螺栓连接副因其承载能力强、互换性好、可拆卸等优点,在现代化大生产中应用广泛,对整机质量和安全性能具有重要影响。螺栓连接副依靠螺栓副及被连接副件之间的摩擦力传递载荷,摩擦力的大小与轴向预紧力有直接关系。轴向预紧力过大或过小都会对螺栓连接副产生不利影响。轴向预紧力过小,螺栓连接副承载能力、防松性能均达不到设计要求;轴向预紧力过大,螺栓接触面应力值较大,容易引起螺栓变形、滑扣等机械损伤,降低螺栓连接副可靠性。因此,为保证螺栓连接副满足连接副实际工作需要,必须确定合理的轴向预紧力范围。
当前对螺栓连接副设计时,因国标、行标均未对螺栓紧固件的摩擦性能做具体要求,通常采用的方法是依据经验公式、经验数据计算扭紧力扭,当螺栓紧固件与被连接副件的表面状态发生变化时,会引起轴向预紧力过大或过小,导致螺栓连接副出现断裂、松动等质量问题。
螺栓连接副紧固过程中所需要的总扭矩力扭为克服螺栓螺旋副之间的摩擦所需要的扭紧力扭与克服支承面摩擦的扭紧力扭之和。
研究分别计算μf=μs=0.10,μf=μs=0.14,μf=μs=0.16,μf=μs=0.,20,μf=μs=0.25时各部分扭矩所占比例,不同摩擦系数下各部分扭矩所占比例见表1。
表1 不同摩擦系数下各部分扭矩所占比例
由表1可知,螺栓连接副件在拧紧过程中,只有约10%的扭矩用于产生轴向预紧力,其余90%的扭矩用于克服摩擦。随着摩擦系数增加,用于产生轴向预紧力的扭矩所占总力矩百分比逐渐降低,扭矩利用率也逐渐降低,在总扭矩力不变的情况下,可能会出现实际轴向预紧力小于理论值的问题,影响螺栓连接副设计功能的实现。因此,必须充分重视螺栓连接副摩擦系数的研究。
螺栓连接副中,随着螺栓摩擦系数和支承面摩擦系数增大,轴向预紧力明显减小,当螺栓摩擦系数大于0.35、支承面摩擦系数大于0.3时,轴向预紧力降低趋于稳定。因此,实际生产中必须将螺栓紧固件的摩擦系数控制在一定范围内,以防止轴向预紧力过大或过小,避免因螺栓断裂、松动等质量问题导致螺栓连接副功能失效。
当扭紧力矩设计为90N?m,经计算当摩擦系数μf=μs=0.08时,轴向预紧力=65.50KN;当摩擦系数μf=μs=0.16,轴向预紧力=36.38KN。由此可见,当摩擦系数由0.08增加至0.16时,轴向预紧力平均下降值29.12kN,降幅为44.46%。由此可见,当摩擦系数发生变化时,将会引起轴向预紧力数值出现大范围波动,影响螺栓连接副防松性能和可靠性,导致螺栓连接副无法实现其设计功能。
螺栓紧固件摩擦系数分螺栓摩擦系数和支承面摩擦系数,主要取决于螺栓制造工艺和实际应用时装配工艺。经长期工作实践,10000次台架试验验证,确认摩擦系数与下列因素密切相关。
1、螺栓精度。由螺栓公差带和旋合长度组成,螺栓精度是螺栓加工质量的综合体现,同等条件下螺栓精度越高,摩擦系数越小。
2、紧固件表面粗糙度。包括螺栓表面粗糙度和支承面表面粗糙度,与紧固件生产中的冷镦作业工艺参数、螺栓制造工艺有直接关系。
3、紧固件表面处理工艺。包括磷化、电镀和锌铝涂层。受表面处理层材料类型、局部厚度、转化工艺等因素影响,不同表面处理工艺得到的紧固件摩擦系数相差较大。
总之,实际生产装配中,应根据被连接副结构需要,合理选择紧固件的工艺参数,确保将摩擦系数的散差控制在较小范围内。设计螺栓连接副时,应首先依据实际试验结果确定摩擦系数,然后利用此摩擦系数计算扭紧力矩,以保证轴向预紧力理论值与实际值的一致性,提高螺栓连接副的可靠性和设计准确性。
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