螺栓預(yù)緊力的選擇和螺栓強度校核

螺栓作為連接件，使用十分廣泛， 其在機車車輛、航太航空、風(fēng)電機組 上的使用環(huán)境大多是高強度高應(yīng)力， 而在乘用車主要部件的使用環(huán)境大多 是低應(yīng)力卨周期，但仍然存在著極大 的隱患。從**角度來說，螺栓所聯(lián) 接的部件都是很昂貴的。所以，螺栓失 效時，損壞的不僅僅是它們本身，而是 整個產(chǎn)品。

螺栓連接作為汽車裝配上的重要 應(yīng)用，據(jù)有關(guān)資料介紹，根據(jù)發(fā)動機 上的螺紋緊固件通常在1500?2000 顆左右，品種更是高達100個以上，規(guī) 格也是從M6?M30不等，而其中大約 100顆是與車輛的**性能有密切聯(lián) 系的。而做為在裝配過程中*重要的 螺栓規(guī)格及預(yù)緊力的選擇，存在理論 上的不足和認(rèn)識的誤區(qū)。

不論螺紋緊件作為連接或密封作用，還是需要裝配的子零件，都有一定的屈服極限。在裝配過程中，如果預(yù)緊力過大，使零件的變形量超過零件的屈服強度，零件就會損環(huán)。故裝配件要長時間穩(wěn)定有效工作，設(shè)計人員必 須對螺栓預(yù)緊力進行規(guī)范設(shè)計。

1.螺栓預(yù)緊力的選擇

螺栓作為重要的連接件，在總成 件安裝時必須擰緊，在連接承受工作 載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個預(yù) 加的力就是預(yù)緊力；預(yù)緊的目得到是為了增強連接的可靠性和緊密性，防止總成安裝件在工作時候，受到力的作用，各連接件之間出現(xiàn)縫隙或相對滑移，所以在總成件的設(shè)計中，必須對 預(yù)緊力的大小進行規(guī)范設(shè)計。

1.1合理選擇預(yù)緊力

在專業(yè)的螺栓緊固裝配中，一般都配有標(biāo)準(zhǔn)扳手，不同的直徑規(guī)格的螺栓使用 不同長度的扳手。扳手長度為螺栓直徑的15倍左右，在這個基礎(chǔ)上使用專業(yè)的力學(xué) 工具可以體現(xiàn)準(zhǔn)確的擰緊力矩，達到量化的預(yù)緊力，對於一些關(guān)鍵件和重要件尤為 重要。一旦使用大規(guī)格長扳手?jǐn)Q緊小規(guī)格的螺栓，往往會造成拉過緊，破壞零件本 身使整個連接構(gòu)件失效。

在擰緊螺母時，兩個或者多個零件被壓緊，零件自身被壓縮，就像彈簧的壓縮 變形一樣，在螺母和螺栓與裝配件之間的接觸表面零件自身會產(chǎn)生很大的力，這個力會使得螺栓發(fā)生拉仲變形，經(jīng)計算該應(yīng)力是簡單的軸向拉力的1.3倍，螺栓產(chǎn)生 的拉應(yīng)力超過材料的強度極限時，螺栓就被拉斷了。僅僅按操作者的經(jīng)驗進行螺 栓的緊固，對於批量生產(chǎn)的產(chǎn)品是非常不科學(xué)的。對於長扳手?jǐn)Q緊小螺栓時，更應(yīng) 該注意預(yù)緊力的大小，避免發(fā)生過度預(yù)緊的現(xiàn)象。

使用標(biāo)準(zhǔn)扳手時，施加力大小可參照表1。

表1常用規(guī)格螺栓扳手長度及施加力參考值

螺栓直徑d(mml	M5	M6	M8	M12	M16	M20	M2A	M30	M36
標(biāo)準(zhǔn)扳手長度Llmml	75	90	120	180	2A0	300	360	450	540
施加力F0[N)	40	48	65	100	130	170	200	250	300

                                                                                                                                                       

1.2常用規(guī)格螺栓的扭矩值

表2列出部分常用規(guī)格螺栓不同性能等級所對應(yīng)的緊固扭矩值。

對於設(shè)計人員來說，該連接處的預(yù)緊力需要多大，才能既達到零件的工作要求，又不大於螺栓的**應(yīng)力，這就需要計算出該處所需的應(yīng)力*小值，以此數(shù)值 來選擇合適的螺栓緊固件。施加於螺栓緊固件上的預(yù)緊力，上限值取決於螺栓緊固 件的屈服強度，下限值取決於滿足工作需要所需提供的*小預(yù)緊力。

表2常用規(guī)格螺栓的緊固扭矩值

直徑規(guī)格 （mm）	應(yīng)力截面積 As(mm2)	性能等級（GB/T3098.1-2010)
		4.8	5.8	6.8	8.8	9.8	10.9	12.9
		RPf/MPa(mm2]			RP0.2/MPa(mm2)
		340	430	480	D≤16:640 D>16; 660	720	940	1100
粗牙螺紋
M8	36.6	13.9	17.2	19.6	26.2	29.5	38.5	45
M10	58	27.6	341	38.9	51.9	58.4	76.3	89.3
M12	84.3	48.1	59.4	67.9	90.6	101.9	133.1	155.7
M14	115	76.6	94.6	108.1	144.2	162.2	211.8	247.9
M16	157	119.5	147.7	168.8	225	253.2	330.5	386.8
細(xì)牙螺紋
M8*1	39.2	14.9	18.4	21	28	31.6	41.2	48.2
M10*1	64.5	30.7	37.9	43.3	57.7	65	84.8	99.3
M10*1.25	61.2	29.1	35.9	41.1	54.8	61.6	80.5	94.2
M12*1.25	92.1	52.6	61.9	74.2	99	111.4	145.4.	170.2
M12*1.5	88.1	50.3	62.1	71	94.7	106.5	139.1	162.8
M14*1.5	125	83.3	102.9	117.6	156.8	176.4	230.3	269.5
M16*1.5	167	127.1	157.1	179.5	239.4	269.3	351.6	411.4

                     

2.螺栓規(guī)格的合理選擇

機車車輛、機械裝備、汽車的裝配是實現(xiàn)總成件，尤其是大型總成裝配件生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，零部件之間的連接通常通過螺栓來實現(xiàn)，特別是關(guān)鍵部位的螺栓， 其連接品質(zhì)決定著總成裝配件的可靠性。由於螺栓施加預(yù)緊力的數(shù)值影響了螺紋 的連接品質(zhì)，在保證采用合適預(yù)緊力裝配的前提下，選擇合適的螺栓規(guī)格，非常重 要。對於螺紋緊固件來說，它們的性能參數(shù)都是在一定的范圍內(nèi)變化的，所以基本 是有參考值的，因此計算出該緊固連接處的螺栓規(guī)格在性能上，是否達到工作強度要求，是設(shè)計人員必須考慮的。

3.強度計算

3.1手冊中的螺栓連接

現(xiàn)行的汽車行業(yè)螺栓強度分析基本都是基於（機械設(shè)計手冊）的理論計 算，由於**系數(shù)要求有較高的強度馀 量，所選螺栓強度會遠遠高於所需強 度，進行計算時，首先是根據(jù)連接的類 型、裝配情況、載荷狀態(tài)等條件，確定螺栓的受力，然後按相應(yīng)的強度條件計算螺栓危險截面的直徑或校核其強度。

螺栓連接裝配時，其螺栓危險截面 的拉伸強度條件為：

其中F2為螺栓總拉力，F(xiàn)0為螺栓預(yù)緊力，其中為螺栓相對 鋼度，取值為0.2?0.3。

3.2 VDI2230標(biāo)準(zhǔn)的螺栓連接的強度計算

VDI2230《高強度螺栓連接的系統(tǒng) 計算強度校核 》標(biāo)準(zhǔn)，在德國及其它國 家已獲得廣泛應(yīng)用，適用於高強度螺栓 的強度校核，使用該標(biāo)準(zhǔn)校核*大載荷 下的工作應(yīng)力。

VDI2230標(biāo)準(zhǔn)在用於校核螺栓強 度方面，更加注重螺栓本身的各段尺寸，并將預(yù)緊力引起的螺栓扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以及螺紋摩擦系數(shù)精細(xì)的考慮在內(nèi)，相對於《機械設(shè)計手冊》粗放大的相對剛度系數(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)有效的降低了強度浪費。

4.結(jié)論

螺紋緊固件在機車車輛、航太航空、風(fēng)電機組和汽車上的運用是普遍的，但是對高強度螺栓重視程度遠遠不夠，近幾年頻繁發(fā)生由於螺栓斷裂引發(fā)的事故，可以看出螺栓雖小，但位置關(guān)鍵，各大公司，特別是國際品牌對高強度螺栓的選擇設(shè)計也是非常嚴(yán)格的，但是也發(fā)生由於螺栓強度不足發(fā)生事故， 應(yīng)該引起我們對設(shè)計過程的關(guān)注。德國 VDI-2230《高強度螺栓連接的系統(tǒng)計算強度校核》標(biāo)準(zhǔn)，相對於《機械設(shè)計 手冊》的計算方式，更注重強度的有效 利用，計算中考慮了溫度、截面變化和 摩擦系數(shù)等細(xì)節(jié)方面，為螺栓的強度校 核提供了更加貼近事實的支援。     

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