摩擦系数会影响最终的预紧力,这方法大家都已经比较认同和重视,但是,对于自锁螺母大家是如何进行控制的呢?
在非正常拧紧扭矩的场合,例如,前减震支柱中活塞杆拧紧螺母,如图1,由于此处活塞杆的台阶和top mount之间接触面积较小;同时,根据受力要求,此处不需要很大的夹紧力即可满足外部载荷要求,因此,减震器顶端螺母往往不需要设计很大的拧紧扭矩。
该螺母设计采用M14x1.5的螺纹规格,但是拧紧扭矩往往就是60Nm左右。在这种情况下,由于自锁螺母本身具有一定的旋入扭矩,例如M14x1.5-10的全金属自锁螺母旋入扭矩标准最大值为31Nm,如果设计旋入扭矩接近31Nm,那么如果拧紧扭矩设定到60Nm会对夹紧力是不是会降低呢。
从这个方面来说,自锁螺母的摩擦系数的确定,是非常重要的。
图 1 减震器活塞杆安装螺母
VDI2230中对自锁螺母类零件扭矩的描述,
VDI2230中对于自锁螺母的拧紧扭矩有如下描述,见下图。
该描述说明:对于自锁螺母类的零件,在确定拧紧扭矩或拧紧扭矩计算的时候,除了正常的螺纹拧紧扭矩MG和端面拧紧扭矩MK外,还有螺纹旋入力矩MU(自锁螺母)和端面附件阻力矩的MKzu(例如带齿的螺栓拧紧)影响。
某合资主机厂对自锁螺母的图纸要求
某合资主机厂图纸如图2,自锁螺母M10x1.5-10图纸要求第一次最大旋入扭矩14Nm,第一次最小旋出扭矩2Nm,第五次最小旋出扭矩1.4Nm。
这些旋入旋出扭矩基本与GB/T3098.9标准一致。同时要求,在36.1kN时,拧紧扭矩为38.0Nm-52.0Nm,扭矩范围差只有14Nm,没有给出特别的摩擦系数要求。而正常该主机厂要求的摩擦系数为0.10-0.16摩擦系数时,扭矩范围会达到30Nm。
图 2 某合资主机厂11516077自锁螺母图纸
初步判断,此处摩擦系数范围为:非某合资主机厂的正常紧固件摩擦系数范围数值,故需分析出这种仅要求预紧力和扭矩范围的自锁螺母的摩擦系数范围,以便较准确的校核分析采用自锁螺母处的相关接头处轴力、扭矩等。
对满足该图纸要求的量产自锁螺母进行检测,测量其预紧力和拧紧扭矩的关系,并从中推算出摩擦系数。
根据编制的计算程序,可以计算出摩擦系数范围0.0635-0.0937,该摩擦系数比某合资主机厂正常紧固件摩擦系数范围0.10-0.16低非常多,由此可见:需要对自锁螺母计算摩擦系数的重要性。
计算结果,见表1。
螺纹规格M |
M10 | |
螺栓头端面外径Dwmin |
19.3 |
mm |
螺栓孔直径DB |
11 |
mm |
螺纹最小摩擦系数μGmin |
0.06 | |
端面最小摩擦系数μKmin |
0.06 | |
螺纹最大摩擦系数μGmax |
0.1 | |
端面最大摩擦系数μKmax |
0.1 | |
最小预紧力 |
36100 |
N |
最大预紧力 |
36100 |
N |
螺栓性能等级 |
10.9 |
级 |
扭矩的离散度ΔMA |
15 | |
螺纹规格M |
M10 | |
螺纹公称直径d |
10 |
mm |
螺纹螺距P |
1.5 |
mm |
螺纹高度H |
1.299 |
mm |
螺纹中泾d2 |
9.026 |
mm |
螺纹小径d1 |
8.376 |
mm |
螺纹圆弧小径d3 |
8.16 |
mm |
螺纹应力截面积AS |
57.99 |
mm2 |
螺栓头端面外径Dwmin |
19.3 |
mm |
螺栓孔直径DB |
11 |
mm |
螺栓头摩擦直径DKM |
15.15 |
mm |
螺纹最小摩擦系数μGmin |
0.0635 | |
端面最小摩擦系数μKmin |
0.0635 | |
螺纹最大摩擦系数μGmax |
0.0937 | |
端面最大摩擦系数μKmax |
0.0937 | |
最小预紧力 |
36100 |
N |
最大预紧力 |
36100 |
N |
螺栓性能等级 |
10.9 | |
最小屈服强度Rp0.2 |
940 |
Mpa |
最大拧紧扭矩Mamax |
52 |
Nm |
最小拧紧扭矩Mamin |
38 |
Nm |
最小预紧力Fmmin |
36.1 |
KN |
最大预紧力FMmax |
36.1 |
KN |
最小拧紧扭矩Mamin |
38 |
Nm |
最大拧紧扭矩Mamax |
52 |
Nm |
表1 根据图纸要求的预紧力和拧紧扭矩推算摩擦系数
为了验证计算程序的正确性,我们对满足36.1kN时,拧紧扭矩为38.0Nm-52.0Nm的自锁螺母进行了摩擦系数测试,测试结果如图2。
从测试结果来看,摩擦系数完全在理论计算范围0.0635-0.0937内。
从实际测试结果来看,理论计算摩擦系数的程序是合适的。
通过自锁螺母图纸中的轴力及拧紧扭矩范围,即可根据该程序计算出摩擦系数范围,这样便于实际对接头处的拧紧扭矩及所需的最小夹紧力进行计算,提高计算的准确性。
图 3 自锁螺母摩擦系数测试结果
螺丝君经验总结
对于自锁螺母,如果拧紧扭矩为正常的扭矩,计算拧紧扭矩时候不需要加上螺纹部分的旋入扭矩,因为,此时正常拧紧扭矩预紧力比较高。
但是,对于部分采用自锁螺母的零件,拧紧扭矩远远低于正常拧紧扭矩,如50%的正常拧紧扭矩,此时就需要考虑自锁螺母的旋入扭矩问题,这一点非常重要,否则,实际夹紧力会达不到所需要的夹紧力要求,造成零件的松脱。
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