賈金龍， 張桂明， 李晨陽

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司， 上海 201201)

汽車子系統(tǒng)緊固點(diǎn)的螺栓軸力測(cè)試目前廣泛采用超聲波法[1]，即預(yù)先獲得螺栓軸力和超聲波聲時(shí)差之間的關(guān)系特征曲線(螺栓標(biāo)定曲線)，后續(xù)在實(shí)際零件子系統(tǒng)試驗(yàn)中通過超聲波測(cè)出螺栓聲時(shí)差并參照標(biāo)定曲線就能得到緊固連接中螺栓的軸力。因此，獲取正確的標(biāo)定曲線對(duì)實(shí)際零件子系統(tǒng)中螺栓軸力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性尤為重要。目前超聲波測(cè)試方法主要有單波法(即縱波法)和橫縱波法[2-3]。

在螺栓標(biāo)定過程中，影響標(biāo)定結(jié)果的因素較多，如夾持長(zhǎng)度、溫度、擰緊機(jī)轉(zhuǎn)速、夾具工裝等。目前采用較多的螺栓標(biāo)定方法是旋轉(zhuǎn)擰緊方法，在螺栓試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)螺栓進(jìn)行標(biāo)定，這就需要制作軸力傳感器的配套夾具，分別是壓板和內(nèi)螺紋孔夾具，內(nèi)螺紋孔夾具的作用是替代普通螺母。在汽車底盤安全系數(shù)要求較高的緊固連接點(diǎn)中通常采用防松設(shè)計(jì)來保證其緊固的可靠性，目前采用的防松措施之一是自鎖螺母，即有效力矩鎖緊螺母[4]。

筆者采用縱波法并使用自制的內(nèi)螺紋夾具，分別選擇普通螺母和自鎖螺母來標(biāo)定螺栓，通過不同的擰緊策略和標(biāo)定方法，研究采用普通螺母和自鎖螺母來標(biāo)定螺栓曲線的差異，并對(duì)汽車子系統(tǒng)緊固件軸力試驗(yàn)提出了一些建議。

1 聲彈性測(cè)試原理

超聲波技術(shù)測(cè)試螺栓軸力是一種間接的測(cè)試方法，根據(jù)聲彈性原理，聲音在固體中傳播的速度與應(yīng)力有關(guān)，因此可以借助超聲波來獲得螺栓的軸向力[5-8]。螺栓在擰緊過程中自身會(huì)伸長(zhǎng)，同時(shí)產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力，超聲波脈沖從螺栓的頭部傳向尾部，由于介質(zhì)密度的突變會(huì)沿原路徑返回，在螺栓表面通過壓電陶瓷接收信號(hào)后產(chǎn)生時(shí)間差Δt。超聲波測(cè)試原理圖如圖1所示，時(shí)間差與伸長(zhǎng)量成正比關(guān)系。

圖1 超聲波測(cè)試原理圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic test

超聲縱波波速與應(yīng)力的關(guān)系式如下

(1)

式中：v0為無應(yīng)力條件下超聲波的波速；vσ為有應(yīng)力條件下超聲波的波速；A為聲彈性系數(shù)(與固體的密度，二階和三階彈性系數(shù)有關(guān))；σ為軸向應(yīng)力。

另外，由于受到軸向應(yīng)力后螺栓會(huì)有微小的伸長(zhǎng)，則在彈性范圍內(nèi)有

(2)

式中：E為彈性模量。

引入超聲波脈沖聲時(shí)參數(shù)，則有

(3)

(4)

式中：Δt0為螺栓在初始長(zhǎng)度時(shí)超聲波穿過螺栓的聲時(shí)；Δtσ為有應(yīng)力條件下超聲波穿過螺栓的聲時(shí)。

將Δt0看成螺栓的初始狀態(tài)，則在螺栓受到軸向應(yīng)力時(shí)的聲時(shí)差為Δtσ-Δt0，令Δt=Δtσ-Δt0，則有

(5)

(6)

由式(6)可以看出在彈性階段，螺栓的軸向力與超聲波的聲時(shí)差成正比。對(duì)于給定的螺栓，軸向力與聲時(shí)差的比值是定值，因此可以通過前期標(biāo)定獲得螺栓軸向力與超聲波聲時(shí)差的線性特征關(guān)系。依此原理，以下設(shè)計(jì)了不同的標(biāo)定試驗(yàn)以區(qū)別普通螺母和自鎖螺母對(duì)螺栓標(biāo)定曲線的影響。

2 試驗(yàn)方案

文中涉及到的試驗(yàn)均在螺栓標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)上完成，軸力傳感器以及螺栓的裝夾如圖2所示，其中夾具和壓板都屬于輔助工裝。軸力傳感器使用RS Technologies公司的軸力傳感器，數(shù)據(jù)采集使用MCI的MC9004型通道瞬時(shí)記錄儀，電動(dòng)扭矩槍的轉(zhuǎn)速設(shè)定為30 r·min-1。

圖2 螺栓標(biāo)定試驗(yàn)裝夾示意圖Fig.2 Clamping diagram of bolt calibration test

將螺母放入自制的夾具(如圖3)中用于螺栓標(biāo)定，此夾具是在原夾具的基礎(chǔ)上通過電脈沖開槽加工而成，加工尺寸為M12規(guī)格的六角法蘭螺母最大尺寸，以保證普通螺母和法蘭螺母都可以裝入該夾具中。將螺栓按照設(shè)定轉(zhuǎn)速擰緊的同時(shí)，數(shù)據(jù)采集儀采集螺栓軸向力和聲時(shí)差的數(shù)據(jù)，繪制成相應(yīng)的螺栓軸向力-聲時(shí)差標(biāo)定特征曲線。

圖3 自制的法蘭螺母夾具實(shí)物圖Fig.3 Physical diagram of self-made clamp for flange nut

試驗(yàn)1中采用M12 mm×1.75 mm×100 mm規(guī)格螺栓，先使用普通螺母標(biāo)定5顆螺栓，然后使用自鎖螺母用兩種不同形式標(biāo)定螺栓，一種是人工擰至螺栓法蘭即將貼合壓板時(shí)掃描初始波(即記錄螺栓原始長(zhǎng)度L0)，然后用電動(dòng)槍擰至100 N·m+300°(稱為Ⅰ類方法)，另一種是直接掃描初始波后用擰緊槍擰至目標(biāo)扭矩(稱為Ⅱ類方法)，這個(gè)過程中會(huì)有一定的空轉(zhuǎn)距離(如圖4所示)。圖5為普通螺母和自鎖螺母按照Ⅰ類方法標(biāo)定后的曲線。圖6為使用自鎖螺母按照Ⅰ類和Ⅱ類方法標(biāo)定后的曲線?？梢钥闯?，使用普通螺母和使用自鎖螺母Ⅰ類方法的標(biāo)定曲線完全一致(都經(jīng)過原點(diǎn)、線性段斜率和屈服點(diǎn)大小相同)；而使用自鎖螺母采取兩類方法(Ⅰ類和Ⅱ類)標(biāo)定螺栓獲取的曲線有所差異，兩個(gè)曲線的線性段斜率和屈服點(diǎn)相同，但后者曲線比前者平行右移了。

圖4 螺栓標(biāo)定試驗(yàn)裝夾實(shí)物圖Fig.4 Physical diagram of bolt calibration test clamping

圖5 使用普通螺母和自鎖螺母(Ⅰ類方法)測(cè)得的螺栓標(biāo)定曲線Fig.5 Calibration curves of bolt measured by common nut and self-locking nut (method I)

試驗(yàn)2選用規(guī)格為M12 mm×1.75 mm×156 mm的螺栓，將夾持長(zhǎng)度設(shè)定為63.3 mm，驗(yàn)證當(dāng)不同長(zhǎng)度(80 mm和60 mm)的外螺紋通過自鎖螺母時(shí)摩擦生熱是否對(duì)標(biāo)定的曲線有影響。試驗(yàn)說明見表1，前2個(gè)試樣(1號(hào)螺栓和2號(hào)螺栓)仍然選擇用普通螺母標(biāo)定，后面4個(gè)試樣都使用自鎖螺母標(biāo)定，3號(hào)螺栓和4號(hào)螺栓的空轉(zhuǎn)距離為80 mm，5號(hào)螺栓和6號(hào)螺栓空轉(zhuǎn)距離為60 mm，其中4號(hào)螺栓和6號(hào)螺栓為重復(fù)使用的自鎖螺母。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可見用普通螺母標(biāo)定的螺栓軸向力-伸長(zhǎng)量曲線仍然過原點(diǎn)；而用自鎖螺母標(biāo)定的曲線，在一定的空轉(zhuǎn)距離下曲線向右平移的幅度有所差別，3號(hào)和5號(hào)螺栓曲線基本一致，而4號(hào)和6號(hào)螺栓曲線基本一致。

表1 試驗(yàn)2的試驗(yàn)說明及螺栓標(biāo)定曲線特征Tab.1 Test description of test 2 and bolt calibration curve characteristics

圖7 不同擰緊狀態(tài)下螺栓伸長(zhǎng)量與螺栓軸向應(yīng)力的關(guān)系Fig.7 Relationship between bolt elongation and bolt axial stress under different tightening states

試驗(yàn)3是將數(shù)采儀軟件中Graph Setup的Y3坐標(biāo)設(shè)置為溫度坐標(biāo)(用外部溫度傳感器)，將螺栓空轉(zhuǎn)距離設(shè)置為60 mm進(jìn)行標(biāo)定，記錄扭矩/軸向力/溫度和對(duì)角度的曲線。如圖8所示，可以看出隨著螺栓的不斷擰入，溫度在不斷上升，溫度的上升可以看成是線性的。選取4個(gè)螺栓試樣都使用自鎖螺母標(biāo)定，圖9為該4個(gè)螺栓的標(biāo)定曲線，可以看出4條曲線均向右平移，但平移的程度不同。表2記錄了標(biāo)定曲線向右偏移的距離與擰緊過程中溫度的升高值，可見標(biāo)定曲線右移的程度與溫度升高的幅度基本成正比。

圖8 試驗(yàn)3中螺栓的扭矩/軸向力/溫度曲線圖Fig.8 Torque/axial force/temperature curves of bolt in test 3

圖9 使用自鎖螺母獲得的不同標(biāo)定曲線Fig.9 Different calibration curves obtained from different bolts with self-locking nut

表2 標(biāo)定曲線右移量與螺栓升高溫度的關(guān)系Tab.2 The relationship between the right shift of calibration curve and the rising temperature of bolt

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

螺栓在擰緊時(shí)受到軸向應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的共同作用，兩者的合力最終導(dǎo)致螺栓屈服。在螺栓的標(biāo)定中，只有螺栓的軸向力被反映在標(biāo)定曲線上以提供緊固子系統(tǒng)的夾緊力。由圖5的試驗(yàn)結(jié)果可知，盡管是自鎖螺母，如果是人工已經(jīng)將螺栓旋轉(zhuǎn)至即將貼合壓板支承面后記錄初始長(zhǎng)度，則標(biāo)定曲線結(jié)果與普通螺母的是完全重合的。這說明在該狀態(tài)下標(biāo)定，自鎖螺母的自鎖扭矩帶來的影響是可以忽略的。

如果直接用電動(dòng)槍擰緊螺栓至自鎖螺母中，則曲線會(huì)整體向右平移，如圖6所示。這說明自鎖扭矩影響了標(biāo)定曲線中的聲時(shí)差。觀察右移的曲線的起始段，說明在螺栓已經(jīng)有一定伸長(zhǎng)量的條件下仍然沒有產(chǎn)生軸向力，或者說軸向力非常小，相當(dāng)于螺栓還沒有壓緊軸力傳感器時(shí)已經(jīng)被拉伸，顯然此時(shí)螺栓的伸長(zhǎng)是虛假伸長(zhǎng)，而不是真正的伸長(zhǎng)，造成虛假伸長(zhǎng)的原因是空擰過程中由于自鎖扭矩產(chǎn)生的熱量影響了超聲波的傳播，反映在曲線上顯示螺栓已經(jīng)伸長(zhǎng)，說明溫度對(duì)超聲波是有影響的。而對(duì)于圖6中同樣也使用了自鎖螺母標(biāo)定，但標(biāo)定曲線沒有右移的原因是雖然擰入自鎖螺母時(shí)同樣會(huì)有摩擦導(dǎo)致發(fā)熱，但由于記錄螺栓初始長(zhǎng)度時(shí)已將熱量計(jì)入并已清零，加上螺栓標(biāo)定時(shí)間非常短(通常不到5 s)，所以溫度的影響并沒有呈現(xiàn)在標(biāo)定特征曲線上。

何存富等提到對(duì)于M24 mm×240 mm高強(qiáng)度螺栓溫度對(duì)其軸向力影響是2～3 kN·℃-1。這說明溫度的影響是不能忽略的[9]。為了研究溫度升高對(duì)標(biāo)定曲線影響的程度，試驗(yàn)2給出了使螺栓一定長(zhǎng)度的有效螺紋通過自鎖螺母的試驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。一定長(zhǎng)度的外螺紋擰入自鎖螺母時(shí)由于摩擦生熱使得標(biāo)定曲線右移，右移幅度的大小與空轉(zhuǎn)距離和螺母的使用狀態(tài)有關(guān)，試驗(yàn)中重復(fù)使用螺母(4號(hào)螺栓和6號(hào)螺栓)使螺紋摩擦力減小會(huì)使曲線右移的幅度遠(yuǎn)小于空轉(zhuǎn)距離減小(3號(hào)螺栓和5號(hào)螺栓)帶來的曲線右移的幅度。

由上述分析可知，空擰中的螺紋摩擦導(dǎo)致螺栓溫度升高從而減小了超聲波的波速，表現(xiàn)為標(biāo)定曲線平行右移，曲線右移幅度的大小取決于擰入自鎖螺母的長(zhǎng)度和鎖緊扭矩，這兩個(gè)因素都與螺紋摩擦產(chǎn)生熱量成正比，如圖10所示。表2中統(tǒng)計(jì)了標(biāo)定曲線右移的幅度及擰緊整個(gè)過程中螺栓溫度升高的大小，可以看出標(biāo)定曲線右移的幅度與溫度升高的程度是一致的，并呈線性比例關(guān)系的，其比值約為

圖10 使用自鎖螺母標(biāo)定螺栓的要素鏈Fig.10 Essential factor chain using self-locking nut to calibrate bolt

10.1，假設(shè)溫度升高10 ℃，則聲時(shí)差增加101 ns，對(duì)應(yīng)M12螺栓標(biāo)定曲線上24.4 kN的軸向力。從物理角度解釋為溫度的升高會(huì)引起螺栓材料的諧振性發(fā)生變化，使得通過螺栓介質(zhì)的超聲波波速發(fā)生變化進(jìn)而影響超聲波傳播的時(shí)間[9]。理論上根據(jù)聲彈性原理，推導(dǎo)出在無應(yīng)力狀態(tài)下，超聲波縱波在螺栓中傳播的聲時(shí)長(zhǎng)與溫度變化量的關(guān)系如下

t(T)=t(T0)[1+(α-β)ΔT]

(7)

式中：t(T)為溫度為T時(shí)超聲波縱波穿過螺栓的聲時(shí)長(zhǎng)；t(T0)為初始溫度T0時(shí)超聲波縱波穿過螺栓的聲時(shí)長(zhǎng)；α為螺栓材料的線膨脹系數(shù)；β為溫度對(duì)超聲波的影響系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

對(duì)式(7)進(jìn)行轉(zhuǎn)換可得出

t(T)-t(T0)=t(T0)·(α-β)ΔT

(8)

其中t(T)-t(T0)則為超聲波測(cè)得螺栓的聲時(shí)差，與溫度的變化量ΔT成正比，當(dāng)溫度升高后，聲時(shí)差就會(huì)相應(yīng)增加。在標(biāo)定曲線圖像中代表曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，圖9所示的測(cè)試結(jié)果與式(8)表達(dá)的關(guān)系是一致的。在螺栓受力后，因電動(dòng)擰緊螺栓的時(shí)間很短，所以可以不考慮溫度對(duì)超聲波的影響。

汽車底盤系統(tǒng)的自鎖螺母緊固連接點(diǎn)設(shè)計(jì)中，在裝配完成的情況下不允許穿過自鎖螺母的有效外螺紋過長(zhǎng)，一般小于10 mm，所以不會(huì)導(dǎo)致標(biāo)定曲線的大幅度右移。若標(biāo)定中不注意引入了溫度的因素，則會(huì)使最終的螺栓軸力測(cè)試結(jié)果變小，將誤導(dǎo)緊固件開發(fā)工程師釋放扭矩的范圍。生產(chǎn)線上往往是直接用氣動(dòng)槍預(yù)擰緊螺栓以提高生產(chǎn)節(jié)拍，試驗(yàn)室測(cè)試時(shí)應(yīng)保證螺栓標(biāo)定和軸力測(cè)試采用相同的擰緊工藝，關(guān)鍵在于何時(shí)記錄螺栓的初始長(zhǎng)度。考慮到溫度對(duì)超聲波波速的影響，推薦的標(biāo)定方法是消除其影響，所以應(yīng)在螺栓快貼合支承面時(shí)再記錄初始長(zhǎng)度，如果是采用氣動(dòng)或者電動(dòng)擰至貼合的，就需要有冷卻的時(shí)間，等溫度恒定后再記錄螺栓初始長(zhǎng)度。同樣，在后續(xù)的實(shí)際零件測(cè)試中依然要采用該擰緊步驟，這樣才能獲得準(zhǔn)確的螺栓軸向應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。若按照生產(chǎn)線模式標(biāo)定和測(cè)試，則需要觀察標(biāo)定曲線的一致性和偏差范圍，如在允許的范圍內(nèi)，這種測(cè)試的效率反而會(huì)更高。

4 結(jié)論及建議

采用普通螺母和自鎖螺母標(biāo)定螺栓特征曲線時(shí)因方法不同會(huì)獲得不同的標(biāo)定特征曲線，其結(jié)果的差異是因?yàn)榭諗Q中溫度因素對(duì)超聲波波速的影響而造成的。自鎖螺母的鎖緊扭矩使螺栓溫度升高導(dǎo)致超聲波聲時(shí)差增加，獲得的標(biāo)定特征曲線會(huì)平行右移。

試驗(yàn)室測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量消除溫度對(duì)超聲波的影響，或者保證螺栓標(biāo)定和軸向力測(cè)試兩個(gè)階段采用相同的標(biāo)定方法，建議在螺栓快貼合支承面時(shí)再記錄初始長(zhǎng)度。