螺栓連接副因其承載能力強、互換性好、可拆卸等優點,在現代化大生產中應用廣泛,對整機質量和安全性能具有重要影響。螺栓連接副依靠螺栓副及被連接副件之間的摩擦力傳遞載荷,摩擦力的大小與軸向預緊力有直接關係。軸向預緊力過大或過小都會對螺栓連接副產生不利影響。軸向預緊力過小,螺栓連接副承載能力、防松性能均達不到設計要求;軸向預緊力過大,螺栓接觸面應力值較大,容易引起螺栓變形、滑扣等機械損傷,降低螺栓連接副可靠性。因此,為保證螺栓連接副滿足連接副實際工作需要,必須確定合理的軸向預緊力範圍。
當前對螺栓連接副設計時,因國標、行標均未對螺栓緊固件的摩擦性能做具體要求,通常採用的方法是依據經驗公式、經驗數據計算扭緊力扭,當螺栓緊固件與被連接副件的表面狀態發生變化時,會引起軸向預緊力過大或過小,導致螺栓連接副出現斷裂、鬆動等質量問題。
螺栓連接副緊固過程中所需要的總扭矩力扭為克服螺栓螺旋副之間的摩擦所需要的扭緊力扭與克服支承面摩擦的扭緊力扭之和。
研究分別計算μf=μs=0.10,μf=μs=0.14,μf=μs=0.16,μf=μs=0.,20,μf=μs=0.25時各部分扭矩所佔比例,不同摩擦係數下各部分扭矩所佔比例見表1。
表1 不同摩擦係數下各部分扭矩所佔比例
由表1可知,螺栓連接副件在擰緊過程中,只有約10%的扭矩用於產生軸向預緊力,其餘90%的扭矩用於克服摩擦。隨著摩擦係數增加,用於產生軸向預緊力的扭矩所佔總力矩百分比逐漸降低,扭矩利用率也逐漸降低,在總扭矩力不變的情況下,可能會出現實際軸向預緊力小於理論值的問題,影響螺栓連接副設計功能的實現。因此,必須充分重視螺栓連接副摩擦係數的研究。
螺栓連接副中,隨著螺栓摩擦係數和支承面摩擦係數增大,軸向預緊力明顯減小,當螺栓摩擦係數大於0.35、支承面摩擦係數大於0.3時,軸向預緊力降低趨於穩定。因此,實際生產中必須將螺栓緊固件的摩擦係數控制在一定範圍內,以防止軸向預緊力過大或過小,避免因螺栓斷裂、鬆動等質量問題導致螺栓連接副功能失效。
當扭緊力矩設計為90N?m,經計算當摩擦係數μf=μs=0.08時,軸向預緊力=65.50KN;當摩擦係數μf=μs=0.16,軸向預緊力=36.38KN。由此可見,當摩擦係數由0.08增加至0.16時,軸向預緊力平均下降值29.12kN,降幅為44.46%。由此可見,當摩擦係數發生變化時,將會引起軸向預緊力數值出現大範圍波動,影響螺栓連接副防松性能和可靠性,導致螺栓連接副無法實現其設計功能。
螺栓緊固件摩擦係數分螺栓摩擦係數和支承面摩擦係數,主要取決於螺栓製造工藝和實際應用時裝配工藝。經長期工作實踐,10000次臺架試驗驗證,確認摩擦係數與下列因素密切相關。
1、螺栓精度。由螺栓公差帶和旋合長度組成,螺栓精度是螺栓加工質量的綜合體現,同等條件下螺栓精度越高,摩擦係數越小。
2、緊固件表面粗糙度。包括螺栓表面粗糙度和支承面表面粗糙度,與緊固件生產中的冷鐓作業工藝參數、螺栓製造工藝有直接關係。
3、緊固件表面處理工藝。包括磷化、電鍍和鋅鋁塗層。受表面處理層材料類型、局部厚度、轉化工藝等因素影響,不同表面處理工藝得到的緊固件摩擦係數相差較大。
總之,實際生產裝配中,應根據被連接副結構需要,合理選擇緊固件的工藝參數,確保將摩擦係數的散差控制在較小範圍內。設計螺栓連接副時,應首先依據實際試驗結果確定摩擦係數,然後利用此摩擦係數計算扭緊力矩,以保證軸向預緊力理論值與實際值的一致性,提高螺栓連接副的可靠性和設計準確性。
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