紧固件摩擦系数简介

紧固件摩擦系数简介

浙江长华汽车零件有限公司李大维

在汽车装配中，螺纹紧固件装配的质量将直接影响整车的装配质量和行驶的可靠性。为此，在施加外载荷之前，需拧紧螺纹紧固件，以加紧被联接件。称拧紧螺纹紧固件为预紧，称该力为轴向预紧力。保证螺栓的可靠服役，必须在装配时要保证有适当的轴向夹紧力。目前的装配工艺上最经济可行的方法是通过控制扭矩来间接实现对轴向夹紧力的控制。预紧力的大小是保证链接质量的重要因素，螺栓的拧紧过程是一个克服摩擦的过程，在这一过程中存在螺纹副的摩擦及端面摩擦。而影响预紧力的主要因素除了使用的工具及拧紧方法外就是紧固件的摩擦系数。

摩擦系数是一个明确的物理概念，它是摩擦力与正压力之间的比值，也可以理解为一个材料常数，当摩擦面的材料、表面处理状态和润滑条件确定后，摩擦系数也就确定下来。但是摩擦系数与零件表面状态和制造公差有关。摩擦系数的测量必须在一定的基准条件下进行，才能保证有良好的重复性。

紧固件摩擦系数检测、计算方法

试验设备要求

试验设备

能够应用扭紧扭

矩和用自动或手

动旋转螺帽和螺

栓头部，测量功能

能够显示表1中

的项目，显示精度

值要求±2%，除非

有其它的特殊要

求。角度的测量精

度要求无论什么

条件下必须达到

显示值的±2°或

±2%。为了达到仲裁的目的，扭紧时使用能控制的动力工具并控制旋转速度保持恒定。测量结果能以电子记录方式记录。

目前汽车行业使用比较多的设备是德国Schatz 多功能螺栓紧固分析系统，此实验测试机传感器精度均为0.5%，符合各大汽车公司紧固件分析要求中

的试验测试机要求。实验测试机的测量项目不但包含表1中要求测量项目，通过测试分析系统软件程序，可以求得总摩擦系数、螺纹之间的摩擦系数及支承表面

摩擦系数，同时可以按不同的装配工艺(如扭矩转角装配、屈服点装配等)进行验证性试验。

试验装夹方式(见图1、图2)。

计算方法

试验时由检测设备采集到相应的扭矩和预紧力数值，试验软件根据设定好的公式进行结果计算。根据ISO16047标准摩擦系数计算公式为：

其中：

式中，μtot为总摩擦系数，T为总扭矩，P为螺距，F为预紧力，d2为螺纹中径，Db为摩擦在螺帽或螺栓头部底下的支承表面有效摩擦直径，Do为支承垫圈表面的外径，dh为螺栓通过的垫圈或支承零件孔的直径。

螺栓副之间的摩擦系数计算公式为:

式中，μth为螺纹副之间摩擦系数，Tth螺纹摩擦扭矩。

螺栓头部摩擦系数的计算公式为：

其中，μb为紧固件头部摩擦系数，Tb为紧固件头部扭矩。

测试选测的标准螺母(螺栓)

选择的基准螺栓(螺母)要保持相同的状态才能确

保试验的重复性。

(1)螺纹公差。基准螺栓(测试螺母)的公差应满足

公差等级6g，基准螺母(测试螺栓)的公差应满足公差等级

6H。

(2)表面状态。标准中提供了两种表面状态，无镀

层的螺母(螺栓)；按ISO 4042标准镀锌的螺母(螺栓)。试

验前，通过脱脂处理，试验时不能有任何润滑油。

(3)性能等级，标准件的等级应当和被检测件的等

级相当或高于被检测件的等级。

试验垫片

试验垫片，应满足硬度5060HRC，面粗糙度满足Ra 0.5±0.3，其表面应当没有镀层和润滑油。试验前应当作除油脂处理。支承垫圈的外径必须大于被检测两零件的外部最大尺寸，内径符合表2尺寸。

试验过程

使用Schatz 多功能螺栓紧固分析系统可以用一个稳定的转速(无论这

个转速是多少)，拧紧到被试验零件夹紧力试验载荷的( 0.75 Fp)75%.；也可以是开始使用较高的速度，然后停顿几s，再以一个低速拧紧到设定的扭矩值。同时还可以拧紧到零件发生屈服。

试验零件(试验螺栓，试验螺钉，试验螺帽，试验垫圈和试验支承垫)将仅使用一次。当计划重复实验重新使用旧的支承垫片时，确认个别的支承垫片确实是和新的一样。

摩擦系数对装配过程的影响

目前由于受到装配位置、装配工具等因素的影响，还不太可能在生产线上通过直接控制预紧力来装配螺栓联接，所以只能通过控制和预紧力相关的其它参数(如扭矩，螺栓头或螺母转角，螺栓伸长量)来达到间接控制预紧力的目的，相应地产生了以下几种预紧方法:“扭矩法”和“扭矩－转角控制法”、“屈服点控制法”和“螺栓长度法”。其中使用最多的还是“扭矩法”和“扭矩－转角控制法”，而这两种拧紧方式都将会受到产品摩擦系数大小的影响，从而影响螺栓紧固时的预紧力。而“屈服点控制法”和“螺栓长度法”则避免了摩擦系数对装配的影响。

扭矩装配法

使用扭矩装配方法时，当达到规定的扭矩就停止，只对一个确定的紧固力矩进行控制，操作简单，扭矩容易测量和控制，扭矩事后也容易复检。但经过大量的试验和实践经验的积累，在实际拧紧过程中受到摩擦系数等影响，仅仅5%~10%的扭矩转化为所需要的预紧力，有90%的扭矩被拧紧过程中的摩擦消耗掉。当支承面的摩擦系数降低20%时，支承面摩擦扭矩降为40%，螺栓轴向夹紧力将翻倍增加(有20%的拧紧扭矩转化成夹紧力)。由此可见，使用扭矩装配方法，摩擦系数对螺栓夹紧力的影响之大。

扭矩－转角控制法

在拧紧螺栓时，先以设定的扭矩将螺栓拧紧，然后再将螺栓旋转到一个规定的角度，利用螺栓的弹性变形，来确保联接力达到规定的要求，这就是转角扭矩法。这种方法可分为弹性区域拧紧法和塑性区域法。

此方法能较准确控制预紧力，螺栓材料完全被利用，仅与螺纹副摩擦及螺栓的屈服强度有关，设定的扭矩值常取所需拧紧扭矩值的25％左右。虽然螺纹的摩擦系数对达到较小的扭矩产生的“阶段预紧力”有一定的影响，但是影响较小，而螺纹的摩擦系数对转角拧紧所产生预紧力没有影响，因为在弹性区或塑性区，如果弹性模量恒定，预紧力仅与螺栓伸长量有关，而伸长量与螺栓旋转的角度成正比。