摩擦系数对高强度螺栓防松性能影响分析

司超群 覃佳亮 肖健

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 545007)

摩擦系数对高强度螺栓防松性能影响分析

司超群 覃佳亮 肖健

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 545007)

在螺纹连接中，摩擦系数对于螺纹联接的可靠性是一个重要的影响因素。本文在理论分析为基础上，通过横向振动试验，对M10x1.25-8.8级法兰螺栓进行了防松性能分析，得出了几种不同摩擦系数下，高强度法兰螺栓防松性能的对比曲线及其防松效能优劣，对实际工程中的螺栓选用具有一定指导意义。t

螺纹联接；摩擦系数；横向振动；防松

0 引言

在现代机械中，紧固件的数量约占机器零件总数量的60%，其中螺纹联接是机械联接中使用最普遍的形式之一[1]。一般螺纹紧固都具有自锁性能，但在变载、冲击、振动作用下或者工作温度变化较大时均可能发生松动，导致预紧力下降。

螺纹紧固件的摩擦系数是重要的设计参数，它直接影响着螺栓的材料强度效能利用和防松性。摩擦系数较大的螺栓一般防松性好，但是相同扭矩下得到的预紧力也小，而且由于拧紧过程中螺栓会受到更大的剪切力，螺栓等效拉应力更容易超过材料的强度极限，此时设计者往往需要提高螺栓的规格来满足预紧力的设计要求，造成材料的浪费；摩擦系数较小的螺栓，在相同扭矩下得到的预紧力较大，但自身防松效果较差[2]。

可见，螺栓摩擦系数的选取是一个平衡防松性能与强度效能利用的矛盾问题。本文以某一规格的高强度连接螺栓为例，针对同一规格不同表面处理要求，在理论分析的基础上，通过横向振动实验探究了几种不同摩擦系数螺栓的防松特性，为该规格的高强度连接螺栓的摩擦系数设计、选定提供有意义的参考。

1 理论分析

1.1 螺纹的受力

相互配合的螺纹之间受到的是一种复合力的作用，为了分析方便，以矩形螺纹作为研究对象。螺纹副中，螺母所受到的轴向载荷Q沿螺纹各圈平均分布，为便于分析，用集中载荷Q代替，并设Q作用在中径为d2圆周上的一点。将矩形螺纹沿中径d2展开，得到斜角等于螺纹升角的斜面。当螺母相对于螺杆等速旋转时，可看作一个滑块（螺母）沿着斜面作等速滑动[3]，如图1。

拧紧螺母时，相当于水平推力F推动滑块沿斜面向上滑动，它的作用方向与d2的圆周相切，运动过程中还受到接触面的摩擦力Ff、轴向载荷Q。当螺母匀速拧紧时（滑块匀速上升），根据匀速条件得知滑块所受到的合力为零，及作用在滑块的各力平衡。根据封闭三角形原理，得到平衡方程[4]。

图1 螺纹受力分析图

式中：ρs=arctan（μs）

ρs—―摩擦角 T1—―拧紧力矩 μs—―摩擦系数

匀速拧松螺母时，相当于水平推力F推动滑块沿斜面匀速向下运动，此时摩擦力Ff反向，则作用在滑块的各力平衡，根据封闭三角形原则，得到平衡方程。

式中：ρs=arctan（μs）

ρs—―摩擦角 T2—―拧紧力矩 μs—―摩擦系数

1.2 摩擦系数对螺栓防松性能的影响

螺栓松脱主要是由两方面原因造成的：松弛和松动。其中松弛是指紧固件装配完成后，整体结构处于静止状态下，在5～10 min内紧固件的夹紧力会出现衰退的现象，主要是由于粗糙表面的相互嵌入和材料的蠕变两大原因引起的；松动是指紧固件在转配完成后，紧固件结构受到一定时间的交变载荷后，螺母与螺栓之间发生了显著的相对转动，预紧力下降直到预紧力消失的现象。

摩擦系数作为螺纹紧固件重要的设计参数，直接影响这螺纹紧固件的防松性能。根据前文螺纹受力分析可知：由于螺纹升角的作用，拧紧螺母所需力矩T1和拧松螺母所需要的力矩T2不同，一般情况下松退力矩为拧紧力矩的80%左右。那么，松退力矩越大，则螺栓松动的可能性就会越低，即螺栓防松的效果越好。根据公式（4）及ρs=arctan（μs）可知。

当螺纹的类型确定（螺纹升角确定）、工况条件确定（Q确定）的前提下，松退力矩T1与摩擦系数成正比，即在一定的范围内摩擦系数越大，其松退力矩越大，对应螺栓的防松性能相对越好。

2 实验分析

从上述理论分析可以看出，摩擦系数是影响螺栓防松性能的一个重要因素。为了进一步探究螺栓的摩擦系数对其防松性能的影响规律，本文在理论研究的基础上设计了如下实验。

2.1 实验材料

本文研究的对象是摩擦系数对高强度螺栓防松性能的影响分析，因此选取的实验样件型号为M10X1.25X65-8.8，头部形状均为六角头法兰面，唯一区别是各组之间螺栓的表面处理不同（决定摩擦系数的差异），具体的材料信息见表1。

表1 实验材料清单

2.2 实验条件

整个实验过程中所用到的实验样件均由同一个生产厂家提供，保证材料、加工工艺等方面的一致性；实验过程严格按照国家标准GB/T10431―2008[5]实施；实验环境始终保持在常温（出现个别天气变化的情况要更改实验进度计划）；实验仪器中选择的频率为12.5 HZ，空载振幅为±0.8 mm；实验终止条件为振动时间达到120 s或者残余轴向力减少至零。

2.3 实验方法

本实验利用英国SPS―安布内科横向振动试验机，该试验机可以测量出螺栓拧紧过程中的夹紧力、螺纹副上的扭矩以及分阶段测出轴向力的变化，并对轴向力衰减做出一个实时反映。实验采用的方法是单一变量的原理，整个实验过程中唯一的变量是螺栓的摩擦系数（由表面处理不同来体现[6]）。实验共分为4组，每组各做10次实验，每次实验都要更换新的样件及工装夹具。每组实验保证在初始轴向力相同的情况下（19.5 kN），分别记录30，、60，、90，、120， 的轴力变化，最终获得各组螺栓的轴力残余比。根据记录数据的分析和对比可以判定紧固件的防松性能。在实验过程中，夹紧力衰减的越慢（残余比越大），防松性能越好；反之，夹紧力衰减越快（残余比越小），防松性能越差。

2.4 实验结果分析

（1）对实验数据进行整理，得到不同摩擦系数的螺栓在振动过程中各监测点的残余轴向力均值，如表2。

表2 不同摩擦系数螺栓各监测点残余轴力的平均值

通过表2可以得出，随着实验时间的推移，各组螺栓的残余轴向力都有不同程度的衰减，且当摩擦系数由0.25降至0.12时，对应的轴力残余比也依次降低，根据前面的分析可得，其对应的螺栓防松性能也依次下降。

（2）为了能更加直观地表现出螺栓所受轴向力衰减与摩擦系数的关系，对实验数据进行整合处理，得到各监测点残余轴向力与初始轴向力百分比的平均值，如表3；并将不同摩擦系数下的各监测点轴力残余比拟合成了四条曲线，如图2。

表3 不同摩擦系数螺栓各监测点轴力残余比的平均值

通过表3对四种摩擦系数下得到的的螺栓实验数据的对比，以及图2表示的不同摩擦系数下各监测点轴力比的变化趋势，可以得出以下结论。

（1）对于高强度螺栓(强度等级≥8.8)紧固过程中，在保证拧紧的前提下（初始轴向力一般为屈服轴向力的75%左右），以上四种摩擦系数的螺栓最终的轴力残余比均≥80%，可见以上四组螺栓均具有一定的防松能力，但防松的性能有一定的差异；

图2 不同摩擦系数下各监测点轴力残余比变化趋势

（2）以上4种摩擦系数的螺栓在经历120 s的横向振动后，轴向力都有衰减的趋势，但4组螺栓的轴力衰减程度不同。摩擦系数高（0.25）的螺栓，在到达30 s过后，衰减曲线几乎趋于水平，轴力衰减相对较平缓，防松性能较好；摩擦系数低（0.12）的螺栓，经历120 s的实验过程中，衰减曲线始终呈现坡度下降的趋势，轴力衰减相对较快，防松性能相对较低。

3 结束语

通过理论分析，得出摩擦系数是影响螺栓防松性能的一个关键性因素。摩擦系数较高时，螺栓的防松性能相对较好，即在防松方面的连接可靠性较高；反之，摩擦系数较低时，螺栓防松性能相对较差，即在防松方面的连接可靠性相对较低。

当然，影响螺栓防松性能的因素不单是摩擦系数，同样摩擦系数也不单只对螺栓防松性能起作用，它对螺栓拧紧过程中的扭矩系数、扭矩的转换等也有直接关系[7]。总之，摩擦系数的选取是一个平衡防松性能与强度效能利用的矛盾问题，本文只针对摩擦系数对螺栓防松性能的影响做了详细的研究分析，具体螺栓摩擦系数的最终选取需要在此基础上，根据螺栓的型号、使用场合等因素综合考虑[8]。

[1]浅谈国外高强度及高寿命紧固件的制造工艺 紧固件工业通讯1987.5.

[2]叶仁超 基于有限元微车高强度连接螺栓防松特性分析[J].

[3]李维荣 螺纹紧固件防松技术与试验方法的研究[J]. 合肥工业大学硕士论文2005.

[4]李维荣 螺纹紧固件防松技术探[J]. 2003.

[5]GB/T10431—2008, 紧固件横向振动实验方法[S]. 北京：中国标准化管理委员会，2011.

[6]陈先锋 贺贤娟 王伯琴 高强度螺栓连接的摩擦面处理机摩擦系数[J]. 工业建筑1983.

[7]李启才 顾强 苏明周 陈爱国 摩擦型高强螺栓连接性能的实验研究[J]. 西安科技学院学报 2003.

[8]曹增强 余公藩 林水福 螺栓连接当量摩擦系数的实验研究[J]. 机械科学与技术1994.

U472.41 文献标示码：A

司超群（1981—），男，本科，研究方向为汽车设计。覃佳亮（1974—），女，本科，研究方向为汽车设计。肖健（1987—），男，本科，研究方向为汽车设计。