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螺纹拧紧原理及拧紧扭矩分析跟转问题

发布日期:2024-04-10 16:09:21   浏览量 :71
发布日期:2024-04-10 16:09:21  
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螺纹联接是零部件之间 4 种常用联接方式(螺纹联接、焊接、铆接和粘胶联接)之一,它具有精度高、拆装方便和具有互换性等优点。螺纹紧固件是汽车制造技术的基础,并已成为必不可少的机械零件。但在螺母扭矩打紧过程中,螺母跟随螺栓一起转动,造成打扭矩困难,比率约为50%。工人需对发生跟转的车辆进行双扳手二次打紧,严重影响生产效率,并导致人力和时间成本的增加。


紧固件螺纹拧紧原理

1、螺纹原理

螺纹的主要参数:

1)螺距P:相连两个螺纹顶尖的距离。

2)导距L:螺纹旋转一周时,螺纹上一点沿轴线方向前进的距离。

注:一条螺旋线产生的螺纹叫单头螺纹,螺距与导距相等。两条或两条以上的等间隔的螺旋线产生的螺纹叫多头螺纹。

导距=N*螺距

3)螺纹有效直径


2、螺纹拧紧

拧紧是用螺栓、螺母把零件连接起来,不能松动。为了不让其松动,必须在螺栓上施加一个叫“轴向力”的适当拉力(拧紧力)。实际作业中,因为直接测量轴向力困难,所以螺栓、螺母拧紧时,用“扭矩”代替。


3、螺纹紧固受力情况

螺纹紧固件在紧固状态下,其受力有三个方面:

1)轴力F:作用在外螺纹件轴向拉力(被连接件夹紧力);

2)支承面摩擦力Fw:螺母或螺栓与被连接件表面间摩擦力;

3)螺纹副摩擦力Fs:外螺纹侧面与内螺纹侧面间摩擦力。

螺栓在拧紧时候,如果不采用一定措施,例如,在螺母侧采用反作用力臂进行防转固定,就容易出现螺母跟转的可能性。

同时,特别是在螺栓静态扭矩测量的时候,也会出现螺母跟转的情况,在这种情况下,如果不采取措施,测出的静态扭矩结果,就会是虚假的扭矩,往往测出的静态扭矩会更低一些。



为什么会出现这种问题呢?

有什么办法可以解决这种跟转的问题?


螺母拧紧相关扭矩分析

当预紧力施加到螺母上时,螺母会产生反作用扭矩,即螺母接触面摩擦扭矩。当螺母接触面摩擦扭矩小于预紧扭矩时,螺母就发生跟转,根据螺母反作用扭矩:

式中:

Tw--螺母接触面摩擦扭矩

Ff--夹紧力

uw--接触面摩擦系数

Dw--按触面等效摩擦圆直径

根据式(1)可知,螺母接触面擦扭矩与夹紧力、螺母接触面摩擦系数和等效摩擦圆直径相关。

也就是说,提高夹紧力(预紧扭矩),可以抑制跟转趋势;在夹紧力(预紧扭矩)相同情况下,增大螺母接触面等效摩擦圆直径,也可以降低螺母跟转。

 螺母接触面等效摩擦圆直径分析

螺母接触面等效摩擦圆直径计算公式,如下:


螺母接触面摩擦系数分析

对同批次螺母的摩擦系数进行测试,满足设计标准0.10-0.20的要求。

采用带齿螺母验证。在紧固过程中,其法兰面的花齿结构与车身的配合面相互和咬合,花齿卡入车身配合面后形成限位凸起,有助于抑制螺母跟转,但其成本要高于普通螺母。


倾紧扭矩/轴向力影响分析

根据验证结果显示,同批次螺母条件下,提高预紧扭矩可以有效抑制跟转趋整。

通过上述分析可知,增大螺母摩擦圆直径、选取带齿螺母以及增加预紧扭矩,均可抑制螺栓打紧过程中螺母跟转。


螺纹副摩擦系数分析

螺母跟随螺栓一起转动,除了跟螺母接触面摩擦扭矩相关外,还与螺母与螺栓之间的螺纹副摩擦扭矩相关。

螺纹副摩擦扭矩理论计算,如下:

Ts--螺纹副摩擦扭矩

Ff--夹紧力

P--螺距

us--螺纹摩擦系数

d2--螺纹中径

a--牙型角

当螺纹副摩擦扭矩大于螺母接触面摩擦扭矩时,即Ts-Tw>0时,螺母就会跟转。

螺纹胶对螺纹副相互作用扭矩的影响

装配的螺栓涂有螺纹胶,涂胶牌号P80(高强度胶),其摩擦系数为0.12~0.18,需优化。

通过对人、机、料、法、环的因素分析可知,无防跟转工具,是导致问题产生的根本原因。但,要解决该问题需要从设计或工艺上考虑,在生产线上实现不太现实。

接下来,我们就分析螺栓拧紧的时候,为什么会产生螺母跟转的现象?


螺母跟转计算分析

螺母拧紧时候,跟转的计算分析,我们分析以下三种情况:

(1)螺栓螺母支撑面、螺栓孔尺寸相同情况下,螺母发生跟转时候螺母支撑面最小摩擦系数

假设:螺栓规格为M12x1.5,螺栓支撑面直径为23.8mm,螺栓孔直径为13.5mm,实测螺纹摩擦系数为0.13,实测支撑面摩擦系数为0.13,螺栓拧紧时候设置的公称拧紧扭矩为105Nm,而螺母的支撑面直径也为23.8mm,螺母侧螺栓孔直径也为13.5mm,在这种情况下,经过计算,拧紧螺栓时候螺母不发生跟转的最小摩擦系数0.115。

也就是说在上述的这种条件下,如果螺母的支撑面摩擦系数低于0.115,就可能出现螺栓拧紧时候螺母跟转的可能性(这种情况可以进行一下实际试验验证,如果螺栓正常摩擦系数,而对螺母支撑面图上润滑油,这样在拧紧的时候就可能出现跟转的情况。

(2)螺栓螺母支撑面相同、螺母螺栓孔尺寸增加的情况下,螺母发生跟转时候螺母支撑面最小摩擦系数。

假设:螺栓规格为M12x1.5,螺栓支撑面直径为23.8mm,螺栓孔直径为13.5mm,实测螺纹摩擦系数为0.13,实测支撑面摩擦系数为0.13,螺栓拧紧时候设置的公称拧紧扭矩为105Nm,而螺母的支撑面直径也为23.8mm,螺母侧螺栓孔直径增加为15mm,在这种情况下,经过计算,拧紧螺栓时候螺母不发生跟转的最小摩擦系数0.110。

也就是说在上述的这种条件下,如果螺母的支撑面摩擦系数低于0.110,就可能出现螺栓拧紧时候螺母跟转的可能性,螺母的摩擦系数需要更小才能出现跟转的可能性,具体计算见下表。

(3)螺母支撑面减小成六角头螺母尺寸、而螺母螺栓孔尺寸不变的情况下,螺母发生跟转时候螺母支撑面最小摩擦系数。

假设螺栓规格为M12x1.5,螺栓支撑面直径为23.8mm,螺栓孔直径为13.5mm,实测螺纹摩擦系数为0.13,实测支撑面摩擦系数为0.13,螺栓拧紧时候设置的公称拧紧扭矩为105Nm,而螺母的支撑面直径减小为标准六角头螺母支撑面尺寸16.63mm,螺母侧螺栓孔直径仍为15mm,在这种情况下,经过计算,拧紧螺栓时候螺母不发生跟转的最小摩擦系数0.110。

也就是说在上述的这种条件下,如果螺母的支撑面摩擦系数低于0.142,就可能出现螺栓拧紧时候螺母跟转的可能性,从这一点来说,因为螺母发生跟转的临界摩擦系数变大了,螺母就更容易出现跟转的可能性。

也就是说,六角头螺母与法兰面螺栓即使摩擦系数相同,也可能出现螺母跟转的可能性。

以上就是对螺母跟转的可能性进行分析,从分析及计算结果可以看出:

🔺螺母的支撑面直径越小,越容易出现螺母跟转的可能性。

🔺螺母侧的螺栓孔直径越大,越不容易出现螺母跟转的可能性。

🔺在还没有拧紧的情况下,如果螺母为锁紧螺母,则这种情况下,螺母必然会出现跟转的可能性,在这种没有拧紧的情况下,预拧锁紧螺母,必须采用防转装置才能把锁紧螺母预拧紧到位。

🔺在发生跟转的时候,测量静态扭矩往往会减小,必须考虑采用防转装置后来测静态扭矩,方为可比性。


文章来源于埃尔森液压,侵删。

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