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文章出處：螺絲百科 網(wǎng)責(zé)任編輯： 法士威精密零件 閱讀量： 發(fā)表時間：2025-06-25
在汽車輕量化發(fā)展的趨勢下，鋁合金零件得到了廣泛的應(yīng)用。如底盤部件中的副車架、控制臂等，這些部件采用鋁合金可以在保證強度和剛度的前提下，減輕底盤重量，提升車輛的操控性能和穩(wěn)定性。另外，在發(fā)動機部件中，如缸體、缸蓋等，鋁合金的使用可以減輕發(fā)動機的重量，有助于提高發(fā)動機的功率輸出。總之，汽車輕量化的發(fā)展有利于提高傳統(tǒng)油車的燃油經(jīng)濟性和電動汽車的續(xù)航里程。
01 鋼件和鋁件上的差異
1.1 嚙合長度
為了保證螺紋連接不滑牙，鋼零件和鋁零件螺紋連接的嚙合長度差異主要源于它們材料特性的不同。
鋼的強度和硬度通常高于鋁。因此，在承受相同載荷時，鋼零件螺紋連接所需的嚙合長度相對較短。例如，在中等載荷條件下，鋼質(zhì)螺紋可能只需0.7- 1.5 倍螺紋直徑的嚙合長度就能保證連接強度。
而鋁的強度相對較低，為了達(dá)到相同的連接強度和可靠性，其螺紋連接往往需要更長的嚙合長度，可能需要2倍-3倍螺紋直徑的長度。
另外，鋁的熱膨脹系數(shù)較大，在溫度變化明顯的工況下，鋁零件螺紋連接的穩(wěn)定性可能受到影響。為了彌補這一不足，通常會增加嚙合長度來增強連接的穩(wěn)定性和可靠性。再者，由于鋁相對較軟，在螺紋連接過程中容易出現(xiàn)螺紋變形和磨損。為了減少這種情況對連接性能的影響，也需要增加鋁零件螺紋連接的嚙合長度。
詳細(xì)鋁件和鋼件的最小嚙合長度要求可以見下表。
1.2 抗壓強度承載力
為了保證螺栓連接可靠，被連接面不發(fā)生壓潰，需要對裝配狀態(tài)和工作狀態(tài)的表面壓力進(jìn)行校核，要求接頭處表面壓力不超過被連接件的極限壓應(yīng)力。否則，會出現(xiàn)被連接件的損壞和預(yù)緊力的衰減，造成螺紋連接失效。
一般而言，鋼零件螺紋連接的抗壓強度通常顯著高于鋁零件螺紋連接的抗壓強度。
以常見的碳素結(jié)構(gòu)鋼（如 45 鋼）和鋁合金（如 6061 鋁合金）為例，在相同規(guī)格和尺寸的螺紋連接條件下：45 鋼制成的零件螺紋連接抗壓強度可能達(dá)到 800MPa 以上，甚至在某些優(yōu)化處理和高質(zhì)量制造的情況下能超過 1000MPa。而 6061 鋁合金零件的螺紋連接抗壓強度通常在 250MPa 至 350MPa 左右。
造成這種差異的主要原因在于鋼的強度和硬度普遍高于鋁合金。鋼的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分使其具有更好的抵抗壓縮變形和破壞的能力。
1.3 扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊工藝
鋼的彈性模量通常在200-210 GPa之間?，而鋁的彈性模量約為70-80 GPa。?
彈性模量是材料的剛度指標(biāo)，表示材料在受力后恢復(fù)原狀的能力。鋼的彈性模量一般在190-210 GPa之間，而鋁的彈性模量約為70-80 GPa。由于鋁的彈性模量較低，相同受力下，鋁桿會相對更容易產(chǎn)生變形。
螺栓擰緊時，因為鋁更容易發(fā)生變形，即擰緊相同的角度，鋁零件上扭矩和軸力上升的值會低于鋼零件上。因此，為了達(dá)到相同的軸力值，在鋁零件的轉(zhuǎn)角會要求更大，比如：在鋼零件擰緊60Nm+90°能達(dá)到的軸力值，在鋁件上需要擰緊60Nm+120°。因此，應(yīng)用在鋼件上的擰緊工藝，不一定能直接應(yīng)用在鋁件上，需要通過實驗測試確定合適的擰緊工藝。
1.4 螺栓上承受的軸向載荷
當(dāng)連接副承受軸向載荷FA 時，軸向載荷會被分解到螺栓和被連接件上，具體的分配數(shù)值見下面計算公式，公式1為軸向載荷在螺栓上的分量，公式2為軸向載荷在被連接件上的分量。
其中：
FA ：軸向外載荷，
FSA ：軸向載荷在螺栓上的分量，
FPA ：軸向載荷在被連接件上的分量，
δP ：被連接件柔度，
δS ：螺栓柔度。
從公式1和公式2可知，當(dāng)被連接柔度增大時，螺栓上的載荷FSA 會變大，而被連接件上的載荷FPA 會變小；當(dāng)被連接柔度降低時，螺栓上的載荷FSA 會變小，而被連接件上的載荷FPA 會變大。
當(dāng)被連接件由鋼件變成鋁件時，被連接件柔度δP 會增大，這會使得FSA 增加和FPA 減小。
螺栓上載荷FSA 增加會導(dǎo)致螺栓更容易發(fā)生屈服和斷裂失效；此外，承受疲勞載荷的螺栓，載荷數(shù)值也會變大，更易造成疲勞失效。
被連接件上的載荷FPA減低，會使得被連接件更不容易發(fā)生分離，接合面會貼合更加牢固。
1.5 高溫下附加應(yīng)力
對于螺紋連接應(yīng)用高溫連接位置，螺栓和被連接件的熱膨脹系數(shù)不同可能會帶來附加應(yīng)力，導(dǎo)致螺紋連接的軸力增大或減小。
當(dāng)鋼螺栓和鋼連接件配合時，由于材料熱膨脹系數(shù)基本一致，因此不會有附加應(yīng)力。
當(dāng)鋼螺栓和鋁連接件配合時，鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)不同，鋁的熱膨脹系數(shù)約為23.6×10^-6/℃，而鋼的熱膨脹系數(shù)約為12×10^-6/℃。隨著溫度的變化，它們的體積會發(fā)生不同程度的改變。鋁的熱膨脹系數(shù)較大，意味著在溫度升高時，它會比鋼膨脹得更多；而在溫度降低時，鋁收縮的程度也會比鋼更大。這種熱膨脹系數(shù)的差異可能會導(dǎo)致螺紋聯(lián)接副產(chǎn)生附加應(yīng)力。當(dāng)溫度升高時，裝配附加應(yīng)力會增加；當(dāng)溫度降低時，裝配附加應(yīng)力會降低。
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2021-04-23
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