分享：普通螺母及自锁螺母对螺栓标定特征曲线的影响

贾金龙,张桂明,李晨阳 (泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201) 

摘 要:采用纵波法并使用自制的内螺纹夹具,分别选择普通螺母和自锁螺母来标定螺栓,通过 不同的拧紧策略和标定方法,分析普通螺母和自锁螺母标定螺栓特征曲线的差异。结果表明:采用 普通螺母和自锁螺母标定螺栓因方法不同会获得不同的标定特征曲线,自锁螺母的锁紧扭矩使螺 栓温度升高导致超声波声时差增加,因此获得的标定特征曲线会平行右移。

关键词:普通螺母;自锁螺母;标定特征曲线;螺栓标定;轴向应力 中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)02-0008-05

汽车子系统紧固点的螺栓轴力测试目前广泛 采用超声 波 法[1],即 预 先 获 得 螺 栓 轴 力 和 超 声 波 声时差之间的关 系 特 征 曲 线(螺 栓 标 定 曲 线),后 续在实际零件子系统试验中通过超声波测出螺栓 声时差并参照标定曲线就能得到紧固连接中螺栓 的轴力。因 此,获 取 正 确 的 标 定 曲 线 对 实 际 零 件 子系统中螺 栓 轴 力 测 量 结 果 的 准 确 性 尤 为 重 要。 目前超声波测试方法主要有单波法(即纵波法)和 横纵波法[2-3]。 在螺栓标定过程中,影响标定结果的因素较多, 如夹持长度、温度、拧紧机转速、夹具工装等。目前 采用较多的螺栓标定方法是旋转拧紧方法,在螺栓 试验台上对螺栓进行标定,这就需要制作轴力传感 器的配套夹具,分别是压板和内螺纹孔夹具,内螺纹 孔夹具的作用是替代普通螺母。在汽车底盘安全系 数要求较高的紧固连接点中通常采用防松设计来保 证其紧固的可靠性,目前采用的防松措施之一是自 锁螺母,即有效力矩锁紧螺母[4]。 笔者采用纵波法并使用自制的内螺纹夹具,分 别选择普通螺母和自锁螺母来标定螺栓,通过不同 的拧紧策略和标定方法,研究采用普通螺母和自锁 螺母来标定螺栓曲线的差异,并对汽车子系统紧固 件轴力试验提出了一些建议。

1 声弹性测试原理

超声波技术测试螺栓轴力是一种间接的测试方 法,根据声弹性原理,声音在固体中传播的速度与应 力有关,因 此 可 以 借 助 超 声 波 来 获 得 螺 栓 的 轴 向力[5-8]。螺栓在拧紧过程中自身会伸长,同时产生轴 向拉应力,超声波脉冲从螺栓的头部传向尾部,由于 介质密度的突变会沿原路径返回,在螺栓表面通过 压电陶瓷接收信号后产生时间差 Δt。超声波测试 原理图如图1所示,时间差与伸长量成正比关系。 

式中:v0 为无应力条件下超声波的波速;vσ 为有应 力条件下超声波的波速;A 为声弹性系数(与固体 的密度,二阶和三阶弹性系数有关);σ为轴向应力。 另外,由于受到轴向应力后螺栓会有微小的伸 长,则在弹性范围内有 Lσ -L0 L1 =E σ (2) 式中:E 为弹性模量。 引入超声波脉冲声时参数,则有 Δt0 = 2L0 v0 (3) Δtσ = 2Lσ vσ (4) 式中:Δt0 为螺栓在初始长度时超声波穿过螺栓的 声时;Δtσ 为有应力条件下超声波穿过螺栓的声时。 将 Δt0 看成螺栓的初始状态,则在螺栓受到轴 向应力时的声时差为 Δtσ -Δt0,令 Δt=Δtσ -Δt0, 则有 t=Δtσ -Δt0 = 2Lσ vσ - 2L0 v0 = 2L0 +L1 σ E v0(1-Aσ) - 2L0 v0 (5) 因Aσ?1,并将σ= F S (F 为螺栓的轴向力,S 为螺栓的有效截面积)代入式(5),可得声时差 Δt 和螺栓轴向力F 的关系式为由式(6)可以看出在弹性阶段,螺栓的轴向力与 超声波的声时差成正比。对于给定的螺栓,轴向力 与声时差的比值是定值,因此可以通过前期标定获 得螺栓轴向力与超声波声时差的线性特征关系。依 此原理,以下设计了不同的标定试验以区别普通螺 母和自锁螺母对螺栓标定曲线的影响。

2 试验方案 

文中涉及到的试验均在螺栓标定试验台上完 成,轴力传感器以及螺栓的装夹如图2所示,其中夹 具和压 板 都 属 于 辅 助 工 装。轴 力 传 感 器 使 用 RS Technologies公 司 的 轴 力 传 感 器,数 据 采 集 使 用 MCI的 MC9004型通道瞬时记录仪,电动扭矩枪的 转速设定为30r·min -1。 将螺母放入自制的夹具(如图3)中用于螺栓标 定,此夹具是在原夹具的基础上通过电脉冲开槽加 工而成,加工尺寸为 M12规格的六角法兰螺母最大 尺寸,以保证普通螺母和法兰螺母都可以装入该夹 具中。将螺栓按照设定转速拧紧的同时,数据采集 仪采集螺栓轴向力和声时差的数据,绘制成相应的 螺栓轴向力-声时差标定特征曲线。 试验1中采用 M12mm×1.75mm×100mm 规格螺栓,先使用普通螺母标定5颗螺栓,然后使用 自锁螺母用两种不同形式标定螺栓,一种是人工拧 至螺栓法兰即将贴合压板时扫描初始波(即记录螺 栓原始长度 L0),然后用电动枪拧至 100 N·m+ 300°(称为Ⅰ类方法),另一种是直接扫描初始波后 用拧紧枪拧至目标扭矩(称为Ⅱ类方法),这个过程 中会有一定的空转距离(如图4所示)。图5为普通 螺母和自锁螺母按照Ⅰ类方法标定后的曲线。图6 为使用自锁螺母按照Ⅰ类和Ⅱ类方法标定后的曲线。可以看出,使用普通螺母和使用自锁螺母Ⅰ类 方法的标定曲线完全一致(都经过原点、线性段斜率 和屈服点大小相同);而使用自锁螺母采取两类方法 (Ⅰ类和Ⅱ类)标定螺栓获取的曲线有所差异,两个 曲线的线性段斜率和屈服点相同,但后者曲线比前 者平行右移了。

试验 2 选 用 规 格 为 M12 mm×1.75 mm× 156mm 的螺栓,将夹持长度设定为63.3mm,验证 当不同长度(80mm 和60mm)的外螺纹通过自锁 螺母时摩擦生热是否对标定的曲线有影响。试验说 明见表1,前2个试样(1号螺栓和2号螺栓)仍然选 择用普通螺母标定,后面4个试样都使用自锁螺母 标定,3号螺栓和 4 号螺栓的空转距离为 80 mm, 5号螺栓和6号螺栓空转距离为60mm,其中4号 螺栓和6号螺栓为重复使用的自锁螺母。试验结果 如图7所示,可见用普通螺母标定的螺栓轴向力-伸 长量曲线仍然过原点;而用自锁螺母标定的曲线,在 一定的空转距离下曲线向右平移的幅度有所差别, 3号和5号螺栓曲线基本一致,而4号和6号螺栓 曲线基本一致。 表1 试验试验3是将数采仪软件中 GraphSetup的 Y3 坐标设置为温度坐标(用外部温度传感器),将螺栓空转距离设置为60mm 进行标定,记录扭矩/轴向 力/温度和对角度的曲线。如图8所示,可以看出随 着螺栓的不断拧入,温度在不断上升,温度的上升可 以看成是线性的。选取4个螺栓试样都使用自锁螺 母标定,图9为该4个螺栓的标定曲线,可以看出4 条曲线均向右平移,但平移的程度不同。表2记录 了标定曲线向右偏移的距离与拧紧过程中温度的升 高值,可见标定曲线右移的程度与温度升高的幅度 基本成正比。

3试验结果与讨论 

螺栓在拧紧时受到轴向应力和扭转应力的共同 作用,两者的合力最终导致螺栓屈服。在螺栓的标 定中,只有螺栓的轴向力被反映在标定曲线上以提 供紧固子系统的夹紧力。由图5的试验结果可知, 尽管是自锁螺母,如果是人工已经将螺栓旋转至即 将贴合压板支承面后记录初始长度,则标定曲线结 果与普通螺母的是完全重合的。这说明在该状态下 标定,自锁 螺 母 的 自 锁 扭 矩 带 来 的 影 响 是 可 以 忽 略的。 如果直接用电动枪拧紧螺栓至自锁螺母中,则 曲线会整体向右平移,如图6所示。这说明自锁扭 矩影响了标定曲线中的声时差。观察右移的曲线的 起始段,说明在螺栓已经有一定伸长量的条件下仍 然没有产生轴向力,或者说轴向力非常小,相当于螺 栓还没有压紧轴力传感器时已经被拉伸,显然此时 螺栓的伸长是虚假伸长,而不是真正的伸长,造成虚 假伸长的原因是空拧过程中由于自锁扭矩产生的热 量影响了超声波的传播,反映在曲线上显示螺栓已 经伸长,说明温度对超声波是有影响的。而对于图 6中同样也使用了自锁螺母标定,但标定曲线没有 右移的原因是虽然拧入自锁螺母时同样会有摩擦导 致发热,但由于记录螺栓初始长度时已将热量计入 并已清 零,加 上 螺 栓 标 定 时 间 非 常 短 (通 常 不 到 5s),所以 温 度 的 影 响 并 没 有 呈 现 在 标 定 特 征 曲 线上。 何存富等提到对于 M24mm×240mm 高强度 螺栓温度对其轴向力影响是2~3kN·℃ -1。这说 明温度的影响是不能忽略的[9]。为了研究温度升高 对标定曲线影响的程度,试验2给出了使螺栓一定 长度的有效螺纹通过自锁螺母的试验结果,如图7 所示。一定长度的外螺纹拧入自锁螺母时由于摩擦 生热使得标定曲线右移,右移幅度的大小与空转距 离和螺母的使用状态有关,试验中重复使用螺母(4 号螺栓和6号螺栓)使螺纹摩擦力减小会使曲线右 移的幅度远小于空转距离减小(3号螺栓和5号螺 栓)带来的曲线右移的幅度。 由上述分析可知,空拧中的螺纹摩擦导致螺栓 温度升高从而减小了超声波的波速,表现为标定曲 线平行右移,曲线右移幅度的大小取决于拧入自锁 螺母的长度和锁紧扭矩,这两个因素都与螺纹摩擦 产生热量成正比,如图10所示。表2中统计了标定 曲线右移的幅度及拧紧整个过程中螺栓温度升高的 大小,可以看出标定曲线右移的幅度与温度升高的 程度是一致的,并呈线性比例关系的,其比值约为 10.1,假设温度升高10 ℃,则声时差增加101ns,对 应 M12螺栓标定曲线上24.4kN 的轴向力。从物 理角度解释为温度的升高会引起螺栓材料的谐振性 发生变化,使得通过螺栓介质的超声波波速发生变 化进而影响超声波传播的时间[9]。理论上根据声弹 性原理,推导出在无应力状态下,超声波纵波在螺栓 中传播的声时长与温度变化量的关系如下 t(T)=t(T0)[1+ (α-β)ΔT] (7) 式中:t(T)为温度为T 时超声波纵波穿过螺栓的声 时长;t(T0)为初始温度T0 时超声波纵波穿过螺栓 的声时长;α 为螺栓材料的线膨胀系数;β 为温度对 超声波的影响系数;ΔT 为温度变化量。 对式(7)进行转换可得出 t(T)-t(T0)=t(T0)·(α-β)ΔT (8) 其中t(T)-t(T0)则为超声波测得螺栓的声 时差,与温度的变化量 ΔT 成正比,当温度升高后, 声时差就会相应增加。在标定曲线图像中代表曲线 与横坐标的交点,图9所示的测试结果与式(8)表达 的关系是一致的。在螺栓受力后,因电动拧紧螺栓 的时间很短,所以可以不考虑温度对超声波的影响。 汽车底盘系统的自锁螺母紧固连接点设计中, 在装配完成的情况下不允许穿过自锁螺母的有效外 螺纹过长,一般小于10 mm,所以不会导致标定曲 线的大幅度右移。若标定中不注意引入了温度的因 素,则会使最终的螺栓轴力测试结果变小,将误导紧 固件开发工程师释放扭矩的范围。生产线上往往是 直接用气动枪预拧紧螺栓以提高生产节拍,试验室 测试时应保证螺栓标定和轴力测试采用相同的拧紧 工艺,关键在于何时记录螺栓的初始长度。考虑到 温度对超声波波速的影响,推荐的标定方法是消除 其影响,所以应在螺栓快贴合支承面时再记录初始 长度,如果是采用气动或者电动拧至贴合的,就需要 有冷却的时间,等温度恒定后再记录螺栓初始长度。 同样,在后续的实际零件测试中依然要采用该拧紧 步骤,这样才能获得准确的螺栓轴向应力测试结果。 若按照生产线模式标定和测试,则需要观察标定曲 线的一致性和偏差范围,如在允许的范围内,这种测 试的效率反而会更高。 

4 结论及建议

采用普通螺母和自锁螺母标定螺栓特征曲线时 因方法不同会获得不同的标定特征曲线,其结果的 差异是因为空拧中温度因素对超声波波速的影响而 造成的。自锁螺母的锁紧扭矩使螺栓温度升高导致 超声波声 时 差 增 加,获 得 的 标 定 特 征 曲 线 会 平 行 右移。 试验室测试时应尽量消除温度对超声波的影 响,或者保证螺栓标定和轴向力测试两个阶段采用 相同的标定方法,建议在螺栓快贴合支承面时再记 录初始长度。

来源：材料与测试网