1 、前言

      螺紋連接（特別是承受動載荷的重要螺紋連接）的根本目的是利用螺紋緊同件將被連接件可靠地裝配連接在一起，裝配的實質是將螺栓的軸向夾緊力控制在合適的范 圍。螺栓軸向夾緊力范圍取決于連接結構的功能、零件強度、工藝控制方法及控制精度等多方面因素，軸向夾緊力同時受到聯接副摩擦特性的影響。螺栓緊同件的擰 緊是克服支撐面摩擦和螺紋間摩擦的過程，對六角頭螺栓而言，擰緊時總能量的90%，用于克服摩擦，只有約10%的能量用于提供軸向夾緊力螺紋緊同件的摩擦 系數受其材質、表面處理工藝、制造流程和螺紋精度等諸多因素的影響，世界各主要汽車公司對螺紋緊同件摩擦系數的控制范圍是，BMW： 0.09~0.15， Ford：0.11~0.17，GE：0.10~0.16，VW：0.09~0.15，FAW：0.08~0.14。

2、試驗研究

      以M16×1.5（10.9級）螺栓為研究對象，制造丁藝流程采用熱（處理）前滾絲和熱（處理）后滾絲兩種，表面處理工藝分別為電鍍、電鍍+涂膜、環保電 鍍（C347）和鋅鋁涂層（T647），螺栓的摩擦性能試驗在SCHATZ摩擦性能試驗機上進行，試驗依據為GB/T16823.3《緊同件扭矩-夾緊力 試驗》。

試驗規范:擰緊至240 N?m；擰緊至屈服；

    樣品數量:25件。

3、分析與討論

3.1擰緊至240 N?m時的總摩擦系數

不同表面處理的螺栓擰緊至240 N?m時的總摩擦系數見圖1。

由圖1得出以下結論。

a.電鍍螺栓的總摩擦系數最大，算術差也最大；采用電鍍+涂膜、環保電鍍和鋅鋁涂層處理時，螺栓的總摩擦系數減小，摩擦系數算術差也減小。

b.對電鍍螺栓而言，制造工藝采用熱處理前滾絲的螺栓的總摩擦系數大于熱后滾絲的，該規律同樣適用于鋅鋁涂層處理的螺栓。

c. 螺栓在進行熱處理過程中，螺紋表面會產生磕碰傷，局部表面變得凹凸不平。如果螺紋滾絲在熱處理前已經完成，則熱處理時產生的磕碰傷會一直存在，而表面處理 不能降低磕碰傷的影響，故熱前滾絲螺栓經表面處理后的總摩擦系數較大；而熱后滾絲會減輕熱處理過程中產生的磕碰傷，減少螺紋局部表面的凹凸不平，因此螺栓 總摩擦系數降低。

3.2擰緊至240N?m時的軸向夾緊力

經不同表面處理工藝處理的螺栓擰緊至240N?m時的軸向夾緊力如圖2所示。

由圖2得出以下結論。

a.經普通電鍍的螺栓，熱前滾絲的軸向夾緊力最小，熱后滾絲的夾緊力稍有增加。

b.經電鍍+涂膜處理以及環保電鍍（C347）后，軸向夾緊力增大；采用鋅鋁涂層（T647）處理時，螺栓的軸向夾緊力顯著增加，其中熱后滾絲+鋅鋁涂層處理的軸向夾緊力最大。

3.3總摩擦系數μ與緊固扭矩T、軸向夾緊力F的關系

螺栓總摩擦系數μ與緊同扭矩T軸向夾緊力F之間的關系如式（1）所示。

式中，P為螺距，mm；d2為螺紋中徑，mm；Db為螺栓頭下支撐面的摩擦直徑，mm。

軸向夾緊力F可用式（2）表示如下                     

                                                                                                                     
      當選定試驗螺栓后，d2和從是同定的。緊同扭矩T一定時，總摩擦系數越大，作用在螺紋上的軸向夾緊力F越小。因此，當試驗螺栓擰緊至240N?m時，熱前 滾絲+電鍍螺栓的總摩擦系數最大，軸向夾緊力最小；而熱后滾絲+鋅鋁涂層處理螺栓的總摩擦系數最小，作用在螺栓上的軸向夾緊力最大。

3.4 擰緊至屈服時的扭矩

試驗螺栓擰緊至屈服時的扭矩如圖3所示。

由圖3得出以下結論。

a.電鍍螺栓擰緊至屈服時的扭矩最大；采用電鍍+涂膜、環保電鍍和鋅鋁涂層處理時，螺栓的擰緊至屈服時的扭矩減小。

b.熱前滾絲電鍍螺栓擰緊至屈服時的扭矩最大，扭矩散差也較大；采用先進的表面處理工藝后，螺栓擰緊至屈服時的扭矩降低，其中熱后滾絲+鋅鋁涂層處理螺栓擰緊至屈服時的扭矩最小、扭矩散差也最小。

      螺栓擰緊過程是一個克服摩擦（包括螺紋副摩擦及支撐面摩擦）的過程。通常情況下，約90%，的裝配扭矩都被螺紋副摩擦及支撐面摩擦消耗掉了，只有約 10%，的裝配扭矩轉化為螺栓軸向夾緊力。因此，螺栓的摩擦系數越大，擰緊螺栓時因摩擦消耗的扭矩也越大，相應地總扭矩也就越大，故熱前滾絲+電鍍處理的 螺栓擰緊至屈服時的扭矩最大；而熱后滾絲+鋅鋁涂層的螺栓因摩擦系數最小，故擰緊至屈服時所需的扭矩也最小。

3.5擰緊至屈服時的軸向夾緊力
經不同表面處理工藝處理的螺栓，擰緊至屈服時的軸向夾緊力如圖4所示。

       由圖4可知，擰緊到屈服時，對普通電鍍處理的螺栓而言，熱前滾絲的軸向夾緊力最小；采用先進的表面處理工藝后，螺栓軸向夾緊力增加；采用熱后滾絲+鋅鋁 涂層處理時，螺栓的軸向夾緊力最大。另外，不同表面處理工藝處理的螺栓，無論擰緊至240 Nm還是屈服時，其軸向夾緊力的變化趨勢與總摩擦系數變化趨勢正好相反。

3.6緊固扭距T、軸向夾緊力F、摩擦系數、螺紋公稱直徑d的關系

理論上，螺栓擰緊過程中緊同扭矩T螺栓軸向夾緊力F、摩擦系數及螺紋形狀尺寸之間的關系見式（3）.

      式中，μs為螺紋副摩擦系數；μw為端面摩擦系數； dp為螺栓有效直徑，粗牙螺紋dp≈0.906d，mm；

      dw為端面摩擦圓等效直徑，

，mm，du、di分別為摩擦圓的外徑及內徑，mm； d為螺紋公稱直徑，mm；b為螺紋升角，°；a'為垂直截面內的螺紋牙形半角，約為29°58'。

（3）式右側

可分別理解為螺紋副摩擦消耗的扭矩、螺栓伸長（產生軸向夾緊力）消耗的扭矩以及端面摩擦消耗的扭矩。
螺栓被擰緊時受到的是拉-扭復合應力，根據第三強度理論，螺栓許用等效應力σv，可按式（4）求得。

                                                                                                                                                          
式中，σ為螺栓軸向夾緊力F產生的拉應力，σ=，MPa；

為螺栓桿部承受的扭矩Ts所產生的切應力，，MPa。
根據式（3），作用在螺栓桿部的扭矩，

并取（粗牙螺紋）、dp=1.05ds代人（4）式可得：

                                                                                                                            
      由式（5）可知，螺紋副的摩擦系數越大，則螺栓在相同軸力下的等效應力也越大。換言之，螺栓強度選定后，摩擦系數越大，螺栓所能承受的軸向力越小；摩擦系數越小，螺栓所能承受的軸向力越大。

      本研究中，電鍍螺栓熱前滾絲時的摩擦系數最大，擰緊至屈服時，螺栓所能承受的軸向夾緊力越小；熱后滾絲螺栓的摩擦系數減小，螺栓擰緊至屈服時的軸向夾緊力增大；鋅鋁涂層處理的螺栓，熱后滾絲時的摩擦系數比熱前滾絲小，故擰緊至屈服時所能承受的軸向夾緊力大。

4、結論

      螺栓的軸向夾緊力受連接副摩擦性能的影響，而摩擦系數與螺栓的表面處理工藝以及基體金屬的表面狀態有關。采用先進的表面處理技術，可以控制螺栓的摩擦系數和散差，提高螺栓的軸向夾緊力。