摩擦系数在螺栓连接中的作用

杨草青

摘要：螺栓连接其承载能力强、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，而摩擦系数在螺栓连接的装配过程中起着至关重要的作用，是保证装配质量的关键因素之一。

关键词：摩擦系数;预紧力;装配;螺栓

紧固件在汽车制造装配中，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。为此，在施加外载荷之前，需拧紧螺纹紧固件，以夹紧被联接件。称拧紧螺纹紧固件为预紧，称该力为轴向预紧力。为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。目前的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。预紧力的大小是保证连接质量的重要因素，螺栓的拧紧过程是一个克服摩擦的过程，在这一过程中存在螺纹副的摩擦及端面摩擦。而影响预紧力的因素很多，不但螺栓的材料、螺栓表面的粗糙度、润滑情况和装配速度、螺纹的直径大小对预紧力有较大的影响，而螺栓拧紧过程中摩擦系数对装配预紧力的大小起到关键的作用。

1 摩擦系数概念

摩擦系数即摩擦力与法向载荷之比。要了解摩擦系数首先要了解两摩擦接触表面的摩擦力的组成。在压力的作用下，两表面之间的个别轮廓峰将压入或压平，不但在两个物体硬度和弹性摸量不同时会出现压入和压平現象，而且在两个物体平面硬度相同时，轮廓峰的外形不同时也会产生压入和压平现象。这时，当物体作切向位移时则将在接触平面犁削或切出条形细槽来。从而可以看出摩擦力取决于物体表面层的物理、力学特性，它主要有两部分组成：即分子部分和机械部分。分子部分主要是两物体产生位移时切开粘附结合点的剪切力;机械部分主要是一个轮廓峰在另一个表面上轮廓峰的犁削力，摩擦力是两个接触物体表面产生位移时克服分子粘附力和机械犁削力的总和。摩擦力的方向始终与位移方向相反。

1） 摩擦力与表观接触面积无关，而与真实接触面积有关，当真实接触面积接近表观接触面积，即法向压力很高时，摩擦力与法向压力是非线性关系，摩擦力增加很快;

2） 有一定屈服极限的材料（如金属），其摩擦力与（表观）接触面积无关，粘弹性材料的摩擦力与接触面积有关;

3） 精确测量，摩擦力与滑动速度有关，因为摩擦会产生高温，温度变化越高摩擦力和摩擦系数增高。在低速情况下，金属的摩擦力随速度变化不大，这就是在螺纹装配过程中为什么要采用两种速度，开始装配时速度可以高一些，当支承面接触后，要降低螺纹装配机的速度，以保持摩擦系数的基本不变;

4） 粘弹性材料的静摩擦系数不大于动摩擦系数，因为在螺纹副的装配过程中，主要考虑的是静摩擦系数，在一般的压力与速度与环境条件下，对螺纹副装配过程中产生的摩擦系数可以认为是常量。摩擦系数受摩擦副材料表面粗糙度、润滑条件、环境压力和温度条件影响较大。

2 摩擦系数对装配工艺的影响

目前由于受到装配位置、装配工具等因素的影响，还不太可能在生产线上通过直接控制预紧力来装配螺栓联接，所以只能通过控制和预紧力相关的其它参数（如扭矩，螺栓头或螺母转角，螺栓伸长量）来达到间接控制预紧力的目的，相应地产生了以下几种预紧方法：“扭矩法”和“扭矩-转角控制法”、“屈服点控制法”和“螺栓长度法”。其中使用最多的还是“扭矩法”和“扭矩-转角控制法”，而这两种拧紧方式都将会受到产品摩擦系数大小的影响，从而影响螺栓紧固时的预紧力。而“屈服点控制法”和“螺栓长度法”则避免了摩擦系数对装配的影响。

使用扭矩装配方法时，当达到规定的扭矩就停止，只对一个确定的紧固力矩进行控制，操作简单，扭矩容易测量和控制，扭矩事后也容易复检。但经过大量的试验和实践经验的积累，在实际拧紧过程中受到摩擦系数等影响，仅仅5%～10%的扭矩转化为所需要的预紧力，有90%的扭矩被拧紧过程中的摩擦消耗掉。当支承面的摩擦系数降低20%时，支承面摩擦扭矩降为40%，螺栓轴向夹紧力将翻倍增加（有20%的拧紧扭矩转化成夹紧力）。由此可见，使用扭矩装配方法，摩擦系数对螺栓夹紧力的影响之大。

例如，本厂曾经生产过这样一种高强度的缸盖连接螺栓，其技术要求是：产品规格M10×1.25×108，性能等级12.9级，表面处理磷化，装配时配装一个平垫圈。在装配M10×1.25×108的12.9级高强度缸盖连接螺栓时，出现过这样的现象，在装配过程中，当扭矩超过100N.m后，螺栓会产生拉长现象，使螺栓无法拧紧。针对这个问题，我们进行了专题分析和试验。通过对螺栓的硬度、最小拉力载荷、金相组织进行检测，产品是完全合格的，但是，在装配时就是要产生拉长的现象。于是，我们进行了更进一步的分析：当螺栓按已知扭矩进行装配时，这个已知的装配扭矩会分解为两部分，一部分扭矩克服支摩擦，使螺栓拧紧，另一部分扭矩施加于螺纹上，使其产生预紧力（即夹紧力），其反作用力就使螺栓受到轴向拉力。在这个过程中，当螺栓的摩擦系数很小的时候，摩擦损耗扭矩小，扭矩转化为预紧力就会很大，使螺栓受到的轴向拉力就大，这样就会超过螺栓本身所能承受的轴向拉力，从而使螺栓变形拉长。得到这样的理论分析结论后，我们就用两组不同摩擦系数的垫圈，通过试验来对此进行论证，以验证分析结论正确与否。通过试验我们得到了如下数据：

通过上面的分析，验证了我们的分析是正确的。于是我们将该螺栓所配垫圈的摩擦系数进行了增大调整后，又进行了小批量试验，支承面的摩擦系数在0.09～0.11范围内，结果所有的产品未再出现拉长现象，从而使产品满足了顾客的装配要求，由此可见，摩擦系数对使用扭矩装配法有非常大的影响。

使用扭矩-转角控制法拧紧螺栓时，先以设定的扭矩将螺栓拧紧，然后再将螺栓旋转到一个规定的角度，利用螺栓的弹性变形，来确保联接力达到规定的要求，这就是转角扭矩法。这种方法可分为弹性区域拧紧法和塑性区域法。

此方法能较准确控制预紧力，螺栓材料完全被利用，仅与螺纹副摩擦及螺栓的屈服强度有关，设定的扭矩值常取所需拧紧扭矩值的25%左右。虽然螺螺栓的摩擦系数对达到较小的扭矩产生的“阶段预紧力”有一定的影响，但是影响较小，而螺栓的摩擦系数对转角拧紧所产生预紧力没有影响，因为在弹性区或塑性区，如果弹性模量恒定，预紧力仅与螺栓伸长量有关，而伸长量与螺栓旋转的角度成正比。

3 结论

摩擦系数对螺纹紧固件的连接装配具有非常重要的作用。不恰当的摩擦系数会使产品被拉长或断裂，甚至无法实现连接装配。摩擦系数不符合要求，会造成螺栓的假拧紧现象（夹紧力达不到要求），在其后的使用过程中，会使螺栓产生松动直至脱落，甚至出现非常严重的后果。

参考文献

1. GB/T16823.3  紧固件  扭矩-夹紧力试验      中国标准出版社    2011
2. 张家全   螺纹摩擦系数对装配扭矩的影响