擦與扭矩分配

      螺栓擰緊是克服螺紋副摩擦和端面摩擦的過程,通常情況下裝配時的擰緊扭矩約90%都被螺紋摩擦副和端面摩擦副消耗掉了,只有約10%轉化為螺栓軸向夾緊力(見圖1)。

      理論上,擰緊過程擰緊扭矩T,螺栓軸向力F與摩擦系數及螺紋規格之間有(1)式關系:

      (1)



      ? ? ? ? ? ?(2)

      其中d0—螺紋公稱直徑,mm

      ???? Fv—預緊力,N

      ???? K—扭矩系數

      ???? T—擰緊力矩,N·mm

      ???? ?—螺紋螺旋角

      ???? ρv—螺紋摩擦角

      ???? α—螺紋側面角

      ??? ?d2螺紋中徑,mm

      ???? Dw螺栓頭或螺母支撐面有效直徑,mm

      ?

      從式(2)右側三項可以分別理解為螺紋副摩擦消耗的扭矩、螺栓伸長(產生軸向力)消耗的扭矩及端面摩擦消耗的扭矩。假定μs=μw=0.15,計算可得粗牙、細牙螺栓在擰緊過程中所消耗的扭矩(見表1)。

      考慮到摩擦條件(摩擦系數、規格)的不同,螺栓在擰緊過程中扭矩消耗的比例也會不同,例如,有襯墊的或異形螺紋緊固件在擰緊過程中還要消耗一部分自鎖扭矩。采用自主開發的NZA-1000型多功能緊固分析裝置,對某10.9級普通粗牙螺栓(μs=0.11,μw=0.15)配合普通螺母和具有自鎖功能的異形螺母進行擰緊試驗,扭矩消耗比例見表2。

      1.2摩擦系數對裝配過程的影響的理論分析

      我們知道,由于受到裝配位置、裝配工具等多種因素的影響,在生產線上直接控制預緊力來裝配螺栓聯接是很難實現的,所以只能通過控制和預緊力相關的其他參數(如扭矩、螺栓頭或螺母轉角、螺栓伸長量等)來間接控制預緊力。而目前常用的裝配工藝有以下幾種:扭矩法、扭矩-轉角控制法、屈服點控制法和螺栓長度法;最常用的是“扭矩法”和“扭矩-轉角控制法”,而這兩種擰緊方式均會受到摩擦系數的影響,從而影響螺栓緊固時的預緊力。

      1.2.1 扭矩裝配法

      使用扭矩裝配法時,達到規定扭矩就停止,只對某一確定的緊固力矩進行分析,操作簡單,復檢也容易。但經過大量的試驗和實踐經驗發現,在實際擰緊過程中受摩擦系數等影響,僅僅5%~10%的扭矩轉換成了預緊力。倘若支撐面摩擦系數降低20%,那么支撐面摩擦消耗的扭矩降為40%,軸向預緊力將提高20%。由此可見,扭矩裝配法受螺栓摩擦系數的影響之大。

      2 扭矩裝配法

      ?

      1.2.2 扭矩-轉角控制裝配法

      在擰緊螺栓時,先設定扭矩將螺栓擰緊,然后再將螺栓旋轉至一個規定的角度,利用螺栓的彈性變形來確保聯接力達到規定的要求。該方法可分為彈性區域擰緊法和塑形區域法。

      該方法能夠準確的控制預緊力,螺栓材料完全被利用,僅與螺紋副摩擦及螺栓屈服強度有關,設定的扭矩值常取所需擰緊扭矩值的25%左右。雖然螺紋的摩擦系數對達到較小的扭矩產生的“階段預緊力”有一定的影響,但影響較小,而螺紋的摩擦系數對轉角擰緊所產生的預緊力沒有影響,因為在彈性區或塑性區,如果彈性模量恒定,預緊力僅與螺栓伸長量有關,而伸長量與螺栓旋轉角度成正比。

      3 扭矩-轉角控制裝配法

      ?通過以上分析可知,扭矩系數K是擰緊扭矩轉化成預緊力的中間系數,其大小直接影響預緊力的大小,而K值是由螺紋常數和摩擦系數共同決定的,由式(1)(2)不難看出,當螺紋常數一定的情況下,摩擦系數的平均偏差大,就會導致預緊力產生大的波動;倘若摩擦系數太低,擰緊扭矩轉換成夾緊力比例就大,導致預緊力過大,造成螺栓的損傷;反之,大部分擰緊扭矩就會用于克服摩擦,導致達不到所需要的螺栓夾緊力。因此,為更好的控制軸向預緊力,保證裝配質量,就要嚴格控制螺栓的摩擦系數。

      ?

      2.摩擦系數對裝配質量影響的試驗及結果分析

      2.1摩擦系數對扭矩系數穩定性的影響

      通過理論分析可知摩擦系數是影響扭矩系數穩定性的主要因素之一;但扭矩系數是一個經驗值,影響因素較多,即使同一批螺栓摩擦系數恒定,扭矩系數也不可避免的出現散差。是否要對摩擦系數進行控制,控制到何種程度才能保證扭矩系數的穩定,需要通過試驗進一步探索。

      ?

      采用NZA-1000型多功能緊固分析系統(見圖4)進行試驗,以探究摩擦系數對扭矩系數穩定性的影響。該系統能夠測量出螺栓的極限強度、螺栓擰緊過程中的夾緊力、螺紋副上的扭矩等,嚴格按照GB/T 16823.3-2010實施。


      4 NZA-1000型多功能螺栓緊固分析系統

      試驗對象為控制摩擦系數在0.13±0.03范圍的鍍鋅螺栓和未控制摩擦系數的鍍鋅螺栓;通過緊固件擰緊試驗分析兩種螺栓扭矩系數的散差。試驗螺栓均為六角頭螺栓(M10×1.25×60,10.9級),螺母為六角法蘭面螺母(M10×1.25,10級)。試驗過程中的配合為6H/6g;墊板厚度為3mm,表面粗糙度3.2μm,棱邊倒鈍。

      每組螺栓按不同的聯接部位進行50次實驗,通過軟件進行數據記錄和分析,并進行正態分布擬合(見圖5(a)(b)),并計算兩種螺栓的扭矩系數和強度極限的均值、標準值和變異系數(見表3),并將扭矩系數和極限強度制成分布盒圖(見圖6(a)(b))。

      5 (a)扭矩系數正態分布曲線 (b)強度極限正態分布曲線

      6 (a)扭矩系數分布盒圖 (b)強度極限分布盒圖

      圖5(a)和圖6(a)可以看出控制摩擦系數后扭矩系數的正態分布更為集中,未控制摩擦系數的螺栓扭矩系數則分散。從表3可以知道,控制前扭矩系數大多分布在0.43左右,控制后則分布在0.23左右,扭矩系數顯著減小(降幅達46.5%);標準差和變異系數反映了扭矩系數的散差,控制后扭矩系數的標準差和變異系數分別降低了60.7%和27.2%;說明摩擦系數散差對扭矩系數散差的影響大,控制摩擦系數有利于控制扭矩系數的穩定性。

      而圖5(b)和圖6(b)可以看出控制摩擦系數后的極限強度的正態分布更為集中;控制后的極限強度較控制前高出59.7%;表6顯示控制摩擦系數后,極限強度的標準差和變異系數分別降低了34.5%和59.0%。

      ?

      綜上可得,控制摩擦系數可以顯著提高螺栓聯接性能的穩定性。

      ?

      2.2 摩擦系數對螺栓防松性能的影響

      橫向振動相對與軸向振動更容易導致產生螺紋聯接的松動,直接測量工作過程中螺栓摩擦系數的動態變化難度很大,可通過測試預緊力的衰減,衡量不同摩擦系數的螺栓的防松性能。

      參考武漢理工大學摩擦學研究所的試驗方法,采用FPL-600型橫向振動試驗機(見圖7,夾緊力誤差±1%,橫向位移測量誤差±1%),按照GB/T 10431-2008的要求,連續記錄螺栓預緊力的變化,來分析摩擦系數對螺栓聯接防松性能的影響。

      7 FPL-600型防松試驗臺

      4種不同摩擦系數的六角頭法蘭面螺栓,表面處理方式分別為Ep.Zn8.c2C(控制摩擦系數為0.25)、Ep.Zn8.c2C(控制摩擦系數為0.15)、Ep.Zn8.c2C(控制摩擦系數0.20)、達克羅;與之相配合(6H/6g)的螺母表面處理方式相同,每組10顆,計算均值,振動30、60、90、120次后記錄軸向力,試驗結果見表4和圖8。


      8 不同摩擦系數的螺栓橫向振動過程中的殘余夾緊力

      試驗結果表明,摩擦系數對于螺栓的防松性能影響大,摩擦系數越小越不利于防松。但是,為保證螺栓聯接的裝配質量,摩擦系數的要進行綜合的考量。

      ?

      3.摩擦系數對裝配質量影響的案例

      為保證螺栓聯接裝配質量需要嚴格控制螺栓的摩擦系數,因此摩擦系數試驗顯得尤為重要,以下是國內某螺栓生產廠家通過摩擦系數試驗來解決實際工程問題的案例。該公司為某主機廠提供六角頭與平墊圈組合螺栓(見圖9,材料為SCM435,強度等級為11T),裝配路試過程中產生異響,采用軸力儀(摩擦系數試驗機)測試測試其工藝改進前后的摩擦系數見表5。



      :1.原狀態是指平墊和螺栓六角支撐面未做任何處理,其他三種狀態均增加了內孔倒角、六角支撐面倒角去毛刺。

      ?

      從上表數據對比發現:1)產品改進前后的試驗數據有明顯變化,特別表現在軸向預緊力、總摩擦系數和端面摩擦系數;2)產品改進前后各項實驗數據與CKD件比較一致,墊片單面磨并涂0.11摩擦系數穩定劑的一組最為接近;3)實際摩擦系數受產品表面狀況和摩擦系數穩定劑綜合影響,但產品表面狀況起決定性作用;4)造成產品裝配后產生異響的主要原因是螺栓在90Nm的扭矩裝配下,產生軸向預緊力不足。而在相同裝配扭矩下,影響軸向預緊力的主因是產品摩擦系數的差異。

      綜上,需減小產品的摩擦系數以便增加軸向預緊力,為此可采用一下措施:1)對已生產的未組合墊片的半成品增加墊片單面磨(擬改態2);2)后續修整模具(擬改態3)。

      其中表3是按照主機廠要求(墊片沖壓成形、單面倒角、定向床墊)改進后螺栓產品的試驗數據,從而達到了技術指標。

      6 改進后的摩擦系數試驗數據

      項目

      摩擦系數穩定劑

      軸向力/kN

      μtot

      μs

      μw

      模具改進后狀態

      1

      0.09

      64.55

      0.09

      0.11

      0.07

      2

      0.11

      75.95

      0.07

      0.09

      0.05

      3

      0.11

      64.36

      0.09

      0.11

      0.07

      產品改進前摩擦系數較大,相同裝配扭矩下軸向預緊力相對較小,導致螺栓松脫產生異響;改進模具和加工工藝(內孔單面倒角、定向穿墊)后,產品的摩擦系數降低了,相同的裝配扭矩下軸向預緊力增大至所要求的值。裝配路試后,發現該改進措施是有效的,螺栓不再松脫產生異響。

      ?

      4.結論

      1)通過理論分析,定性的分析了摩擦系數的不同造成扭矩轉化成預緊力的不同,從而發現摩擦系數是影響裝配質量的關鍵因素之一;

      2) 通過試驗分析,定量的得出摩擦系數很大程度上影響了螺栓的聯接效能;

      3)通過案例分析和試驗分析,得出在有效范圍內,摩擦系數與螺栓聯接的可靠性成反比關系;螺紋緊固件的選用和設計務必要堅持可靠性理論原則,才能夠充分發揮緊固件的效能,提高裝配質量。

      ?


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