螺絲君研究院 GAF螺絲君 2022-03-30 11:30

摩擦系數是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面的垂直壓力的比值。也可以理解為一個材料常數，當摩擦面的材料、表面處理狀态和潤滑條件确定後，摩擦系數也就确定下來。為保證螺栓的可靠使用，必須在裝配時保證有适當的軸向預緊力。

而螺栓的擰緊過程是一個克服摩擦的過程，在這一過程中存在螺紋副摩擦和端面摩擦。而影響預緊力的主要因素除了使用的工具及擰緊方法外就是緊固件的摩擦系數。本文從一個實際裝配案例出發，分析螺栓摩擦系數的意義，摩擦系數對不同擰緊方法的影響，摩擦系數的檢測及摩擦系數的計算方法。

某裝配車間汽車裝配工位采用M10×1.5螺栓，螺栓強度級别為10.9級，螺栓材料為SCM435鋼，被夾緊本體有兩種情況，一種本體是鋼制零件，而另一種本體是鋁合金零件。

螺栓的裝配工藝采用扭矩轉角法,工藝參數為30Nm 90°，最終扭矩監控窗口為40~90Nm。在裝配過程中對于本體是鋼制的零件，完全能夠達到工藝要求。

但是在本體是鋁合金零件時，裝配機器頻頻出現報警現象。

經檢查發現在裝配鋁合金本體零件時，轉角還沒有達到90°要求，扭矩已經超出了94Nm的最大控制範圍。

這是什麼原因的呢？

鋼制螺栓對鋁合金本體的摩擦系數為0.17，而鋼與鋼的摩擦系數在0.10~0.15之間，根據公式計算螺栓屈服時的裝配扭矩：鋼制螺栓對鋁合金本體時M1=102Nm, 鋼制螺栓對鋼本體時M2=80Nm。

針對裝配中産生的實際問題及最小屈服點的計算結果，按照慣例将計算結果增加10%，則最終扭矩控制監控窗口設置為40~110Nm，從根本上解決了扭矩轉角的轉配質量，保證了生産的正産進行。

目前使用最多的是“扭矩法”和“扭矩-轉角法”，而這兩種擰緊方式都将會受到摩擦系數大小的影響，從而影響螺栓緊固是的預緊力。而“屈服點控制法”和“螺栓長度法”則避免了摩擦系數對裝配的影響。

使用扭矩裝配方法時，當達到規定的扭矩就停止，隻對一個确定的緊固力矩進行控制，操作簡單，扭矩容易測量和控制，扭緊後也容易複檢。

經過大量的試驗和實踐經驗的積累和公式計算可知，在實際擰緊過程中受到摩擦系數的影響，僅僅5%~10%的扭矩轉化為所需的預緊力，有90%的扭矩被在擰緊過程的摩擦消耗掉。

當支承面的摩擦系數降低20%時，支承面摩擦扭矩降為40%，螺栓軸向夾緊力将翻倍增加，因為有20%的擰緊力矩轉化為夾緊力。由此可見，使用扭矩裝配方法，摩擦系數對夾緊力的影響之大。可參考下面的圖示：

在擰緊螺栓時，先以設定的扭矩将螺栓擰緊，然後再将螺栓旋轉到一個規定的角度，利用螺栓的彈性變形，來确保連接力達到規定的要求，這就是轉角扭矩法。這種方法可分為彈性區域擰緊法和塑性區域法。

此方法能較準确控制預緊力，螺栓材料完全被利用，僅與螺栓副摩擦及螺栓的屈服強度有關，設定的扭矩值常取所需擰緊扭矩值的25%左右。雖然螺紋的摩擦系數對達到較小的扭矩産生的“階段預緊力”有一定的影響，但是影響較小，而螺紋的摩擦系數對轉角擰緊所産生預緊力沒有影響，因為在彈性區或塑性區，如果彈性模量恒定，預緊力僅與螺栓伸長量有關，而伸長量與螺栓旋轉的角度成正比。

需要注意的是，螺栓的摩擦系數對扭矩-轉角控制法的預緊力影響小，但對驅動力矩影響很大，較大的摩擦系數會到導緻擰緊機器的規格增大，成本增加。

目前汽車行業使用比較多的設備是德國Schatz多功能螺栓緊固分析系統，此實驗測試機傳感器精度均為0.5%，符合各大汽車公司緊固件分析要求中的試驗測試要求。

實驗測試機通過測試分析系統軟件程序，可以求得總摩擦系數、螺紋之間的摩擦系數及支承表面摩擦系數，同時可以按不同的裝配工藝如扭矩轉角裝配和屈服點裝配等進行驗證性試驗。

在對首件檢驗或批量監控以及特殊螺紋連接的評價中，摩擦系數均按VW 01131-1确定。對于新的表面系統的确認，原則上按VW 01131-1規定的條件進行檢驗。

結果評價按以下原則：對10件随機選取的工件，總的摩擦系數，部分摩擦系數，即使受到極限因素的影響，也必須位于0.08~0.16之間。當系數數值超出這個範圍，還可以對同一範圍内的零件進行第二次抽樣進行檢驗。而第二次抽樣必須所有10個測量值位于公差範圍内。

對于表面系統的确認檢驗，熱旋出測定按VW 01131-2，其作為是對3.2節摩擦系數的附加要求。6次随機選取的零件，必須所有熱旋出測定的總摩擦系數滿足的驗收條件：

摩擦系數，擰緊力矩和預緊力彼此互相影響（見VW01126-1和VW 01126-2)。摩擦系數将受到材料的匹配和表面保護類型的影響。

為了獲得均勻的擰緊結果，必須壓縮允許的摩擦系數的分布寬度，并且規定平均值的位置。這可以通過合适的潤滑來達到-集成在表面保護塗層内或附加導入潤滑劑，見VW01110-1和VW13750。測定摩擦系數可能會在應用狀态中出現的摩擦系數，由于不同的邊緣條件而有所偏差。

因此，需要針對ISO、DIN和VDA改變檢測條件，其依據是VW 01131-1中“摩擦系數的測定，實踐和裝配檢驗”和VW 01131-2中“摩擦系數的測定，新表面系統的确認”及VDA規定對總摩擦系數和部分摩擦系數的偏差極限值。

對于無法測定摩擦系數的特殊結構，必須進行在處理，達到無特殊結構的相應零件的該數值。

因為摩擦系數在大批的批量使用中，受擰緊速度的影響，其必須在可比條件下進行确定。因此，對于摩擦系數的測定，需按标準進行兩級擰緊，初次擰緊的速度至少為200轉/分鐘，最終擰緊的速度為20轉/分鐘.詳細的技術規範見标準VW 01131-1。

總摩擦系數

（特别适用于室溫下的擰緊）将通過螺紋中的摩擦扭矩和在螺栓頭支承面或螺母支承面上測定。允許的公差既适用于總摩擦系數，又适用于螺栓頭支承面或螺母支承面的摩擦系數和螺紋中的摩擦系數。

總摩擦系數

摩擦系數

其如下定義：

在最大允許測量可靠性為Δμ=0.01時，作為所有摩擦系數驗收條件适用的範圍是：

（還可參見DIN ISO 14253-1）,作為一個驗收批次的平均值，盡可能為μ=0.12，擰緊的總摩擦系數如下定義：

在帶有凹凸支撐面的螺栓和螺母上，将根據受檢連接元件上紅丹承壓檢驗圖來确定所用的Dkm實際值。

螺紋摩擦系數由以下公式确定：

上圖顯示在帶有60螺紋齧合角的公制ISO-螺紋中的自鎖極限值

螺栓角=摩擦角

μg螺紋中的摩擦系數

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