评价汽车用螺栓的重要参数

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引言
7 x6 [( O$ Z1 q0 k: m( A螺栓在汽车上被大量应用，从车轮螺栓、发动机固定螺栓到连杆螺栓、缸盖螺栓，从普通标准件到12.9级的高强度螺栓，各种螺栓在紧固着汽车上各种运动件和承受大应力的联接件。为了保证螺栓的使用性能和质量，各国制定了大量的检验标准。GB3098 系列的14 个标准就是关于螺栓的国家标准中的一部分。由于影响螺栓拧紧性能的因素太多，即使有如此之多的标准和检查方法，但仍不能完全控制螺栓的质量，无法全面地评价螺栓的品质。为了更全面地评判螺栓并保证其质量和使用性能，国际先进的汽车公司提出了螺栓的使用系数（USE COEFFICIENT）Ku。
1 螺栓的拧紧试验
由于螺栓的使用系数与拧紧试验紧密相关，所以在讨论使用系数之前有必要介绍一下螺栓的拧紧试验。

图1 螺栓的拧紧试验原理图螺栓的拧紧试验原理如图1 所示。电机带动拧紧装置（如套筒）拧紧螺纹紧固件，同时利用力传感器、角度传感器和扭矩传感器测出螺纹紧固件的紧固力、转动的角度（转角）、扭矩（螺纹部位的扭矩、头部支承面的扭矩和总扭矩）、摩擦系数（螺纹部位的摩擦系数、头部支承面的摩擦系数和总摩擦系数）。传感器的信号通过A-D 转换输入到计算机，计算机用适当的软件处理后打印出紧固力－转角曲线（图2）、扭矩－转角曲线（图3）和紧固力、扭矩及摩擦系数的统计学处理的数据。
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图2 紧固力-转角图 图3 扭矩-转角图通过拧紧试验，可以得到常规机械性能试验所无法得到的重要信息，其中最大扭转断裂强度就是与高强度螺栓使用系数相关的一个重要参数。其他参数与本文讨论的内容关系不大，故不再赘述。
% H; E5 j/ ]2 a4 p. K0 S! m- u, R/ p2 螺栓使用系数Ku 的定义
螺栓使用系数Ku（以下简称“Ku 值”）的定义是最大扭转断裂力（强度）Tra与最大拉伸断裂力（强度）Trt 之比：
+ J/ j- r) {, r9 F% X% i% {' N Ku 值反映了螺栓被拧紧时由于扭转应力的影响而造成螺栓拉伸力的减小程度。若Ku 的最大值为1（即扭转应力几乎为0），则螺栓提供的预紧力就等于拉伸试验所得到的轴向力。
7 v& d/ {3 g- c! X; k: S3 V在几何条件相同的情况下，Ku 值主要取决于螺纹和螺母的表面状况（粗糙度、表面处理、润滑等）。但实际上由于材料、加工设备和加工工艺的变化，螺栓和螺母的几何条件也不尽相同，所以Ku 值也要受到这些因素的影响。需要特别说明的是Ku 值与螺栓的强度级别没有直接关系，强度级别高的螺栓Ku 值未必高。反之，强度级别低的螺栓，其Ku 值未必就低。以下将通过试验和统计学分析进一步讨论这个问题。因此，Ku 值是反映螺栓的材质、加工精度、表面状况（粗糙度、表面处理、润滑等）和配对螺母等情况的一个综合参数，它比较全面地揭示了影响螺纹联接效果的本质原因和提高螺栓拧紧效果的方法。Ku 值的大小比较全面地反映了螺栓的使用品质，给评判螺栓提供了一个合理的定性分析方法。
使用系数Ku 值的评判标准见表1。Ku 值共分4 个级别，最高级为O 级（optimal），达到最高级的螺栓可用于预紧条件苛刻的车辆和装备上。欲达到O 级的Ku 值，不但要求螺栓有良好的材质、高的制造精度、合适的表面处理和润滑，还要求有同样条件的螺母。这个问题将在后面进行探讨。次高级为G 级（good），一般用于承受循环应力的发动机零件的联接上。普通级N 级（normal）在汽车上应用得最多，普通标准件即属N 级。汽车用螺栓的Ku 值不得低于0.6，低于0.6 的P 级（poor）螺栓属废品，不可使用。
% u" D& y' K* p3 |+ P4 l! T7 ~4 P- h表1 使用系数Ku 的评判标准和用途
同样需要说明的是螺母等其他条件约束着螺栓的Ku 值，所以不可轻易判定某螺栓为P 级。若改变螺母或其他条件可以使Ku 值大于0.6，则这种螺栓还是可以使用的。也就是说，Ku 值是有条件的，我们在计算和使用Ku 值时必须考虑到影响Ku 值的诸因素。同样，我们在进行拧紧试验时也要考虑到Ku 值的影响因素，不可被Ku 值的高或低所迷惑。
) U9 w- X0 O) o4 ]% p3 使用系数Ku 值的测定
使用系数Ku 的测定不很复杂，关键是要有一台拧紧试验机。Ku 值的测定程序如下：
8 G1 X1 F/ J$ i8 d! X5 F⑴ 拧紧试验机上测出最大扭转断裂力Tra ；
⑵ 在做过拧紧试验的螺栓上测出洛氏硬度（HRC）；
8 e! \  `  i9 s& H; ?⑶ 利用硬度-强度换算表，通过插入法将洛氏硬度值换算成强度值Tr；
⑷ 在有关螺栓标准上查出螺栓的有效截面积S；
1 m+ V/ f! ?, L$ m! Z⑸ 用螺栓的有效截面积S 乘以Tr，即可得出螺栓的最大拉伸断裂力Trt ；
⑹ 用最大拉伸断裂力Trt 去除最大扭转断裂力Tra 。
以一个M10×1.25 的气缸盖螺栓为例说明使用系数Ku 值的测定：
8 L: a: [, G" g3 V6 L/ r) ?⑴ 在拧紧试验机上测出该螺栓得最大扭转断裂力Tra 为83.11kN；
⑵ 在洛氏硬度计上测得该螺栓的洛氏硬度值为34.7HRC；
; `: O; j  N) h) k& S5 C2 e2 m⑶ 从有关标准的硬度-强度对照表上查得34.3HRC 对应的强度值为1099MPa，35.5 HRC 对应的强度
6 s' Z- R8 J4 @2 X& I5 g值为1138MPa。利用插入法算出34.7HRC 对应的强度值是1112MPa；
⑷ 在有关螺栓标准上查出M10×1.25 螺栓的有效截面积S=84.3mm2;
- b2 G' ^) n# K3 k⑸ 1112×84.3=93.74kN；
# r+ s0 b( d- [/ O2 \6 L) U⑹ Ku= Tra / Trt =83.11/93.74=0.8866。
5 b: h5 Y  ~! N1 U一般一次试验应在20 个螺栓上进行Ku 值的测定，然后对这20 个Ku 值进行统计学处理，计算出均值μKu 和标准差σ，从而得出这批螺栓的Ku 值范围：μKu±3σ。利用Excel 可以十分方便地进行以上数据处理。
4 螺栓强度级别与Ku 值的关系
一般说来螺栓的强度级别与Ku 值无关，即强度级别高的螺栓Ku 值未必高。反之，强度级别低的螺栓，其Ku 值未必就低。表2 是实测10.9 级螺栓和12.9 级螺栓的Ku 值（20 个螺栓的平均值）。表2 表明12.9级的螺栓既有O 级的（连杆螺栓、主轴承盖螺栓），也有G 级的（曲轴皮带轮螺栓、气缸盖螺栓）。虽然主轴承盖螺栓的强度级别为10.9 级，但由于螺栓制造精度、表面状况和配合的螺母等条件不一样，其使用系数较高，达到了O 级标准。由此可见，螺栓的强度级别并不直接影响使用系数。
% |  z& \3 S0 A: x表2 不同强度级别螺栓的使用系数
从理论上讲，在最大扭转断裂力Tra 一定的情况下使用系数Ku 与最大拉伸断裂力Trt 成反比；在最大拉伸断裂力Trt 一定的情况下，使用系数Ku 与最大扭转断裂力Tra 成正比。
但实际上即使其他条件完全相同， Trt 和 Tra 会互相制约，最终导致Ku 与Trt 、Tra 之间的不确定关系。以下是几何条件完全相同的两个供应商提供的12.9 级螺栓，在完全相同试验条件下测定使用系数后进行的相关性分析结果。
表3 Ku 与 Trt 、 Tra 相关性分析 从上面两种螺栓最大拉伸断裂力Trt 、使用系数Ku、最大扭转断裂力Tra 的相关性分析可看出Ku 可能与 Trt 呈负相关（CJ 螺栓），也可能与Trt 呈正相关（GR 螺栓）。但Ku 一般与Tra 呈正相关，只是相关的程度有所不同。
5 螺栓制造水平和表面处理状况对使用系数的影响
, C' b6 D) Q, [8 ^) J7 ?前面已提及“在几何条件相同的情况下，Ku 值主要取决于螺纹和螺母的表面状况”，由于客观存在的原因，螺栓的几何条件不可能完全相同。即使用同一设备生产的螺栓，由于搓丝模的磨损等因素的影响，同样规格螺栓的几何条件也会发生变化，更不要说由不同设备生产的同样规格的螺栓了。所以，螺栓的几何条件与表面状况一样对螺栓的使用系数有着不可忽视的影响。例如，同为M8×1.25 的12.9 级高强度螺栓，由两家供应商供货，供货技术条件相同，用相同的螺母，在相同的试验机和相同的试验条件下进行使用系数Ku 值的测定，所得结果相差一级（表4）。
# X6 ?0 P1 C* i9 g' r表4 两家供应商供货的螺栓使用系数
由此可见，制造水平对螺栓的使用系数有较大的影响。而这种影响在现行螺栓标准所规定的检查方法中无法体现出来。从这里也可看出使用系数有其独到的一面，正确地掌握使用系数便于控制螺栓的质量和保证使用的可靠性。
表面处理状况对使用系数的影响主要包括螺纹和头部支承面的粗糙度、螺纹表面处理和润滑条件等几方面。而这几方面的影响又不是孤立的，但它们的综合影响却可以从摩擦系数上表现出来。下面是使用系数与摩擦系数的相关性分析结果。
表5 使用系数与摩擦系数的相关系数
使用系数与摩擦系数的相关性分析表明：螺栓的总摩擦系数和螺纹部分摩擦系数与使用系数呈负相关，而且螺纹部分摩擦系数的影响要略强于总摩擦系数的影响。也就是说，螺栓螺纹部分的摩擦系数越小，螺栓的使用系数越大。当然，螺纹部分的摩擦系数过小对预紧力不利。适度控制螺纹部分的摩擦系数以兼顾使用系数和预紧力是十分重要的。
润滑条件对使用系数的影响似乎比较复杂，我们用经过润滑和未经润滑的两种螺栓进行使用系数的测定，结果表明润滑条件对使用系数的影响不很明显（表6）。可能存在其他干扰因素，还需进行更进一步的研究。
7 C# w) E' `! I& z9 x2 ~& Y/ E表6 润滑条件对螺栓使用系数的影响
6 螺母对使用系数的影响
9 C" V/ {0 k) I9 h6 J+ X' E螺母是螺栓的配对件，由螺栓决定的影响使用系数的各种因素，对螺母也一样。换言之，螺母也和螺栓一样，直接影响着拧紧效果（表7）。
7 T0 m, n" l& I0 E9 f表7 螺母对使用系数的影响
9 X3 N9 L3 a+ q5 ~  C# r2 j 从表7 可以看出，无论是G.R 生产的螺栓，还是 C.J 生产的螺栓，用SP 螺母总比用CH 螺母的使用系数高。用SP 螺母的预紧力也比用CH 螺母的预紧力大（表8）。显然，用SP 螺母的预紧效果要优于CH螺母。
' m, M5 m8 Y! y1 a表8 不同螺母的预紧效果
: x' o3 z( d) v) J 7 提高螺栓使用系数的方法
通过对影响螺栓使用系数因素的分析，不难找出提高螺栓使用系数的方法：在不影响预紧力的前提下减小螺栓的摩擦系数，特别是螺纹部分的摩擦系数；使用适当的表面处理；提高螺栓的制造精度；使用与螺栓相配的螺母。
8 结束语
9 R7 @- ~& g$ n/ K$ ?5 s综合以上分析我们可知：
(1) 使用系数Ku 比较全面地反映了螺栓的使用品质，给评判螺栓提供了一个合理的定性分析方法。
(2) 螺栓使用系数Ku 的定义是最大扭转断裂力（强度）与最大拉伸断裂力（强度）之比；Ku 反映了螺栓被拧紧时由于扭转应力的影响而造成螺栓拉伸力的减小程度；在几何条件相同的情况下，Ku 值主要取决于螺纹和螺母的表面状况（粗糙度、表面处理、润滑等）。
! h3 K3 \6 e. N0 P: f(3) 一般说来螺栓的强度级别与Ku 值无关；Ku 可能与RT T 呈负相关，也可能与 Trt 呈正相关。但Ku一般与 Tra 呈正相关，只是相关的程度有所不同。
5 ?% c  I$ x$ @3 P(4) 螺栓的总摩擦系数和螺纹部分摩擦系数与使用系数呈负相关，而且螺纹部分摩擦系数的影响要略强于总摩擦系数的影响。但螺纹部分的摩擦系数过小对预紧力不利。
1 a5 A3 M/ U0 s( \! }; ^(5) 润滑条件对使用系数的影响似乎比较复杂，还需进行更进一步的研究。
(6) 螺母的状况对使用系数有着不可忽视的影响。
(7) 提高螺栓使用系数的方法：在不影响预紧力的前提下减小螺栓的摩擦系数，特别是螺纹部分的摩擦系数；使用适当的表面处理；提高螺栓的制造精度；使用与螺栓相配的螺母。
4 c1 q' n& c9 B) Q* l! R9 h. q文章关键词： 螺栓