螺纹紧固力分析

螺纹紧固力分析
本项目对发动机重要螺栓的装配工艺及螺栓紧固力的原理进行了较为全面的研究。

通过对螺纹紧固件的紧固力分析,介绍了四种螺纹紧固件的装配方法和拧紧试验原理。

同时对四种装配方法进行深入的讨论,利用试验结果论证不同装配方法产生的预紧效果与装配精度。

标签：螺纹紧固件装配方法拧紧试验
0 引言
螺纹紧固件是发动机机械装配中中最常见的联结件,汽车发动机上有很多种螺栓,螺栓和螺母则是螺纹紧固件中用途最广的零件。

无数的质量事故不断提醒人们不可小觑貌似简单的螺纹紧固件。

从某种意义上讲装配质量对螺纹紧固件的影响甚至大于其制造质量的影响。

随着发动机小型化和扭矩越来越大,对连接要求的提高,装配质量越来越引起人们的关注。

如何使螺纹紧固件的实际紧固力精确或较精确地接近理论紧固力(即紧固效果)是最为关心和研究最多的课题。

1 螺纹紧固件的紧固力
螺纹紧固件的紧固力Po一般是通过控制扭矩M来实现的,这是基于Po与M 之间存在以下关系:M≈0.001PodM[0.16s/dM+f(0.6+RM/dM)]
式中d—螺纹外径mm
s—螺距mm
f—摩擦系数
RM—螺母或螺纹紧固件头部支承面平均半径mm
显然,用力矩M来控制Po是很不精确的。

因为在这两者的关系中包含着一个变化很大且难精确确定的摩擦系数fo它受螺纹表面及座面粗糙度、润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、反复拧紧时的温度变化等诸多不定因素的影响,这就使真正的紧固力很分散,波动极限约为±40%。

分析各种螺纹紧固件损坏原因,发现设计正确,工艺及材料合格的产品,大都是由于螺纹松动所致。

松动是由于各种外力作用下实际紧固件的紧固力显得不足(尽管扭力扳手已保证了理论紧固力)或螺纹紧固件与被连接件之间产生相对滑动而引起的。

也就是说’由于用单纯扭矩法进行机械零件的连结的实_际紧固力与理论紧固力的不一致性,影响了螺纹紧固件的紧固效果。

因此,这种凭扭矩进行装配的方法用于一般机械零件的连结尚可,若用在承受高交变应力的机械连接上则很可能出问题。

显然,精确控制紧固力是提高螺纹紧固件紧固效果的最好办法。

而拧紧试验是制订精确的拧紧工艺(即拧紧工艺优化)和实现精确控制紧固力的重要手段和前提。

基于以上紧固力的分析,螺纹紧固件的装配有几种不同的方法。

2 常见的螺纹紧固件装配方法
目前常见的螺纹紧固件装配方法有以下四种:①单纯扭矩法②弹性区域的扭矩+转角法③屈服(塑性)区域的扭矩+转角法④伸长量测量法
2.1 单纯扭矩法利用拧紧试验的结果(特别是紧固力一转角曲线、扭矩茹角曲线和伸长量紧固力曲线)就可以很方便地制订拧紧工艺。

单纯扭矩法比较简单,首先由设计人员确定螺纹紧固件所需的紧固力P0,然后根据该紧固力P0在紧固力一转角曲线上找出相应的转角αTOT,最后根据扭矩一转角曲线上找出于αTO 对应的扭矩M,此扭矩M即为装配扭矩(图1)。

2.2 扭矩+转角法扭矩+转角法装配工艺的确定则要比单纯扭矩法复杂些:首先根据设计所需的紧固力在拧紧试验做出的拉力茹角曲线上找出对应的转角αTOT;在扭矩—转角曲线上找出与预扭矩对应的α1;实际装配的有效转角αEFF=αTOT-α1。

装配时,先将螺纹紧固件按预扭矩α1拧紧,然后转动αEFF角度。

弹性区域扭矩+转角法与屈服曲域扭矩+转角法的区别是前者的紧固力设计在螺纹紧固件拉伸曲线的弹性区,而后者则将紧固力设计在屈服区。

但两种方法的装配效果和对螺纹紧固件及装配设备的要求是不同的。

2.3 伸长量测量法这是一种根据Po=c1λ01。

直接利用螺纹紧固件的伸长来控制紧固力的方法。

因而其装配精度极高,装配时的紧固力完全符合设计的预计力。

由于测量螺纹紧固件的伸长很困难,故其成本昂贵,在找到简便的伸长测量方法之前,这种装配方法尚无法用于生产。

用伸长量测量法进行装配前亦需进行拧紧试验,做出紧固力御长量曲线。

根据设计师提供的紧固力在紧固力御长曲线上找出相应的伸长量,装配时通过测量螺纹紧固件的伸长量来控制螺纹紧固件的紧固力。

3 螺纹紧固件的拧紧试验原理
螺纹紧固件的拧紧试验原理如图3所示:用电机带动拧紧装置(如套筒)拧紧螺纹紧固件,同时利用力传感器,角度传感器和扭矩传感器测出螺纹紧固件的紧固力、转动的角度(转角)、扭矩(螺纹部位的扭矩、头部支承面的扭矩和总扭矩)、摩擦系数(螺纹部位的摩擦系数、头部支承面的摩擦系数和总摩擦系数)。

传感器的信号通过A—D转换输入到计算机,计算机用适当的软件处理后打印出紧固力精角曲线,扭矩一转角曲线和紧固力、扭矩及摩擦系数的統计学处理的数据。

4 材料、结构和工艺因素对高强度螺栓疲劳性能的影响试验研究
4.1 选择AISI4l4OH、ML42CrMo、40MnB、SCM435、ML40Cr、SCr440
等6种材料进行了对比试验。

结果表明,国产材料与进口材料的疲劳寿命没有表现出显著的差异。

实物螺栓试验结果表明:硬度变化不大时(HRC40～42.5),试样的疲劳强度无显著差异;再回火处理后螺栓的疲劳强度下降22.5%;去应力退火后螺栓的疲劳强度下降27.5%;某发动机连杆螺栓存在表面脱碳情况下的疲劳强度下降19.8%:先滚丝后磷化螺栓比先磷化后滚丝螺栓的疲劳强度低25.3%;将螺栓头下圆角表面粗糙度从Ra3.2m(半精车)降低到Ra0.8m(精车),其疲劳强度平均值提高38.0%。

4.2 螺栓表面处理对其摩擦性能的影响试验研究
4.2.1 消化吸收国外有关标准,进行了大量试验,引进通用拧紧机及轴力计,配套开发出先进的计算机数据采集与处理系统,全面完善常用螺纹紧固件的摩擦性能试验手段。

4.2.2 就不同表面处理(镀锌强化钝化、普通镀锌、磷化、发蓝、白件等)及润滑条件(涂油、浸乳化液、涂脂、预涂胶等)对螺栓摩擦性能的影响进行了试验研究.得出了初步试验数据。

5 结束语
进行拧紧试验可以为各种螺纹紧固件的装配工艺提供可靠的依据,四种方法螺纹紧固件装配方法都是根据拧紧试验的结果制订的。

四种装配方法各有千秋,具体操作时应综合考虑紧固要求、设备条件、螺纹紧固件的质量水平以及成本等诸方面因素。

另外,拧紧试验还有助于螺纹紧固件的失效分析和质量改进。

拧紧试验在国外已被广泛应用,国内也有少数公司开展这方面的工作。

相信随着机械工业的不断发展,拧紧试验将成为机械性能试验中不可或缺的一个试验。

参考文献:
[1]余欣义.螺栓在塑性域紧固.机械设计.1986.(6):17-21.
[2]潘志光.提高螺栓联接的效率.机械设计与研究.1985.(4):1-13.。