(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司,廣西 柳州 545007)
支承面硬度對(duì)扭矩系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)探究
覃佳亮 陳 林 肖 健
(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司,廣西 柳州 545007)
影響高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)的因素比較多,但是在目前的研究分析中,對(duì)螺旋副支承面硬度這一因素的影響程度存在分歧。文章先是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行分組對(duì)比并加以相應(yīng)的理論分析,重點(diǎn)研究了螺旋副支承面對(duì)扭矩系數(shù)影響程度的大小,進(jìn)而探究了支承面硬度是否為影響螺栓扭矩系數(shù)的關(guān)鍵因素。利于工程實(shí)踐中更準(zhǔn)確的計(jì)算扭矩系數(shù),進(jìn)而更好的發(fā)揮螺栓效能。
硬度;扭矩系數(shù);效能
高強(qiáng)度螺栓廣泛應(yīng)用于機(jī)械連接中,多用于受力部位及重要接頭處,螺栓的安全關(guān)系到 整個(gè)機(jī)械組的安全可靠性。螺栓的效能主要取決于初始的擰緊程度,在緊固件和結(jié)構(gòu)允 許的情況下,預(yù)緊力越大,螺栓效能越好,連接越可靠;但是,預(yù)緊力越高,對(duì)螺栓強(qiáng)度的要求和被連接件的要求就越高,過(guò)高的預(yù)緊力有可能將緊固件拉斷或者壓潰支承面.因此,控制預(yù)緊力的大小是相當(dāng)重要的。實(shí)際裝配時(shí)很難直接去控制和測(cè)量軸向預(yù)緊力,而是通過(guò)擰緊扭矩間接得到,其中的轉(zhuǎn)化因子便是扭矩系數(shù)。螺栓的扭矩系數(shù)K宏觀上直接反映螺栓擰緊過(guò)程中的扭矩與軸力的關(guān)系,它的大小不僅取決于摩擦面的摩擦系數(shù),還取決于螺紋連接副的幾何狀況,其影響因素有很多。文章分析螺紋副支承面硬度對(duì)扭矩系數(shù)影響程度,其研究結(jié)果提高了扭矩系數(shù)分析的準(zhǔn)確性,對(duì)工程實(shí)踐中更有效的發(fā)揮螺栓效能有一定的指導(dǎo)意義。
2.1 實(shí)驗(yàn)器材
本次螺栓的扭拉實(shí)驗(yàn)采用SCHATZ多功能螺栓緊固件分析系統(tǒng)(德國(guó),傳感器精度為±0.5%)。符合GB/T 16823中的實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)要求,運(yùn)用這一系統(tǒng)可以測(cè)量出螺栓擰緊過(guò)程中的夾緊力、總扭矩、螺紋副上的扭矩以及支持面扭矩,并能對(duì)夾緊力和扭矩的關(guān)系精確實(shí)時(shí)的反映,通過(guò)扭矩和夾緊力曲線(xiàn)可以算出扭矩系數(shù)。
實(shí)驗(yàn)螺栓統(tǒng)一為六角頭螺栓M12,長(zhǎng)度60mm(這是SCHATZ儀器必要的長(zhǎng)度要求),表面處理后與螺母配合精度為6g;螺母為六角法蘭螺母,表面處理方式與螺栓相同(這一點(diǎn)是非常重要的),表面處理之后與螺栓的配合精度為6H。其他參數(shù)見(jiàn)表2-1,被聯(lián)接件材料為45#和Q235,板厚度為3mm,其中45#鋼的硬度一般為HRC28,Q235的硬度一般為HRC16。以上兩種材料的硬度都是在未經(jīng)淬火前的硬度,其他條件均相同。
表2-1 實(shí)驗(yàn)材料清單
表2-2 兩種材料在不同孔位的扭矩系數(shù)值
表2-3 夾緊力與摩擦系數(shù)(摩擦力)關(guān)系表
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
(1)第一組實(shí)驗(yàn):M12螺栓及配對(duì)螺母,45#鋼墊板
將螺栓固定,將45#鋼板的1號(hào)孔套入螺桿,將螺母在擰緊裝置中夾緊并調(diào)整其空間定位,是螺母下端面與孔板接觸;啟動(dòng)儀器,螺母隨擰緊裝置旋轉(zhuǎn)向下,擰緊裝置對(duì)螺母施加 線(xiàn)性增加的扭矩(直到200N*m左右停止),儀器自動(dòng)記錄螺栓預(yù)緊力隨著扭矩增加變化的曲線(xiàn),并記錄實(shí)驗(yàn)編號(hào);更換另一對(duì)相同的螺栓螺母,用孔板上得2號(hào)孔裝配,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這樣連著重復(fù)做十次實(shí)驗(yàn),每次實(shí)驗(yàn)都采用新的螺栓、螺母,每次都用孔板上得不同孔來(lái)裝配,并記錄下每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
(2)第二組實(shí)驗(yàn):M12螺栓及配對(duì)螺母,Q235墊板
該組實(shí)驗(yàn)同樣按照第一組實(shí)驗(yàn)的步驟反復(fù)進(jìn)行10次,并記錄每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
兩組實(shí)驗(yàn)完成后,記錄試驗(yàn)儀器上每次實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)編號(hào),并拷貝對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以作后來(lái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。
2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,儀器自動(dòng)記錄了螺栓擰緊過(guò)程中的“預(yù)緊力—轉(zhuǎn)角”與“扭矩—轉(zhuǎn)角”兩條曲線(xiàn),要得出最終的“扭矩—預(yù)緊力”曲線(xiàn)(該曲線(xiàn)的斜率與扭矩系數(shù)K成正比關(guān)系),就需要將上述兩條曲線(xiàn)分別等分,準(zhǔn)確獲取曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)得數(shù)值,兩組扭矩系數(shù)的數(shù)據(jù)如表2-2:
將上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB程序后進(jìn)行數(shù)值擬合,得到兩組數(shù)據(jù)的擬合K線(xiàn)圖(圖1-1)。其中,圖1-1(a)中的十條藍(lán)色直線(xiàn)分別代表了第一組實(shí)驗(yàn)中十個(gè)孔位的“扭矩—預(yù)緊力”曲線(xiàn);圖1-1(b)中的十條紅色直線(xiàn)分別代表了第二組實(shí)驗(yàn)中十個(gè)孔位的“扭矩—預(yù)
緊力”曲線(xiàn)。
圖1-1(a)45#擬合圖
圖1-1(b)Q235擬合圖
對(duì)上述兩幅圖對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),兩幅圖在形狀上并沒(méi)有太大的區(qū)別,K線(xiàn)的斜率大致相同,分布的區(qū)域也相近。另外,單獨(dú)觀察分析兩組圖發(fā)現(xiàn),各自都出現(xiàn)了幾條偏差較大的K線(xiàn);從表2-2中兩組實(shí)驗(yàn)中的扭矩值中也可以發(fā)現(xiàn),在第一組中的2、8、9孔和第二組的6、7、10孔位的值都超過(guò)了0.3,與同組中其他孔位的扭矩系數(shù)值差別較大,這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在散差較大的問(wèn)題。那么,這些散差問(wèn)題到底是什么原因造成的呢?下面進(jìn)行了一系列的理論分析。
圖1-2 總扭矩的分配規(guī)律
通過(guò)理論經(jīng)分析,影響上述數(shù)據(jù)散差較大的原因可能有以下兩點(diǎn):一是孔板表面加工不均勻,未經(jīng)過(guò)統(tǒng)一鍍鋅等表面加工處理;二是孔板在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)生了細(xì)微變形。首先,電鍍鋅是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層金屬鋅的過(guò)程,換句話(huà)說(shuō)是鋅離子在鍍層表面堆積的過(guò)程,由于表面加工不均勻以及電位高低的不同就會(huì)造成鍍鋅厚度的不同,一般電鍍高低電位處鍍層厚薄差距較大。這樣由于表面加工不均勻以及鍍鋅厚度的不同,那么其表面狀態(tài)就會(huì)有很大的差異,這樣就會(huì)導(dǎo)致在不同的孔位表面摩擦系數(shù)不相同,根據(jù)公式
式中:
Tf—緊固扭矩;K—扭矩系數(shù);Ff—初始預(yù)緊力;d—螺紋公稱(chēng)直徑
d2—螺紋中徑 ;P—螺距
μs—螺紋摩擦系數(shù); μw—支撐面摩擦系數(shù)
α'—螺紋牙側(cè)角;—接觸支撐面外徑
dh—接觸的支撐面內(nèi)徑
Dw—支撐面摩擦扭矩的等效直徑。
可以看出扭矩系數(shù)K與摩擦系數(shù)(螺紋間摩擦系數(shù)sμ和支承面間摩擦系數(shù)wμ)相關(guān),當(dāng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持其它因素不變的情況下,由于摩擦系數(shù)的不同,顯然會(huì)造成扭矩系數(shù)值的差別,因此使得扭矩系數(shù)曲線(xiàn)出現(xiàn)散差較大的情況,這一點(diǎn)在兩組實(shí)驗(yàn)中都是存在的;
其次,在螺栓被擰緊的過(guò)程中,由于孔板的微小變形,導(dǎo)致了螺母與連接件的實(shí)際接觸面發(fā)生變化,因?yàn)閿Q緊過(guò)程中摩擦力的大小與實(shí)際的接觸面積有關(guān)——實(shí)際接觸面越大,對(duì)應(yīng)的兩接觸面的摩擦力越大,反之亦然。根據(jù)夾緊力與摩擦系數(shù)關(guān)系表(如表2-3)和總扭矩的分配規(guī)律(如圖1-2)
從圖1-2中,我們可以看出在通常情況下,對(duì)螺栓所施加的總扭矩只有10%轉(zhuǎn)化為軸向夾緊力,而其它大部分都用于克服摩擦力;從表2-3中清楚的發(fā)現(xiàn),當(dāng)摩擦系數(shù)發(fā)生變化時(shí),總扭矩轉(zhuǎn)化成的軸向夾緊力就會(huì)變化,而由前言中提到的扭矩與軸向力的轉(zhuǎn)化因子便是扭矩系數(shù),顯然扭矩系數(shù)K必然發(fā)生了變化。這種影響對(duì)于兩組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都是存在的,對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)的干擾影響大致相同。
通過(guò)上述分析可知,孔板表面加工不均勻,未經(jīng)過(guò)統(tǒng)一鍍鋅等表面加工處理和孔板在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)生了細(xì)微變形這兩個(gè)因素在兩組試驗(yàn)中都是存在的,并且影響的程度是一致的??梢?jiàn),兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中散差較大的原因并不是因?yàn)槁菪敝С忻嬗捕炔煌鸬模窃囼?yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等客觀原因造成的。
為了進(jìn)一步探究?jī)山M數(shù)據(jù)的差別與螺旋副支承面硬度的關(guān)系,特將兩組共20條K線(xiàn)整合在一張圖片中(圖1-3),其中紅線(xiàn)代表墊塊材料為45#的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),藍(lán)線(xiàn)代表墊塊材料為Q234的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
對(duì)比前面表2-2中兩種材料分別在不同孔位實(shí)驗(yàn)測(cè)得的扭矩系數(shù)值可以看出,除去前面提到的幾個(gè)散差較大的數(shù)據(jù)外,第二組K值略小與第一組,但是這個(gè)差異甚微,最大相差為僅為0.0386,最小相差為0.0217。從圖1-3中可以清楚的發(fā)現(xiàn)兩組實(shí)驗(yàn)擬合K線(xiàn)的分布區(qū)域
大致重合,并無(wú)明顯的差異,這一點(diǎn)也說(shuō)明了,兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中除了支承面不同外,在誤差允許的范圍內(nèi),保證其它條件相同的情況下,所得到擬合K線(xiàn)圖是一致的。
圖1-3 兩中材料的擬合K線(xiàn)圖
通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)和理論分析可以得出該對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)論:在排除了實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的客觀因素的問(wèn)題外,螺旋副支承面的硬度不同對(duì)扭矩系數(shù)K值的影響很小,可以略微不計(jì)。
通過(guò)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn),分別對(duì)材料為45#鋼和Q235鋼的墊板進(jìn)行十次實(shí)驗(yàn),兩組實(shí)驗(yàn)中只是被連接件不同,其它條件均保持一致。并利用MATLAB軟件做相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理,得出螺旋副支承面硬度的差異,對(duì)高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)的影響甚微,可以忽略不計(jì)。因此,螺旋副支承面的硬度不是影響高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)的關(guān)鍵因素。
[1]賈賢安,李昊,袁皖安. 高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)影響因素的實(shí)驗(yàn)研究[J].技術(shù),2003.
[2]劉建文.螺栓預(yù)緊力—扭矩圖及應(yīng)用[J].技術(shù),2001.
TH-3
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