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    连载二 l 螺纹连接计算,你考虑非线性和偏差了吗?

    连载二 l 螺纹连接计算,你考虑非线性和偏差了吗?

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    上一期考虑非线性和偏差的螺纹紧固系统的工程计算连载之(一)》我们介绍了:

    1、产品全寿命周期中螺栓连接

    2、预紧力历程

     

    本次我们来聊一聊装配偏差

     
     
     
     

     

     

    1
    拧紧方法

     

    众所周知,紧固方法直接决定了装配后的预紧偏差。通常来说,扭矩控制的拧紧程序产生的拧紧系数(最大和最小拧紧预紧力之间的比率αA=Fp0max/Fp0min)在α=1.4-1.6-2.0-2.5的范围内。有些拧紧方法存在较小预紧力偏差,有些拧紧方法存在较大的预紧力偏差。

     

    图3就是对这种影响的说明。在图3上图中,浅色条显示产生的扭矩水平和偏差,而深色条则显示产生的预紧水平和偏差,图中根据给定的螺栓连接型号和五种不同精度的拧紧方法计算得出。
     

     


    根据上图结果,在下图中计算出两个无量纲值,即屈服强度利用系数和预加载偏差系数(拧紧系数αA)。规定的拧紧方法越好,预紧偏差系数越趋向于1.0,这意味着初始拧紧最大和最小预紧力Fp0max、Fp0min几乎相同,从而确保在任何时候都能够超过最小极限。

    应该强调的是,图3中的全部信息都是计算出来的,不需要任何实验结果,而是一个综合性的计算工具,它可以考虑偏差,并且可以处理过弹性拧紧。
     
    由此得出的中间结论是,
    如果Fpmin和Min-limit在寿命期内没有显著差异,则必须准确地知道预紧力偏差。这对于采用传统螺栓设计中的其他系统也是有效的,如预紧力的安全系数或外力的引入系数等。

     

     
    2
     
    CFRP构件的紧固

     

    碳纤维增强塑料(CFRP)是一种极轻复合材料,其强度-重量比较高。同时,碳纤维增强塑料还可用于飞机、汽车、风力发电厂的系列化生产以及高速加工中心或自动化零部件的生产。

    因此,如果这些材料能够便于安装、维护和修理,就能有越来越多的应用。在大多数情况下,主要还是使用螺纹紧固件连接。由于已建立的螺栓连接的设计标准没有涉及这种紧固系统,因此,CFRP与其他材料组合的紧固性能比较情况是很有帮助的。有了这些信息
    ,每个人都可以检查与CFRP相关的设计的螺丝是否正确。

    为了研究这个问题,螺栓连接已经在一个扭矩测试台上进行了测试,使用的是钢的承载板(符合DIN EN ISO 16047)和CFRP(碳纤维板,碳纤维东丽T300(0°/90°)的双向性能材料,8.0 mm板厚,环氧树脂基体,沿着纤维方向弹性模量Ep1约8000 MPa)。

    除了用钛螺母固定的钛螺钉外,其他配对组合每个试验都使用了镀锌钢螺母。所有试验都在没有使用额外润滑的情况下进行;将螺钉拧紧到Fp = 20kN的固定水平,以直接比较不同的螺钉材料下的预紧力情况(AL9铝螺栓通过其Rm = 400mpa的低强度限制了较小预紧力水平)。

    在图4中显示了两种支撑材料的拧紧图(斜率为预紧力Fp除以总拧紧力矩T),其中图(a)为钢支撑板和图(b)碳纤维增强塑料支撑板。这些图指的是总体的装配行为;它们说明
    为了产生一定的预紧力Fp这个总拧紧扭矩Ttot是非常重要的。
     


    例如,在图4 (a)的上图的,Ttot = 30Nm的拧紧力矩为钢支撑板的预紧力Fp = 15kN。很明显,所有的螺栓材料和配对组合提供了几乎相当相同的预紧力(这意味着这些组合之间几乎是具有相同的总摩擦系数;每个预紧力时候摩擦系数可能不同;像头部摩擦系数µh表示两个预紧力5 kN和 15 kN就是不同的;这就需要必须更详细地评估组件之间的接触)。

    图4上图中曲线的线性特性显示了在不同摩擦范围内表面处理涂层的螺栓的装配特性。扭矩-夹紧力非常相似特性的三个螺丝(镀锌镍、AL9、10.9级锌铝涂覆)显示了一个总摩擦系数µtot总是在相同的范围(µtot = 0.14),而头部摩擦则存在稍许不同(µh见图4)。

    图4下图中的装配曲线(由CFRP制成的支撑板部分)显示了完全不同的行为。曲线的范围很广。对于Fp的目标预加载=20KN,扭矩在Ttot=19.5和Ttot=55Nm之间。锌铝涂覆涂层钢螺钉的头部摩擦系数μh较低。镀锌镍涂层螺钉由于总摩擦系数较高,与使用钢支承板相比,需要更高的总扭矩。非润滑的钛螺钉超过了它,显示出最大的摩擦力。因此,在这种情况下,可以在支撑板中观察到由于拧紧而产生的最严重的凹槽。

    应该提到的是,在拧紧过程中,摩擦系数会发生变化,这会导致粘滑效应。试验表明,非金属轻质材料的紧固性能与传统金属完全不同。即使是表面涂层,设计用于在钢板试验时将摩擦系数保持在特定范围内,但是在使用实际用非金属轻质材料时也会有显著差异。其原因是部件接触中的短时摩擦学变化。
     

     

     
    3
    用冲击扳手拧紧

     

    冲击式拧紧装置使用的拧紧方法与使用连续扭矩进行旋转完全不同。许多脉冲能量代替了连续转矩。如果测量每个能量的扭矩峰值,控制脉冲数和随时间变化的梯度,则可以精确拧紧。但对于这一点,需要在设备能力和拧紧过程质量方面做出大量努力。

    冲击式脉冲扳手拧紧优点是拧紧速度快,无反应拧紧,与扭矩装置相比,冲击装置的重量较轻;缺点是必要的液压基础结构,拧紧时噪音大,为精确拧紧需要付出更大的努力。

    冲击扳手的冲击装置在很短的时间内(见图5中的上小图)传递高扭矩。这个扭矩峰值不仅需要拧紧螺钉,而且还必须克服旋转部件加速时的惯性矩(螺钉必须旋转)。
     


    图6的主要图是对从冲击装置到螺钉(驱动延伸)的零件质量惯性矩的简单近似。在主示意图中,冲击扳手和螺母之间的驱动延伸直径dS发生了变化,这显著改变了电机扭矩TM和总拧紧扭矩Ttot(拧紧螺钉)之间的相对偏差。

    这意味着,如果同一个冲击扳手与另一个驱动加长杆一起使用,则螺钉的拧紧力矩Ttot不相同。这仅仅通过一个例子,强调了冲击扳手需要一套完善的质量管理规范。如果它们用于精确的拧紧程序,即使技术上可行也必须按照完整的质量管理规范进行拧紧才能达到要求。
     
    除了直接参考冲击扳手外,本例还有意强调,不仅拧紧方法或拧紧工具的选择,而且整个装配单元的一些配置对总拧紧力矩Ttot也会有重大影响。

     

     

    4
    译者点评

     

    本文主要介绍了不同的拧紧方法和拧紧工具对拧紧扭矩造成的偏差,特别是对预紧力产生的影响。

    本文中对于不同拧紧工具产生的拧紧系数aA知道了扭矩公差和摩擦系数范围就能通过Screw Designer Professional计算出来,省去了通过VDI2230标准来进行分析的烦恼,能够比较准确的得出相应的数值。

    对于不同材料下的摩擦系数则可以通过兹懋公司的摩擦系数试验机来实测各种材料的摩擦系数范围,得出在实际材料条件下与设计要求标准条件下的摩擦系数差别。

    只要充分考虑了这些装配偏差的影响,在螺栓接头计算中才能更好的反映实际情况,设计出更加符合实际情况的接头,确保设计的准确性和可靠性。

    这些问题都是本文讨论的内容,该论文摘自ASME学会的的文章(2012 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition November 2012, Houston, Texas, USA)
    ,这种考虑公差和非线性的问题在螺栓计算过程中能够保证计算更加安全可靠,同时,有些经验参数可以通过直接计算得出,减少了一些人为的判断失误。
     

    Screw Designer Professional螺栓计算软件是AFS研发的一款集数据库、非线性、偏差等功能为一体的综合性螺栓计算软件,能够计算诸如车轮螺栓(球面、锥面)的拧紧扭矩,不同拧紧方式(扭矩法、转角法、伸长量法、屈服点法等)条件下拧紧扭矩和预紧力的范围。

     

     

    同时能够计算出全寿命周期内的预紧力变化,给出非常直观的最大、最小偏差下的各种安全系数值,能够使没有太多计算经验的紧固件工程师和产品工程师都会比较容易的看懂报告,存在哪些薄弱地方等。

     

    通过该软件能够使你的螺栓连接计算标准化,规范化,并考虑相关非线性,偏差等综合因素,确保螺栓接头设计的准确、可靠和安全。

     

     

     

     
     
    敬请期待 - “终结篇”
     
     
     

     

     

     

     

    关于兹懋

          作为德国领先紧固技术在中国的代言人,旨在通过引进最先进的紧固技术助推中国先进制造业的发展。兹懋是来自德国的Kistler Remscheid (原Schatz)、ECM Datensysteme、AFS先进连接技术研究所驻中国的全权代表机构。提供源自德国的螺纹紧固连接检测、校准、分析的仪器设备,以及紧固连接全寿命周期的解决方案,并定期举办专业的紧固培训研讨会,深受业内好评。

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