邵國強,朱林波,洪軍,屈云鵬,張雪峰

(1.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710049, 西安; 2.陜西汽車集團有限責任公司, 710200, 西安; 3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 100076, 北京)

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重卡螺栓連接扭矩-預緊力關系影響因素分析

邵國強1,2,朱林波1,洪軍1,屈云鵬1,張雪峰3

(1.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710049, 西安; 2.陜西汽車集團有限責任公司, 710200, 西安; 3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 100076, 北京)

為了提高重卡裝配載荷的一致性水平,開發(fā)了一種高精度螺栓裝配連接試驗臺,可模擬不同材料及規(guī)格的螺栓裝配過程,實現(xiàn)扭矩法、扭矩轉角法和屈服點控制等擰緊策略,并實時檢測螺栓扭矩和預緊力的變化。試驗設計方法規(guī)劃了6因素2水平螺栓擰緊試驗方案,系統(tǒng)研究了6個因素(被連接件材料、螺栓等級、墊片等級、潤滑狀態(tài)、表面形貌及擰緊速度)對扭矩-預緊力關系(扭矩系數(shù))的影響規(guī)律,并通過統(tǒng)計學理論分析了各因素的顯著性和部分因子的交互作用。試驗結果顯示:表面粗糙度和被連接件材料為扭矩系數(shù)的顯著影響因子,被連接件材料與螺栓等級、被連接件材料與潤滑情況的交互作用對扭矩系數(shù)也有較大影響,扭矩系數(shù)隨著重復擰緊次數(shù)的增加急劇減小,當擰緊次數(shù)超過4次時,扭矩系數(shù)趨于穩(wěn)定。該研究優(yōu)化了螺栓裝配工藝,從而給出提高重型卡車裝配預緊力一致性的合理建議。

試驗設計方法;螺栓連接;扭矩系數(shù);預緊力

螺栓連接被廣泛應用于汽車行業(yè)的裝配過程,其連接性能的好壞直接影響車輛產(chǎn)品質(zhì)量。重型卡車由于其行駛環(huán)境和負載較一般車輛更為復雜,對螺栓連接可靠性提出了更高要求。在重型卡車裝配流水線上,通常利用“扭矩法”控制螺栓連接的預緊力。實際操作發(fā)現(xiàn),擰緊扭矩往往可以通過擰緊工具精確控制,然而由于擰緊扭矩-預緊力關系極易受連接材料、擰緊速度、潤滑條件等因素的影響,導致螺栓預緊力的精確控制十分困難。螺栓預緊力過大會導致螺栓斷裂、重卡結構件發(fā)生塑性變形,預緊力過小會引發(fā)結構件松動、分離、螺栓疲勞等問題。因此,系統(tǒng)掌握影響裝配連接扭矩-預緊力關系的影響因素,識別各因素的顯著性,進而建立基于試驗測試數(shù)據(jù)的預測模型,對精確控制螺栓預緊力,提高重型卡車裝配質(zhì)量水平是十分重要的。

螺栓扭矩-預緊力關系經(jīng)常被近似為線性,并引入扭矩系數(shù)對其進行衡量。文獻[1]將扭矩系數(shù)近似為0.2,文獻[2]通過試驗發(fā)現(xiàn),扭矩系數(shù)受連接件材料和結合面表面形貌的影響,并給出了不同組合下扭矩系數(shù)的近似值。為了量化表達扭矩-預緊力關系,文獻[3]提出一種簡化公式,該公式涉及摩擦系數(shù)、接觸壓力半徑、螺紋節(jié)距和螺紋牙型角,但并未考慮螺紋升角的影響。文獻[4]通過引入螺紋升角,提出了另外一種螺栓扭矩-預緊力公式,然而在螺栓摩擦扭矩計算過程中,該公式采用名義接觸壓力半徑代替真實接觸壓力半徑,忽略了接觸面壓力分布對摩擦扭矩的影響。文獻[5-6]提出4種典型的螺栓頭支承面和螺紋嚙合面接觸壓力分布形式,并給出對應的接觸壓力半徑表達式,通過算例指出接觸壓力分布對接觸壓力半徑有明顯影響,特別是對螺栓頭支承面接觸壓力半徑影響尤為顯著。以此為基礎,文獻[7]提出了基于均布和線性兩種壓力分布形式下的螺栓扭矩-預緊力公式,該公式通過面積積分法考慮了螺紋三維幾何形狀對摩擦扭矩及反抗扭矩的影響,為后續(xù)理解螺栓預緊力的形成提供了指導。然而,由于該接觸壓力分布形式依然是假設的,影響了預測公式的準確性。文獻[8]基于參數(shù)化有限元模型分析了材料、板厚、預緊力等因素對螺栓支承面有效半徑的影響。由此可見,眾多學者試圖通過構建扭矩-預緊力理論模型來實現(xiàn)裝配預緊力的精確控制,然而由于假設條件的存在,其預測精度難以保證。

為了克服理論建模帶來的預測誤差,各國學者開展了裝配連接試驗研究工作。文獻[9-10]等構建了單軸螺栓擰緊試驗臺,分析了擰緊速度、螺栓表面鍍層對扭矩-預緊力關系的影響,發(fā)現(xiàn)鍍層越厚扭矩系數(shù)越大,而擰緊速度越大扭矩系數(shù)越小。此外,文獻[11]研究了不同表面粗糙度對扭矩-預緊力關系的影響,測量了擰緊前后表面形貌的變化,定性分析了表面粗糙度等級對扭矩-預緊力關系的影響。文獻[12]研究了潤滑及無潤滑狀態(tài)下不同擰緊速度對螺栓扭矩-預緊力關系的影響,指出一定擰緊扭矩下擰緊速度越大,得到的預緊力越大,且在潤滑狀態(tài)下這種影響更為顯著。文獻[13]利用試驗設計方法分析了潤滑狀態(tài)、被連接件加工方式、螺紋表面鍍層和擰緊次數(shù)對螺栓扭矩-預緊力關系的影響,并給出預測模型,然而由于其扭矩通過扭矩扳手控制,預緊力通過應變片檢測,無法實時檢測扭矩-預緊力的變化。文獻[14]利用試驗設計方法分析了螺栓連接初始松弛問題,確定了顯著影響因素,并給出了降低螺栓初始松弛的工程指導建議,為本文研究工作的開展提供了思路。

綜上所述,為了降低裝配預緊力的離散度,各國學者在理論與試驗兩個方面開展了卓有成效的研究工作。然而,影響螺栓扭矩-預緊力關系的因素眾多(如幾何結構、材料屬性、擰緊工藝等),一方面理論模型可定量考慮的影響因素有限,另一方面試驗研究局限于單因素分析,缺乏系統(tǒng)多因素的顯著性及交互作用分析,難以對復雜機械系統(tǒng)裝配連接工藝提出有效指導。由此,本文開發(fā)了一種高精度螺栓裝配連接試驗臺,可模擬不同材料及規(guī)格的螺栓裝配過程,實現(xiàn)扭矩法、扭矩轉角法和屈服點控制等擰緊策略,并實時檢測螺栓扭矩和預緊力的變化。以此,利用試驗設計方法(DOE)規(guī)劃了6因素2水平螺栓擰緊試驗方案,系統(tǒng)研究了6個因素(被連接件材料、螺栓等級、墊片等級、潤滑狀態(tài)、表面形貌及擰緊速度)對扭矩-預緊力關系(扭矩系數(shù))的影響規(guī)律,并通過統(tǒng)計學理論分析了各因素的顯著性和部分因子的交互作用。本研究主要目的是結合裝配預緊力的形成過程和試驗結構特點,在全面分析影響螺栓扭矩-預緊力關系因素的基礎上,優(yōu)化螺栓裝配工藝,從而給出提高重型卡車裝配預緊力一致性的建議。

1 高精度螺栓裝配連接試驗臺

為了研究重型卡車不同裝配狀態(tài)下螺栓扭矩-預緊力的變化規(guī)律,本文開發(fā)了一種高精度螺栓裝配連接試驗臺,可實時準確檢測螺栓裝配過程中扭矩和預緊力的數(shù)據(jù)變化,并繪制和記錄對應的變化曲線。

1.1 試驗臺結構

高精度螺栓裝配連接試驗臺主要由5大模塊組成,如圖1所示,分別為機體框架、擰緊機構、頂梁機構、工作臺升降模塊和控制模塊。控制模塊獨立于擰緊臺安裝,可以有效消除擰緊過程對電氣系統(tǒng)的影響。擰緊機構通過鋼絲繩和彈簧平衡器安裝于頂梁機構的菱形梁架上,頂梁機構通過固定角鐵安裝于機體框架頂端,工作臺升降模塊通過工作臺支撐架安裝于機體框架的底端。擰緊機構帶有多根擰緊軸,可同時實現(xiàn)4個螺栓的裝配擰緊,每根擰緊軸均配備有獨立的X、Y向絲杠,調(diào)節(jié)絲杠移動擰緊軸,可組合出矩形、正方形、環(huán)形、正三角形、線型等多種螺栓分布形式。試驗臺配備的4根擰緊軸均為高精度阿特拉斯擰緊軸(型號為QST 62-350COT-T50),每根擰緊軸上集成有馬達、扭矩傳感器、角度傳感器以及具備完整測量系統(tǒng)的智能CPU。每根擰緊軸的擰緊套筒可根據(jù)不同尺寸和規(guī)格的擰緊螺栓進行替換,實現(xiàn)M8～M16外六角螺栓和內(nèi)六角螺栓的擰緊。

圖1 高精度螺栓連接試驗平臺

本文主要關注單螺栓扭矩-預緊力關系的變化,故僅對單根擰緊軸開展試驗研究工作。由于單軸擰緊時擰緊軸會存在一定的反力,因此設計了3套輔助夾具用于抵消擰緊過程中產(chǎn)生的反力,如圖2所示。夾具中有3組不銹鋼擰緊套筒,3根空閑的擰緊軸通過擰緊軸前端的方形凸出端與擰緊套筒的方形凹槽相配合,3組擰緊套筒均可實現(xiàn)空轉,防止擰緊卡死對擰緊軸產(chǎn)生損壞。

圖2 單螺栓擰緊試驗輔助夾具

圖3 單螺栓擰緊試驗裝夾圖

單軸擰緊試驗主要用于模擬單根螺栓螺母夾緊兩個被連接件。為了實現(xiàn)此目的,設計了一套試件夾具用于裝夾被連接件和螺栓,如圖3所示。墊圈式力傳感器安裝在被連接件與螺栓頭之間,整個試件夾具通過T型槽固定于試驗臺工作臺上。該夾具可實現(xiàn)不同厚度連接件的有效裝夾擰緊,也可通過更換內(nèi)六方夾緊塊來實現(xiàn)不同型號螺栓的固定。

1.2 測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法

擰緊軸集成了扭矩-轉角傳感器,可實時檢測擰緊扭矩和旋轉角度,并通過配套軟件Power MACS 4000完成數(shù)據(jù)采集和處理,繪制扭矩-時間曲線。通過扭矩-轉角傳感器可實現(xiàn)擰緊軸的閉環(huán)控制,精確控制輸出扭矩和擰緊速度,各擰緊軸扭矩范圍為1～250 N·m,控制精度可達±1%,各軸擰緊速度范圍為1～400 r/min。螺栓擰緊試驗臺采用德國HBM公司的墊片式壓力傳感器(KMR-100 kN)檢測螺栓預緊力,測量精度可達1%～2%。

構建的高精度螺栓裝配連接試驗臺可實現(xiàn)扭矩法、轉角法、屈服點法等多種擰緊控制策略。由于重型卡車螺栓連接主要采用扭矩法,因此通過預設目標扭矩來控制擰緊軸的工作。為了避免擰緊扭矩過大,導致螺栓斷裂失效,需要對擰緊試驗的預設扭矩進行預測與控制,本文預設擰緊扭矩通過螺栓目標預緊力確定,表達式如下

T=KDFb

(1)

式中:Fb為螺栓目標預緊力;D為螺栓公稱直徑;K為扭矩系數(shù)。

螺栓目標預緊力一般通過螺栓材料屈服強度的60%確定,表達式如下

(2)

式中:σy為螺栓材料屈服強度;As為螺紋實際受力面積。

為了考慮螺栓重復使用次數(shù),每組螺栓重復擰緊5次,并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測每次螺栓扭矩試驗值Te和預緊力試驗值Fe。因此,利用下式計算不同工況下螺栓扭矩系數(shù)

(3)

2 螺栓擰緊試驗設計

2.1 試驗設計方法

本文基于DOE方法設計了螺栓擰緊試驗方案,旨在分析各因素對擰緊扭矩-預緊力關系影響的顯著性及其交互作用。由文獻[9-13]可知,被連接件材料、螺栓等級、墊片材料、潤滑狀態(tài)、被連接件表面形貌和擰緊速度對螺栓擰緊過程均有較大影響。因此,本文選取上述6個因素作為設計變量,以扭矩系數(shù)作為響應變量。

考慮到6因素2水平試驗設計需進行64(26=

64)次試驗,加之每組試驗重復5次,總共需要開展320次試驗,導致試驗研究成本過高。另一方面,本文主要目的是評估多個影響因素對扭矩系數(shù)影響的顯著性,部分因素試驗設計完全滿足要求。因此,本文采用部分因素試驗設計方法,試驗次數(shù)為16次(26-2=16),是全因素試驗次數(shù)的1/4,每組試驗重復進行5次,共需進行80次試驗。該種試驗設計方法可以考慮單個因素對試驗結果的影響,同時能夠考慮2個或3個因素的相互作用對試驗結果的影響。

2.2 DOE試驗方案

以M12×1.75螺栓、螺母及被連接件為檢測試件,每次試驗均采用一組新試件,且每次試驗重復5次,螺栓擰緊試驗被連接件具體幾何參數(shù)見表1。

螺栓擰緊試驗考察的6個因素分別用大寫英文字母A～F表示,水平用σ表示,每個因素選擇2水平,用“-1”和“1”表示,表2為螺栓擰緊試驗DOE設計的6個影響因素及其水平。被連接件材料采用45鋼和2A12鋁合金,螺栓強度等級采用重卡車橋常用的8.8級和12.9級,依據(jù)ISO 898-1標準可獲得兩種螺栓等級的材料屈服強度分別為640 MPa和1 080 MPa。以此,利用式(1)和式(2)可確定兩種螺栓等級下擰緊扭矩分別為87 N·m和145 N·m,取整后分別為90 N·m和145 N·m。試驗采用普通碳素結構鋼C級平墊片和A級不銹鋼平墊片,選擇兩種粗糙度(3.2 μm和12.5 μm)表征被連接件表面形貌的變化,每個試件表面粗糙度值均通過加工工藝保障,同時利用Talysurf PGI 3D根據(jù)GB/T 10610—2009進行測量驗證。當有潤滑要求時,試驗前采用32#潤滑油對螺栓螺母進行油浴潤滑。試驗時分別采用高低兩種擰緊速度實施擰緊(10 r/min和50 r/min)。

通過試驗設計軟件Minitab設計試驗方案表,試驗設定因素數(shù)目為6,選擇兩水平及1/4部分實施,從而生成試驗設計方案,如表3所示。為了研究重復擰緊對扭矩系數(shù)(ki)的影響,每組實驗重復擰緊5次,每次試驗記錄扭矩數(shù)據(jù)及螺栓預緊力數(shù)據(jù),并按照式(3)計算每次試驗的扭矩系數(shù)值,最終試驗結果如表4所示,表中ki表示第i次擰緊的試驗結果。

表1 被連接件幾何參數(shù)

表2 試驗因素水平

表3 DOE試驗方案

表4 扭矩系數(shù)試驗結果

3 結果與討論

利用Mintab軟件對表4試驗所得的扭矩系數(shù)響應數(shù)據(jù)進行分析處理。圖4為每組試驗第1次擰緊所得數(shù)據(jù)的因素主效應圖。由圖4可知:隨著螺栓等級和擰緊速度的增加,扭矩系數(shù)有所降低,但降低的幅度不大;A級墊片與C級墊片相比,扭矩系數(shù)較小;通過油潤滑,可在一定程度上減小扭矩系數(shù);2A12鋁合金被連接件對應的扭矩系數(shù)比45鋼的小,且下降的幅度較大;當被連接件表面粗糙度增加時,扭矩系數(shù)大幅增加,說明表面粗糙度對扭矩系數(shù)有顯著影響。

值得指出的是,由式(1)可知,當輸入扭矩一定時,扭矩系數(shù)越小,則獲得的螺栓預緊力越大,也就是說扭矩轉化為預緊力的比率越高。因此,當輸入扭矩恒定時,采用高螺栓等級、高墊片等級、潤滑、較高擰緊速度和較低表面粗糙度可在一定程度上得到更大的螺栓預緊力,其中被連接件表面質(zhì)量對預緊力影響尤為顯著。

圖4 因素主效應圖

圖5為每組試驗第1次擰緊時各單因素對試驗結果影響的Pareto圖。Pareto圖是利用t檢驗根據(jù)給定的Alpha值來確定因子的顯著性水平,如果因子的t值超過給定的Alpha值則為顯著因子,本次分析取Alpha水平為0.1。由圖5可見,被連接件表面粗糙度為影響扭矩系數(shù)的顯著因素,在不考慮交互作用效應下各因子顯著性從大到小的排序為:表面粗糙度,被連接件材料,螺栓等級,擰緊速度,潤滑情況,墊片等級。其中,表面粗糙度、被連接件材料和螺栓等級的交互作用以及被連接件材料的影響尤為顯著。

圖5 各因素的Pareto圖

為了研究各因素低階交互作用的影響,本文采用每組試驗第1次擰緊檢測數(shù)據(jù)構造了雙因子交互作用圖(如圖6所示)。由圖6可見,各因子交互作用的影響各不相同,多數(shù)因子交互作用比較微弱,但部分因子交互作用卻十分明顯。其中,交互作用顯著的組合有:被連接件材料與螺栓等級、被連接件材料與潤滑情況、墊片等級與表面粗糙度、表面粗糙度與擰緊速度。此結論可用于指導重卡車橋螺栓連接裝配工藝的制定以及裝配質(zhì)量評估,以被連接件材料與潤滑情況交互作用為例,當被連接件材料為45鋼時,對螺栓連接施加潤滑將會降低扭矩系數(shù),然而當被連接件材料為2A12鋁合金時,施加潤滑反而會增大扭矩系數(shù)。如果在工程現(xiàn)場不考慮這些因子交互作用的影響,往往會使扭矩系數(shù)評估不準確,從而導致最終裝配預緊力無法滿足目標要求。

選擇影響顯著的因子及其交互作用,通過回歸分析構建每組試驗第1次擰緊時扭矩系數(shù)k1的預測模型為

k1=0.209-0.008 375σA-0.003σB-

0.001 375σC-0.002 25σD+0.016σE-

0.002 375σF-0.009 125σAσB+

0.003 75σAσC+0.007 625σAσD+

0.001 625σAσE

(3)

圖6 各因素交互作用圖

回歸方程的預測相關系數(shù)為92.6%,說明該預測模型有效。預測模型中σA～σF分別為各因素水平值“-1”或“1”,水平值由螺栓連接使用工況確定。此模型可用于預測螺栓給定使用工況下的扭矩系數(shù)量值。

由表4可知,每組試驗隨著擰緊次數(shù)的增加,扭矩系數(shù)有變小的趨勢。為了便于觀察扭矩系數(shù)隨擰緊次數(shù)的變化趨勢,利用拋物線方程對表4中DOE每組試驗5次重復擰緊的數(shù)據(jù)進行多數(shù)據(jù)函數(shù)擬合,擬合方程如下

y=0.227 26-0.020 96x+0.002 17x2

(4)

式中:x代表擰緊次數(shù);y代表擬合后扭矩系數(shù)。利用擬合方程,構建重復擰緊次數(shù)和扭矩系數(shù)的關系曲線,如圖7所示。

圖7 扭矩系數(shù)隨擰緊次數(shù)的變化

(a)原始形貌 (b)第1次擰緊后 (c)第2次擰緊后

(d)第3次擰緊后 (e)第4次擰緊后 (f)第5次擰緊后圖8 重復擰緊后摩擦界面表面形貌

圖9 復擰緊后摩擦界面表面表面粗糙度變化曲線

由圖7可知,當螺栓重復擰緊次數(shù)小于4次時,扭矩系數(shù)隨著擰緊次數(shù)的增加大幅減小;當重復擰緊次數(shù)大于4次后,扭矩系數(shù)趨于穩(wěn)定。此現(xiàn)象可從材料的微觀接觸層面給予解釋,從微觀尺度上觀察,材料表面實際是由大量微凸體組成,凹凸不平。因此,在螺栓擰緊初期,螺栓頭與被連接件表面、螺紋嚙合面的接觸主要發(fā)生在微凸峰上,且峰點接觸壓力很高。隨著擰緊過程的深入,率先加入接觸的微凸體由彈性變形轉化為塑性變形,此時會有更多的微凸體加入到接觸中來,以此增大接觸面積,支撐夾緊力。同時,隨著螺栓的回轉擰緊,接觸面微凸體逐漸被壓平。正是由于材料表面的這種微觀接觸特性,直接造成了螺栓頭與螺紋嚙合面摩擦系數(shù)的劇烈變化。隨著擰緊次數(shù)的增加,接觸面逐步變光滑,摩擦系數(shù)減小,當達到一定擰緊次數(shù)時,接觸面微凸體接觸狀態(tài)不再發(fā)生大幅變化,從而促使接觸摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定,此時扭矩系數(shù)也逐步穩(wěn)定下來。以表3第二組試驗條件為例,本文利用LEXT OLS 4000激光共聚焦顯微鏡,在5倍鏡頭下觀測被連接件摩擦界面重復擰緊后的表面形貌,如圖8所示。以此為基礎,利用Matlab小波工具(Bior 6.8小波基函數(shù))對檢測的表面形貌信息進行處理,并依據(jù)GB/T 3505—2009計算相應的界面粗糙度。圖9為重復擰緊后摩擦界面表面粗糙度變化曲線,可以看出,隨著重復擰緊次數(shù)的增加,摩擦界面粗糙度逐漸減小,說明表面形貌的高度逐漸減小,紋理趨于平滑。特別是在第4次和第5次重復擰緊后界面粗糙度下降率明顯減小,表明此時界面表面形貌趨于穩(wěn)定。因此,為了達到穩(wěn)定的裝配預緊力,建議在重卡車橋螺栓裝配過程中,采取正反擰的擰緊策略,擰緊次數(shù)為3、4次為宜。

4 結 論

(1)本文開發(fā)了一種高精度螺栓裝配連接試驗臺,可模擬不同材料及規(guī)格的螺栓裝配過程,實現(xiàn)扭矩法、扭矩轉角法和屈服點控制等擰緊策略,并實時檢測螺栓扭矩和預緊力。

(2)利用DOE方法規(guī)劃了6因素2水平螺栓擰緊試驗方案,系統(tǒng)研究了各因素(被連接件材料、螺栓等級、墊片等級、潤滑狀態(tài)、表面形貌及擰緊速度)對擰緊扭矩-預緊力關系(扭矩系數(shù))影響的顯著性及其交互作用,構建了扭矩系數(shù)預測模型,分析了重復擰緊次數(shù)對扭矩系數(shù)的影響規(guī)律。

(3)研究發(fā)現(xiàn),表面粗糙度和被連接件材料為扭矩系數(shù)的顯著影響因子,被連接件材料與螺栓等級、被連接件材料與潤滑情況的交互作用對扭矩系數(shù)有顯著影響,當擰緊次數(shù)超過4次時,扭矩系數(shù)趨于穩(wěn)定。因此,在重卡車橋螺栓裝配過程中應重視各因子的交互作用,建議在螺栓裝配過程中,采取正反擰的擰緊策略,擰緊次數(shù)為3、4次為宜,以此減小重卡車橋裝配預緊力的離散性,提高裝配性能的一致性水平。

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(編輯 杜秀杰)

The Factors Influencing Torque-Preload Relationship of Bolted Joints in Heavy Truck

SHAO Guoqiang1,2,ZHU Linbo1,HONG Jun1,QU Yunpeng1,ZHANG Xuefeng3

(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Shaanxi Automobile Group Co. Ltd., Xi’an 710200, China;3. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

To improve the load consistency in heavy truck assembly, a high-precision fastening instrument is developed to simulate bolted assemblies with various materials and sizes. This instrument enables to control the tightening process with torque, torque-turn, or torque-to-yield strategy. The tightening torque and the preloading force can be measured in real time. Adopting the design of experiment (DOE) method, a tightening tests program, characterized by six variables with two levels each, is designed to investigate the influence of six factors on the torque-preload relationship (nut factor) in bolted joints. These factors include joint materials, fastener class, gasket grade, lubrication, surface roughness, tightening speed and repeated tightening. The effects of these factors on the nut factor and their interactions are evaluated with statistic technique. The results show that the surface roughness and the joint materials are the major factors affecting the nut factor; the interactions between the joint materials and the gasket grade and the interactions between the joint materials and the lubrication also exert considerable influence. The nut factor decreases rapidly with the tightening times, and it remains stable after four tightenings.

design of experiment; bolted joints; nut factor; preloading force

2015-03-19。

邵國強(1971—),男,博士生;洪軍(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(51421004);國家“863計劃”資助項目(2012AA040703)。

時間:2015-08-18

10.7652/xjtuxb201510003

TH131

A

0253-987X(2015)10-0014-08

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150818.0926.006.html