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紧固件表面处理方式对预紧力的影响分析

时间:2016-07-04来源: 作者: 点击: 264次


于红1, 张智荣 1,赵红1

(1.北京汽车研究总院有限公司 北京市 101300)

 

摘要:随着汽车防腐性能的不断提高,螺纹紧固件作为汽车底盘上的关键零部件之一,其表面处理方式在环保和耐蚀性方面不断的被改进与优化。对于承受重要载荷的螺纹紧固件,应该保证其表面处理方式不论如何变化,都能产生相同的预紧力。这就要求对于汽车底盘上的螺纹紧固件,在改变其表面处理方式后,对其拧紧力矩进行修正,确保产生相同的预紧力。本文利用超声波测量设备、拧紧机模拟分析了螺纹紧固件表面处理方式对预紧力的影响。结果表明,螺纹紧固件表面处理方式的改变,会使预紧力产生较为明显的变化。螺母由防蚀磷化表面处理切换为锌铝涂层表面处理后,为保证螺纹接头不失效,拧紧力矩需要从原来的140N•m调整为180N•m。

关键字:紧固件;表面处理;预紧力

 

Abstract: With the continuous improvement of vehicle anti-corrosion performance, threaded fasteners as one of the key parts of automobile chassis, its surface treatment method was improved and optimized constantly in the aspect of environmental protection and corrosion resistance. To the threaded fasteners which bear important load, we should ensure that the the same clamping force was produced no matter how to change the surface treatment. This need to modify the tightening torque of automobile chassis threaded fasteners to ensure that the same clamping force was produced after changing the surface treatment methods. Based on ultrasonic measuring equipment and tighten machine, this article simulate and analysis the variation of threaded fasteners clamping force caused by changing surface treatment .The results show that the change of surface treatment method of the threaded fastener can lead the clamping force to vary obviously. After changing the surface treatment of the nut from anti-corrosion phosphating to zinc aluminum coating, tightening torque is required to be adjusted from the original 140N•m to180N•m in order to ensure that the threaded connection does not fail.

Keywords: Fasteners  Surface Treatment  Clamping Force

1.       前言

螺纹连接、焊接、铆接、胶接是汽车制造中常用的连接方法。螺纹连接与其他连接方法相比,具有便于拆卸维修、安装速度快、安装精度高等优点,在汽车接头设计中应用最为广泛 ADDIN NE.Ref.{BD285860-91A2-4E97-B0C3-C421BE81A810}[1]。一辆轿车上平均使用紧固件约4000个,费用约占整车成本的2.5%。在装配线上,紧固件连接的工作量约占总工作量的70%

汽车上很多关键部位都采用螺栓连接,例如悬架的控制臂、减震器等。若这些关键部位的螺纹接头失效,会引起整车功能失效,直接危及乘员的生命和财产,造成的损失无法估量。近年来,因紧固件问题导致的汽车召回事件频频发生,因此,螺纹接头的设计需要更多的重视。

安装螺栓时,若某个螺栓产生的轴向预紧力过大,在汽车运行过程中螺栓就可能因承受超过极限的应力而引起拉伸断裂失效;反之,若预紧力过低会导致接头松动 ADDIN NE.Ref.{831743B4-DB4A-4CF6-85B1-2F3ED155019A}[2],致使螺栓疲劳断裂或松脱等一系列问题。

紧固件的材料、摩擦系数、加工方式等因素都会影响螺纹连接的可靠性 ADDIN NE.Ref.{FB612F2A-D9ED-4CB4-BE62-DAD9C808E8A7}[3]。在接头设计过程中,经常会出现切换紧固件表面处理的情况,不同表面处理的摩擦系数不同,在相同拧紧力矩下所产生的预紧力也会发生变化。

本文使用拧紧机以一定的转速来模拟实际装配过程,使用超声波测量设备,通过实时测量拧紧过程中螺栓所产生的预紧力,来分析在相同装配条件下,不同表面处理的螺纹紧固件所产生预紧力的差异。

2.       螺栓连接的基本原理

螺纹连接的目的是使被连接零件保持在一起,组成一个接头,并且能够克服接头所受的外力 ADDIN NE.Ref.{459587FB-0E51-418A-9DD2-E37CBFA225E7}[4]。装配螺栓时,以一定的扭矩拧紧螺栓后,螺栓因拉伸产生轴向拉力,将被连接零件挤压在一起,这个力也叫做夹紧力,当螺栓的拉伸量减少或消失时,夹紧力就会减少进而导致接头松动或失效。螺栓接头受力模型如图1所示。

螺栓接头受力模型

在装配过程中,通过对螺纹紧固件施加扭矩来得到所需的夹紧力。但是无法直接获取夹紧力,所以我们通过控制扭矩来完成安装。螺栓的夹紧力与拧紧力矩之间的计算公式如下:

                                     {1-1}

其中:

P——螺距;

——螺纹中经;

——螺纹摩擦系数;

——支撑面摩擦扭矩等效直径;

——支撑面摩擦系数。

螺纹摩擦

一般来说,所施加的扭矩并没有100%产生预紧力,其扭矩分布如图2所示。螺纹摩擦消耗了40%左右的拧紧力矩,而紧固件支撑面处的摩擦又消耗了50%左右的拧紧力矩,最后只有大约10%的拧紧力矩用来产生预紧力。由公式{1-1}可以得出,当拧紧力矩一定时,螺纹部分的摩擦系数和支撑面摩擦系数越小,产生的预紧力越大。一般螺纹紧固件的加工都是整体冷墩成型、整体表面处理,所以其螺纹部分的摩擦系数和支撑面处的摩擦系数近似相等。不同表面处理方式的螺纹紧固件的摩擦系数不同,所以更换螺纹紧固件的表面处理方式时,一定要重新设计扭矩规范,以保证获取所需范围内的预紧力。

螺栓接头扭矩分布

3.       试验研究

本试验针对汽车底盘上的控制臂与车架连接用螺母在不同表面处理方式下预紧力的变化进行了研究。该螺母的规格是M14X2,性能等级是10级,表面处理方式为防蚀磷化,为进一步提高其耐蚀性,需要将表面处理切换为锌铝涂层。

本试验使用立式拧紧机以一定转速拧紧螺母来模拟实际装配过程,通过扭矩角度传感器获得拧紧过程中螺栓的扭矩-转角拉伸曲线,利用超声波设备实时测量拧紧过程中螺栓伸长量,通过螺栓的弹性变形计算获得实际拧紧过程中的预紧力。

现有车型底盘上的控制臂与车架连接用防蚀磷化表面处理的螺母,其扭矩规范为140Nm。首先将表面处理方式为防蚀磷化的原状态螺母拧紧至扭矩规范(140Nm),获取的扭矩-转角曲线如图3所示,图中的7条曲线分别是7组试验样本的拉伸曲线。

由超声波传感器测得拧紧过程中螺栓所产生的预紧力数据如表1所示。使用3σ正态分布计算表1的试验数据,结果如表2所示。分析表明,拧紧螺母至140Nm时,螺栓产生的预紧力的平均值为83.246KN,预紧力的正态分布范围是69.538—96.955kN。

 

3 原状态(防蚀磷化)试验螺栓的扭矩-角度拉伸曲线

 

 

1原状态(防蚀磷化)的试验结果数据

样本

Samplers

预紧力/kN(100 N•m)

U1_Tension

预紧力/kN(120 N•m)

U1_Tension

预紧力/kN(140 N•m)

U1_Tension

1

54.74

68.876

82.011

2

47.64

62.284

76.112

3

55.963

69.816

83.243

4

60.103

74.108

88.239

5

56.632

70.044

84.675

6

52.529

66.069

79.533

7

59.823

73.818

88.911

2 采用3σ正态分布所得原状态拧紧过程中螺栓的预紧力

项目

Item

预紧力/kN (100 N•m)

U1_Tension

预紧力/kN(120 N•m)

U1_Tension

预紧力/kN(140 N•m)

U1_Tension

平均值

55.347

69.288

83.246

σ

4.328

4.167

4.569

平均值-3σ

42.363

56.786

69.538

平均值+3σ

68.331

81.789

96.955

最小值

47.64

62.284

76.112

最大值

60.103

74.108

88.911

下面对锌铝涂层螺母预紧力与扭矩之间的关系进行分析。将表面处理方式为锌铝涂层的新状态螺母拧紧直至250N•m,获取的扭矩-转角曲线如图4所示,图中的7条曲线分别是7组试验样本的拉伸曲线。由超声波传感器实时测得拧紧过程中螺栓所产生的预紧力数据如表3所示。使用3σ正态分布计算表3的试验数据,结果如表4所示。

4 新状态(锌铝涂层)试验螺栓的扭矩-角度拉伸曲线

3新状态(锌铝涂层)的试验结果数据

样本

Samplers

螺栓的屈服扭矩/N•m

Yield Torque

预紧力/kN170 N•m

U1_Tension

预紧力/kN180 N•m

U1_Tension

预紧力/kN190 N•m

U1_Tension

预紧力/kN200 N•m

U1_Tension

1

218.38

89.899

96.876

103.73

111.11

2

212.2

95.073

103.41

110.75

118.93

3

222.23

80.685

87.15

93.652

100.6

4

227.74

81.825

87.157

91.998

96.461

5

224.98

85.114

90.303

95.579

100.45

6

231.04

77.621

82.552

86.655

92.225

7

219.48

87.97

94.28

101.69

110.21

4采用3σ正态分布所得新状态拧紧过程中螺栓的预紧力

项目

Item

螺栓的屈服扭矩/(N•m)

Yield Torque

预紧力/kN (170 N•m)

U1_Tension

预紧力/kN (180 N•m)

U1_Tension

预紧力/kN (190 N•m)

U1_Tension

预紧力/kN (200 N•m)

U1_Tension

平均值

222.29

85.455

91.675

97.722

104.28

σ

6.305

6

7.042

8.144

9.408

平均值-3σ

203.38

67.455

70.549

73.289

76.059

平均值+3σ

241.21

103.46

112.8

122.15

132.51

最小值

212.2

77.621

82.552

86.655

92.225

最大值

231.04

95.073

103.41

110.75

118.93

从表4可见,与螺母配合的螺栓产生屈服时的拧紧力矩最小值为212.2 Nm,因此拧紧力矩不得超过212.2Nm,以防连接失效。根据原状态防蚀磷化表面处理的螺母在扭矩规范(140Nm)下的接头预紧力数据可知,更换螺母表面处理方式后,新的拧紧力矩规范要保证所获得的平均预紧力不低于83.246KN,最小预紧力不低于69.538kN。但是现有车型的整车道路试验表明,在140Nm扭矩规范下螺栓未因为预紧力过大而导致断裂,但有极少数螺栓因预紧力过小而发生松动现象。因此,切换为锌铝涂层螺母后应适当提高预紧力。进一步分析可知,当拧紧力矩为170Nm时,锌铝涂层螺母的平均拧紧力、最小拧紧力与防蚀磷化螺母在140 Nm时相当,这是由于螺母在两种不同表面处理方式下表面摩擦系数不同导致的;当拧紧力矩达到180Nm时,平均预紧力才达到91.675 KN,此时的预紧力范围是82.552103.41 KN,因此选择180Nm作为锌铝涂层螺母的扭矩规范最为合理。

4.       结论

螺纹紧固件表面处理方式的改变,会使预紧力产生较为明显的变化,不能仍使用原表面处理方式的拧紧力矩,否则会导致预紧力不足或预紧力过大,这些都会引起螺纹连接过早失效。

一般情况下,防蚀磷化表面处理的螺纹紧固件,可以比锌铝涂层表面处理的使用更小的拧紧力矩来获得同样的预紧力。螺纹紧固件表面处理由防蚀磷化切换为锌铝涂层后,为保证螺纹接头不失效,拧紧力矩需要从原来的140Nm调整为180Nm

参考文献 ADDIN NE.Bib

[1].   刘镇清, 螺栓轴向紧固力的超声测量_刘镇清. 固体火箭技术, 1996. 19(1): 第75-78页.

[2].   GC, N.S.M.B., Thread friction torque in bolted joints. American Society of Mechanical Engineers,ASME/ JSME2004PressureVessels and PipingConference, 2004: p. 145-154.

[3].   刘建文, 螺纹连接及拧紧技术_刘建文. 汽车工艺与材料, 1999(7): 第5-7页.

[4] 涂德先. 微车电镀锌高强度螺栓摩擦性能的实验研究[D].武汉理工大学,2013.

[5] 李涛. 螺栓紧固扭矩计算方法的探讨[J]. 炼油与化工,2014,01:19-22+61.

 

 

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