在汽車(chē)裝配方面,螺紋緊固方式較為常用的有扭矩法、扭矩加轉(zhuǎn)角法和屈服點(diǎn)法,共 3 類(lèi)。
其中,扭矩加轉(zhuǎn)角法因其可降低因螺紋摩擦系數(shù)波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)角擰緊所產(chǎn)生的預(yù)緊力的影響,設(shè)計(jì)預(yù)緊力可取到螺栓屈服強(qiáng)度的80%以上,甚至可以利用到螺栓屈服強(qiáng)度以上,已在越來(lái)越多的汽車(chē)底盤(pán)關(guān)鍵部位得到應(yīng)用。
常規(guī)緊固件旋轉(zhuǎn)方式,都以螺母為主要擰緊對(duì)象,固定螺栓頭。但某些特殊的緊固部位,受空間所限,擰緊設(shè)備無(wú)法伸入,只能通過(guò)夾持螺母旋轉(zhuǎn)螺栓達(dá)到緊固。
那么,擰螺栓和擰螺母在應(yīng)力狀態(tài)上是不是也會(huì)有差異,認(rèn)為擰螺栓可能會(huì)應(yīng)力更大,實(shí)際情況又是怎樣的呢?而且從航空緊固件擰緊手冊(cè)中,也可以看出擰螺栓要比擰螺母高出約10%,具體什么原因呢?
一)問(wèn)題說(shuō)明
對(duì)于焊接螺母、鉚接螺母、焊接螺栓、鉚接螺栓、內(nèi)螺紋孔等類(lèi)似的地方,大家不會(huì)糾結(jié)到底是擰螺栓還是擰螺母。
因?yàn)檫@種類(lèi)似的地方只能擰一個(gè)零件:螺栓或者螺母(雙頭螺柱和螺母組合),另外一個(gè)零件都是已經(jīng)固定好了,不能進(jìn)行擰緊,只能擰緊螺栓這個(gè)零件,也就不存在擰螺栓和擰螺母的差異了,如圖。
像下面這個(gè)螺柱連接也就只能擰螺母。
對(duì)于存在擰螺栓還是擰螺母爭(zhēng)議的地方就是螺栓螺母連接,這種情況下既可以擰螺栓,也可以擰螺母,這樣就會(huì)涉及到擰螺栓還是擰螺母的問(wèn)題了,也就會(huì)涉及到擰螺栓還是擰螺母的差異問(wèn)題。
這樣,就會(huì)產(chǎn)生到底是擰緊螺栓還是擰緊螺母,不同的擰緊方式會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。
二)理論分析
1、對(duì)于是擰螺栓還是擰螺母,通過(guò)查找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析,目前暫時(shí)沒(méi)有哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)明確必須擰螺栓還是擰螺母。
也就是說(shuō),對(duì)于擰螺栓和擰螺母兩種方式原則上都是可以的。當(dāng)然常規(guī)來(lái)說(shuō),螺栓螺母的連接,一般都是擰螺母。
2、從受力方面來(lái)說(shuō),擰螺栓和擰螺母螺栓都會(huì)受到拉應(yīng)力和螺紋扭矩施加的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力作用,所以,理論上來(lái)說(shuō),擰螺栓和擰螺母兩者受力是一致的。
當(dāng)然有人會(huì)說(shuō),擰螺栓的時(shí)候可能應(yīng)力更大。擰螺栓還是擰螺母,都會(huì)受到螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的拉應(yīng)力,還有螺紋扭矩產(chǎn)生的摩擦扭矩作用到螺栓上的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力。只要摩擦系數(shù),支撐面直徑相同,理論上應(yīng)該綜合應(yīng)力是沒(méi)有差異的。
實(shí)際上,發(fā)現(xiàn)可能存在比較大的差異,主要是應(yīng)為螺栓,螺母的摩擦系數(shù)會(huì)存在差異,特別是螺栓頭支撐面和螺母的支撐面可能存在差異。例如有些螺栓頭是存在內(nèi)傾角和螺母實(shí)際上內(nèi)傾角的具體尺寸可能存在差異。
3、從摩擦系數(shù)上來(lái)分析,螺栓和螺母的摩擦系數(shù)可能不一致,這樣也就會(huì)造成擰螺栓還是擰螺母兩者是有差別的。
4、螺栓的尺寸和螺母尺寸也可能有差別,如果大家設(shè)計(jì)時(shí)候不注意,例如同樣選用法蘭面螺栓和法蘭面螺母,螺栓采用GB/T 16674.1標(biāo)準(zhǔn)的小系列六角法蘭面螺栓,螺母采用GB/T 6177.1的法蘭面螺栓,由于兩者的支撐面直徑是不一樣的,所以,在擰緊時(shí)候兩者等效摩擦直徑就會(huì)存在差別。
從這個(gè)方面來(lái)說(shuō),大家設(shè)計(jì)時(shí)候,盡量選擇螺栓支撐面直徑與螺母支撐面直徑一致的螺栓螺母。
5、螺栓穿入方便性考慮,.螺栓穿入時(shí)候在外側(cè)穿入比較方便,如果從里側(cè)穿入可能需要更大的空間,在外側(cè)穿入里側(cè)只需要留有螺母的厚度再加上一定的螺栓露頭長(zhǎng)度,再擰緊時(shí)候再考慮一定的防轉(zhuǎn)工裝的長(zhǎng)度即可滿(mǎn)足空間要求。
如果螺栓從里側(cè)穿入,首先對(duì)準(zhǔn)螺栓孔相對(duì)有一定的難度,空間也是需要相對(duì)更大一些。
6、螺栓擰緊方便性考慮,那一側(cè)穿入擰緊更便于布置擰緊工具。
7、從擰緊套筒來(lái)考慮,螺栓擰緊時(shí)候,套筒可以選用很短的套筒即可。如果擰緊螺母,需要考慮螺栓的露頭長(zhǎng)度,同時(shí),有些螺栓還有一定的導(dǎo)向功能,伸出長(zhǎng)度會(huì)非常長(zhǎng),套筒需要選擇更長(zhǎng)的套筒,增加成本,甚至?xí)档吞淄驳膭偠取?/span>
當(dāng)然,在防轉(zhuǎn)工裝設(shè)計(jì)中也會(huì)同樣用到另一端的長(zhǎng)套筒,所以,套筒的選取方面考慮,兩者也基本相同。
8、擰螺栓的時(shí)候,如果不對(duì)中,會(huì)存在擰緊螺栓時(shí)候螺栓桿部與螺栓孔存在摩擦,增加了摩擦扭矩,這樣最終的輸入扭矩也會(huì)增加。而擰螺母就基本不會(huì)存在這種影響。
9、航空工業(yè)中,擰螺栓要求的公稱(chēng)扭矩比擰螺母要高出約10%,這是什么原因呢?大家可以具體討論分析。
猜測(cè)難道是因?yàn)楹娇章菟ú捎眠^(guò)盈配合,會(huì)由于這個(gè)原因?qū)е?,還是螺栓的支撐面直徑比螺母要小?如果大家對(duì)這個(gè)問(wèn)題比較清楚,歡迎聯(lián)系螺絲君交流。
三)試驗(yàn)驗(yàn)證
選取符合質(zhì)量要求的螺栓螺母組合,輔以切割開(kāi)的被裝配零件,在測(cè)試臺(tái)上模擬實(shí)車(chē)狀態(tài)進(jìn)行螺母旋轉(zhuǎn)擰緊測(cè)試,切割開(kāi)被裝配的零件是為保證擰緊設(shè)備有足夠的空間旋轉(zhuǎn)螺母。
按照扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊,擰緊扭矩要求為180Nm+90°。通過(guò)擰緊螺母最終獲得工藝扭矩值約為310N×m,如圖所示。
由上圖可得,螺栓屈服點(diǎn)a為517N×m;點(diǎn)b為初始擰緊扭矩,該初始擰緊扭矩為180 N×m;點(diǎn)c為完成按照裝配要求從初始扭矩再旋轉(zhuǎn)90°后的最終扭矩點(diǎn),此時(shí)扭矩?cái)?shù)值為305N×m。
將緊固件旋轉(zhuǎn)方式改為螺栓旋轉(zhuǎn)擰緊,獲得扭矩轉(zhuǎn)角如下圖所示。
圖 3 旋轉(zhuǎn)螺栓獲得的裝配扭矩曲線圖
由上圖可知,扭矩點(diǎn)c¢對(duì)應(yīng)的扭矩值已達(dá)406N×m,較旋轉(zhuǎn)螺母方式的最終扭矩331N×m 高出75N×m,超出比例為22.6%。
通過(guò)這個(gè)扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊試驗(yàn)也可以看出擰緊螺栓和擰緊螺母最終的扭矩會(huì)存在較大差異。
通過(guò)實(shí)車(chē)批量裝配,按照擰緊螺母進(jìn)行裝配,獲得的扭矩上限樣本如下圖所示,其扭矩值范圍為319~407N×m。
對(duì)上圖中扭矩上限超過(guò)400 N×m 的螺栓進(jìn)行螺紋段金相分析,如下圖所示,螺紋位置的金相組織未發(fā)現(xiàn)存在冷變形產(chǎn)生的塑性流變現(xiàn)象,說(shuō)明螺紋位置不存在明顯的塑性變形,該螺栓仍處于彈性變形階段,與試驗(yàn)曲線相符。