020测量螺纹紧固件的摩擦系数

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螺纹紧固件摩擦系数的测量及应用

神龙汽车有限公司 刘建文 佘东晓

摘要 本文主要对螺纹紧固件的摩擦系数的概念和测量方法作了重点介绍，并结合实际经验对试验过程中应注意的问题作了说明；然后阐述了在使用扭矩拧紧法时，摩擦系数值在拧紧工艺设计中的应用。

关键词 螺纹紧固件 摩擦系数 扭矩拧紧法

1 前言

我们知道，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。而要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。目前在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。但是扭矩和轴向夹紧力的关系受到螺纹联接副摩擦条件的直接影响。如果联接副的摩擦状况存在较大的散差，我们得到的轴向力必然比较分散，系统的可靠性得不到保障。于是我们可以通过测量扭矩系数来评价螺纹联接副的摩擦条件。但是扭矩系数是一个由整个螺纹联接副的摩擦条件以及它们的几何形状共同决定的经验系数，本身变化的范围就很大，不具备通用性。随着我们对拧紧控制的要求越来越严格，扭矩系数表现出了一定的局限性，并且我们现场装配的扭矩控制精度正得到逐步提高，这些都使得我们有可能，也有必要运用更准确，更严格的方法来评价螺纹联接的摩擦条件。测定螺纹紧固件的摩擦系数就是这样一种方法。

不象扭矩系数，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。但是表观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。它的结果并不直接用于指导现场拧紧装配，而是为了确保每一批螺栓（螺母）的摩擦系数都稳定在一个水平上，从而达到最终装配质量稳定和可靠的目的。

2 摩擦系数的测量

2.1 试验装夹方式

装夹方式见图1、图2所示。 2.2 计算公式

通常我们测量扭矩系数K 的计算公式为： F

d C

K ⋅=

（1）

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式中，C 为扭矩，F 为轴向夹紧力,d 是螺纹的名义直径。

而要准确地测定螺纹紧固件的摩擦系数，其方法就要复杂得多。一般我们把螺纹紧固件受到的总表观摩擦系数(µa )分为两个部分，螺纹间的摩擦系数(µs )，螺栓头部支承面的摩擦系数(µw )，总表观摩擦系数（µa ）为：（不考虑有自锁力矩的情况）

µa =( µs + µw )/2 （2）

总表观摩擦系数（µa ）可从下式求出：

C = F (0.16 P + µa (0.583 d 2 + d m /2)) （3）

式中，C 为总扭矩，F 为轴向夹紧力，d 2为螺纹中径（d 2=d - 0.6495*P ），P 为螺距，d 是螺纹的名义直径，d m 为螺栓头部摩擦圆等效直径：

)

d (d d d *32d 2

i 2w 3

i

3w m --= 式中，d w 为螺栓或螺母与支承垫圈接触面外径，d i 为螺栓或螺母与支承垫圈接触面内径。 螺纹间的摩擦系数（µs ）可从下式求出：

C s = F *0.583 d 2 *µs （4） 式中，C s 为克服螺纹间摩擦所产生的扭矩。 螺栓头部的摩擦系数（µw ）可从下式求出：

C w = F *d m *µw /2 （5） 式中，C w 为克服支承面摩擦所使用的扭矩。

2.3 被检测零件

（1）零件类型。我们所检测的螺纹紧固件，不包括自锁螺母和有弹性的螺母，以及头部有弹性垫片的螺栓。这些零件在拧紧过程中的受力状态比较复杂，一般不直接测摩

图 1 测试螺栓时的装夹

图 2 测试螺母时的装夹

传感器

支承垫圈

传感器

支承垫圈

拧紧套筒的位置

拧紧套筒的位置

基准螺母

基准螺栓

擦系数。常用的方法是将零件拧到固定的轴力（如1000N），给定一个此轴力下力矩许可的范围（如30Nm～35Nm），如果实际测量的力矩不在这个范围内，这说明摩擦条件不符合要求。

（2）表面状态。被检测零件表面状态为供货状态，除了有特别的要求，一般不作任何处理。包括除油脂处理。

2.4 基准螺母（螺栓）

因为我们是测量一个基准状态下的螺栓（螺母）的摩擦系数，所以我们选择的基准螺栓（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（检查一个螺母）的公差应满足公差等级6g，基准螺母（检查一个螺栓）的公差应满足公差等级6H。螺纹公差不符合要求不仅影响摩擦系数，更对摩擦系数的散差产生不利影响。从某种意义上讲，摩擦系数的散差比摩擦系数本身还要重要。

（2）表面状态。由于零件的表面状态是影响摩擦系数的一个重要参数，所以我们选用的基准件应当是坯态（无镀层的最后状态）。如果基准件表面有覆盖层，则应去除。比如镀锌件应在浓度为200g/L的NaOH溶液中浸泡15min，以去除覆盖层。无镀层状态下的基准件应当通过脱脂处理，试验时不能有任何润滑油。

（3）性能等级。基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。

2.5 支承垫圈

支承垫圈，至少应满足维氏硬度HV30 500～600，表面状态达到R0.8～1.6，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1尺寸。

表1 支承垫圈的内径（尺寸 mm）

如果支承垫圈的内径选择不当，在拧紧过程中会造成螺栓杆部与支承垫圈的内径互相碾磨，在支承面产生额外的力矩，引起很大的摩擦系数的测量误差。见表2。

表2 M8×1.25六角头螺栓的摩擦系数受支承垫圈内径的影响

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