德系车螺栓为何摩擦系数低?有何妙处
德系车螺栓为何摩擦系数低?有何妙处
德系车,如奔驰、宝马、奥迪、大众等,对螺栓摩擦系数的要求数值较低,最低可达0.09,部分厂商甚至放宽至0.08。相比之下,美系车、法系车、日系车的螺栓摩擦系数普遍较高。德系车螺栓摩擦系数的最大值为0.15或0.16。那么,摩擦系数低究竟有何妙处?
摩擦系数低的好处
1.1 零件夹紧轴力更大
扭矩法装配轴力的计算公式如下:
其中:
- FAssy:轴力
- MA:装配扭矩
- d2:螺纹中径
- μG:螺纹摩擦系数
- DKm:端面摩擦直径
- μK:端面摩擦系数
根据该公式,对于特定的装配扭矩MA,摩擦系数越高,装配轴力则越小;摩擦系数越低,装配轴力则越大。螺纹摩擦系数和端面摩擦系数都会影响装配轴力。通常情况下扭矩对夹紧轴力的转化率约为8-16%,具体转化的浮动值主要受摩擦系数影响,摩擦系数越低,转化率就越高。
螺栓拧紧的主要目的就是为了获得夹紧轴力以抵抗外载荷。因此,低摩擦系数螺栓夹紧轴力会更大,拧紧后不容易产生松动等失效。
螺栓摩擦系数太低了会不会自松脱呢?
下图所示为常用尺寸和螺距的螺栓,产生自松脱时最低摩擦系数值,范围为0.030-0.052,远低于德系车螺栓最低摩擦系数要求值0.09,因此没有自松脱风险。此外,细牙螺栓发生自松脱的摩擦系数更低,例如M101螺栓发生自松脱的摩擦系数值为0.030,低于M101.5螺栓发生自松脱的摩擦系数值为0.046。
1.2 拧紧工具更小巧
参观过德系品牌的总装车间可以发现,车间采用又粗量程又大的拧紧轴比例相对较低。对于同等级的车,连接位置承受的外载荷基本接近,因为德系车螺栓的摩擦系数低,甚至走标准下限,使得连接位置获的相同夹紧轴力,拧紧扭矩可以更小。
例如某螺栓,尺寸M16,螺距1.5mm,等级10.9级,外六角法兰螺栓(被连接件孔径:17.5mm,外法兰尺寸33mm),屈服强度为中值1000Mpa。
上图为在其他参数不变的情况下,螺栓摩擦系数范围为0.08-0.29,拧到屈服点的理论计算扭矩,随着摩擦系数的增加,扭矩几乎线性上升。螺栓摩擦系数为0.2的拧紧扭矩是螺栓摩擦系数为0.08的2倍,数值相差很大,这也导致低摩擦系数螺栓的拧紧工具扭矩量程明显低,工具也会更小巧,成本更低。
1.3 连接副结构更紧凑
德系车螺栓的低摩擦系数配合过屈服扭矩转角法的应用,可以最大程度上利用螺栓,连接位置的夹紧轴力更高。
过屈服扭矩转角法的计算公式如下:
FAssy:轴力,
A0:螺纹最小横截面积,
RP0.2:屈服强度,
d2:螺纹中径,
d0:螺纹最小横截面直径,
p:螺距,
μG:螺纹摩擦系数
根据上面公式,影响装配轴力的主要因素有螺栓屈服强度和螺纹摩擦系数。螺纹摩擦系数越高,装配轴力越低;螺纹摩擦系数越低,装配轴力越高;需要注意的是,端面摩擦系数对轴力不产生影响,只会影响最终的装配扭矩。
因此,为了获得相同夹紧轴力,螺栓的尺寸和等级可以更低,连接位置的螺栓数量可以更少,被连接件的孔洞尺寸也可以更小。德系车底盘应用的大螺栓尺寸最大为M14,等级最高为10.9级,而且仅少数位置使用这个尺寸螺栓。相比于其它车应用M16甚至M18的螺栓,德系车的连接副结构会更紧凑。
1.4 增加螺栓重复使用次数
德系车上螺栓是否能重复使用是分类管理的,对于过屈服拧紧的螺栓,因为第一次拧紧已经消耗了螺栓的塑性,重复使用容易造成螺栓颈缩断裂失效。
但对于扭矩法不过屈服拧紧的螺栓是可以重复使用的,因为第一次拧紧时部分润滑涂层已经被破坏,螺栓再次拧紧时,其摩擦系数往往会更高。因此,为了增加螺栓重复使用次数,更低的摩擦系数是有利的。根据相关的测试结果,低摩擦的螺栓(约0.08-0.09),在经历3-5次重复拧紧后,摩擦系数仍能保持在0.11左右,这样的螺栓再次拧紧时,更不容易有松动失效的风险。