淺談裝配中的螺栓擰緊力矩

1、淺談裝配中的螺栓擰緊力矩一、螺紋基本知識1.1 左旋右旋1、右旋螺紋:常用的最重要原因有兩個：一是右手常用方便、順手；二是右螺紋車削工藝性好2、左旋螺紋：符合左手定則。用于右旋螺紋不能滿足的地方。 例如：因為運動方向可能導致松動的地方-自行車的左腳踏板芯軸；保證右旋習慣的地方-機床進給絲杠；起區(qū)分的作用-可燃氣體氣瓶；雙向運動-拉器等.。 一般機械調節(jié)裝置會用到左旋螺紋，左右螺紋匹配應用，也就是一根螺桿的兩端分別為左旋螺紋和右旋螺紋，這樣就可以通過旋轉螺桿實現兩端螺母的間距；如自行車輪軸，暖氣片組螺紋軸等1.2 粗牙細牙粗牙螺紋：用于緊固件細牙螺紋：同樣的公稱直徑下，細牙的

2、螺距小，升角小，自鎖性能更好，適于薄壁細小零件和沖擊變載等情況1.3 螺紋頭數單頭螺紋（n=1）：用于緊固雙頭螺紋和多線螺紋(n>=2)：用于傳動1.4 自鎖螺紋如圖所示，螺紋受到向外的力FQ，螺旋角為，導程S，中徑d2。當FQsinFQcostan，即時，不論FQ有多大，螺紋都不會脫落（脫扣另說）。二、螺紋聯(lián)接預緊力的作用螺紋聯(lián)接的預緊力就是使螺紋聯(lián)接在承受工作載荷之前預先受到力的作用，這個預加作用力就是預緊力。合適的預緊力是增強聯(lián)接可靠性和緊密性的重要前提。預緊力達不到規(guī)定要求就會使被聯(lián)接件受載后出現縫隙或發(fā)生相對滑移，造成零部件的松動，甚至使整機無法正常工作。如果預緊力過大就會引起

3、人為的零部件損壞，例如采用O形圈密處如果預緊力過大就會擠壞0形圈，使密封失效。不合適的預緊力會帶來以下后果：(1) 螺紋聯(lián)接零件的靜力破壞。若螺紋緊固件擰得過緊，即預緊力過大，就會引起人為的零部件損壞，螺栓可能被擰斷，聯(lián)接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能使螺紋牙形被剪斷而脫扣。(2) 被聯(lián)接件滑移、分離或緊固件松脫。對于承受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接，預緊力使被聯(lián)接件之間產生正壓力，依靠摩擦力抵抗外載荷，因此預緊力的大小決定了它的承載能力。若預緊力不足，被聯(lián)接件將出現滑移，從而導致被聯(lián)接件錯位、歪斜、折皺，螺栓有可能被剪斷。對于受軸向載荷的螺栓聯(lián)接，預緊力使接合面上產生壓緊力，受外載荷作用后的剩

4、余預緊力是接合面上工作時的壓緊力。若預緊力不足將會導致接合面松動，甚至導致兩被聯(lián)接件分離的嚴重后果，同時預緊力不足還將引起強烈的橫向振動，致使螺母松脫等現象發(fā)生。(3) 螺栓疲勞破壞。不合適的預緊力在大多數情況下會使螺栓因疲勞而失效。減小預緊力雖然能使螺栓上循環(huán)變化的總載荷的平均值減小，但卻使載荷變幅增大，所以總的效果大多數是使螺栓疲勞壽命下降，引起疲勞破壞。因此在裝配工藝中一定要確定預緊力的范圍。根據被聯(lián)接件的重要程度、受力情況、運動方式、結構特點、螺紋規(guī)格與等級、被聯(lián)接件材料與聯(lián)接的目的等方面綜合考慮，確定科學合理的預緊力矩范圍；在裝配時嚴格遵守工藝規(guī)定的力矩要求。只有這樣才能真正提高螺紋

5、聯(lián)接的可靠性以及聯(lián)接件的抗疲勞強度。三、螺栓受力3.1 受力分析螺栓在螺母擰緊時受到兩種應力：預緊力引起的拉應力；螺紋力矩引起的扭轉剪切力。研究表明，當螺栓承受的預緊拉應力(P表示)達到其屈服強度(S表示)的078倍時，螺紋溝底開始破壞，由此螺栓預緊應力需滿足P<0.78S這一前提條件，螺栓應變才能控制在彈性變形范圍段，對一般機械螺栓連接，考慮工程實際因素，通常取P=0.7S。當我們擰緊螺栓時，兩個零件被夾緊，圖1中的夾緊力就等于張力。實際上夾緊力是我們希望得到的，這就是螺紋聯(lián)接的預緊力，雖然這個夾緊力F是很難測量的，但我們可以通過測量擰緊力矩T來控制預緊力(圖2)。在裝配過程中，實際施

6、加的作用力主要用于克服摩擦力，而真正轉變成夾緊力的只有10多一點，大約90的能量被轉化成了摩擦力。這也正是為什么擰緊完成后，螺栓不會自己脫落下來的原因，其作用力的轉化情況為圖3所示。當擰緊螺栓時，螺栓轉動，直到螺栓頭底面與被聯(lián)接件表面貼合，此時螺栓才開始被擰緊。對于硬聯(lián)接(如圖4所示)，當達到需要的轉矩時，也就是當達到需要的夾緊力時，從裝配面開始貼合到擰緊完成只需要轉動不大的角度即可完成裝配過程，說明硬聯(lián)接的轉矩變化率較大。對于軟聯(lián)接(如圖5所示)，即使同一樣的規(guī)格尺寸，裝配面開始貼合后還需要轉動很多圈才能擰緊，說明軟聯(lián)接的轉矩變化率小。圖3表明施加的擰緊力矩主要克服了摩擦力，一是螺紋副中的摩

7、擦力(約占40)，二是貼合端面的摩擦力(約占50)，而真正轉變成夾緊力(即預緊力)的卻只有10左右，所以摩擦力對擰緊力矩的影響非常大。因此在裝配時螺栓有沒有進行潤滑對擰緊力的影響非常明顯，沒有潤滑的螺栓在擰緊時會產生較大的摩擦力。也就是說如果需要一定的夾緊力，當擰緊沒有潤滑的螺栓時需要施加更大的轉矩。如果螺栓被潤滑了，則摩擦力減小，如果繼續(xù)按照與沒有潤滑的螺栓相同的轉矩進行擰緊，螺栓有可能會被拉斷。另外螺栓表面處理方式的不同對摩擦力也有明顯影響。表面鍍鋅與表面發(fā)黑處理相比，前者的摩擦系數明顯偏小，擰緊過程中需要克服的摩擦力也小，所以在同一部位擰緊同樣規(guī)格、等級的鍍鋅螺栓時，應比表面發(fā)黑的螺栓施

8、加較小的轉矩才是正確的。被聯(lián)接件與螺母、螺栓頭接觸的支承面是否加工平整，對摩擦力影響亦非常大。所以接觸面的加工一定要平整，以確保均勻接觸，同時在裝配時應保證螺栓孔軸線與聯(lián)接支承面相垂直，不應傾斜，否則螺紋聯(lián)接擰緊力矩的控制就非常困難，會嚴重影響裝配質量。3.2 影響因素影響螺栓預緊力基本因素有三點(1)螺栓材料的物理性能；(2)螺栓工作條件，如螺栓受拉還是受剪、承受靜載還是變載等；(3)螺栓在動態(tài)工況下疲勞強度。3.3應力-應變特性(1)螺栓材料一般是碳鋼或合金鋼，其受拉伸預緊力作用下應變隨應力的變化規(guī)律符合金屬材料應力一應變曲線圖(見上圖)； (2)材料應力一應變曲線圖表明，材料試件在應力作

9、用下其應變由彈性形變至破壞斷裂過程可分為三個階段： 彈性變形范圍段，此段材料試件應變應力為線性關系，遵守胡克定律； 均勻塑性變形范圍段，此段材料試件應變應力為非線性關系，從彈性極限應力開始至屈服強度應力結束； 不均勻塑性變形范圍，當試件加載應力達到材料屈服強度后再繼續(xù)增加，試件變形呈不規(guī)則狀況，變形加劇(即出現縮頸現象)，應力很快到達極值一材料抗拉強度，而后急速減小，材料斷裂。給連接螺栓施加預緊力時應以控制其應變在彈性變形范圍段為原則。四、螺栓預緊力的控制方法4.1 通過擰緊力矩控制預緊力力矩法來控制預緊力的特點是控制目標直觀，測量容易，操作過程簡便，控制程序簡單；缺點是由于會受到摩擦因數和幾

10、何參數偏差的影響，在一定的擰緊力矩下，預緊力值的離散性比較大。特別是在無摩擦條件下，由于接觸凸點局部拎焊可能使螺母系數K變得很大。因此如果采用力矩法來控制螺栓聯(lián)接預緊時，最好使用潤滑條件下的力矩法來控制。擰緊螺母時，要克服螺旋副間的螺紋力矩T1和螺母支撐面上的摩擦力矩T2，故擰緊力矩T=T1+T2。由理論力學得到預緊的螺紋力矩T1和預緊力F的關系為：T1=Fd2tan+/2六角螺母支撐面是外徑為D1 (S)、內徑為D0的圓環(huán)面，對于非磨合圓環(huán)面，摩擦力矩為：T2=nFD13-D03/3D12-D02可得：T=T1+T2=Fd2tan+2+nFD13-D03/3D12-D02式中，D13-D03

11、/3D12-D02為圓環(huán)面的當量摩擦半徑，為當量摩擦角，d2為中徑，為升角，n為支撐面的摩擦系數?？梢钥闯?，擰緊力矩與預緊力呈線性關系，控制了擰緊力矩的大小，就可以計算出預緊力值。但是由于會受到摩擦因數和幾何參數偏差的影響，控制的精度不到位，誤差一般會達到40左右，所以這種方法只能用在一般密封要求不高的場合。4.2 通過螺栓伸長量控制預緊力螺栓伸長法就是在擰緊過程中、或擰緊結束后測量螺栓的伸長長度，利用預緊力與螺栓長度變化量的關系，控制螺栓預緊力的一種方法。螺栓伸長法的優(yōu)點是由于螺栓的伸長只與螺栓的應力有關，不用考慮摩擦因數、接觸變形、被聯(lián)接件變形等可變因素的影響；缺點是由于在實際工程問題上，

12、測量螺栓的伸長量很不方便，這種方法一般用在需要嚴格控制精度的場合。所以，通過此方法可以獲得很高的控制精度。在化工行業(yè)，對于法蘭聯(lián)接系統(tǒng)等密封要求高的場合，螺栓伸長法特別適用。擰緊螺母時，螺栓在預緊力的作用下產生拉伸變形。在螺栓屈服之前，螺栓在拉伸變形時產生彈性變形，伸長量與預緊力的關系是：b=FCb=F1le/EbAb,式中，b為螺栓伸長量；le為螺栓有效長度；Eb為彈性模量；Ab為螺栓橫截面積?？梢缘贸?，預緊力與螺栓伸長呈線性關系，且與摩擦因數和被聯(lián)接件剛度無關，這樣，只需要測量出擰緊前后螺栓的長度就知道了螺栓準確的伸長量，所以，這種方法控制預緊力的準確值很高。五、預緊力計算 5.

13、1、液壓拉伸法預緊螺栓方式螺栓預緊力的計算F=PAS P=K1S， K1為預緊系數，一般取K1=0.50.7，S為材料屈服強度AS為螺栓螺紋有效截面面積，AS=ds22ds為螺栓螺紋危險面計算直徑，ds=d2+d32d3=d1-H6，H為螺栓螺紋的原始三角高度所以：F=K16d1+6d2-H2s576由上式可知，決定螺栓預緊力計算值有三個因素：預緊力系數、結構尺寸及材料物理性能。5.2 扭力扳手力矩法預緊螺栓方式螺栓預緊力的計算T=K2Fd=T1+T2=Fd2tan+v2+Ff1dm2=Fd2tan+v+f1dm2T為公稱預緊扭力矩，dm=dw+d0/2為螺母支承面平均直徑，f1為支承面摩擦系

14、數，為螺紋升角，v為螺紋當量摩擦角，K2為擰緊力系數（或螺母系數） ，d為螺紋公稱直徑，F為預緊力 K2值選擇： 摩擦表面狀況K2值 有潤滑 無潤滑精加工表面0.100.12一般加工表面0.130.150.180.21表面氧化0.20 0.24鍍    鋅0.180.22干燥的粗加工表面0.260.3實驗表明，公稱直徑，螺紋的粗細對螺母系數K2的影響很?。欢Σ料禂档淖兓?，對螺母系數K2的影響則很大。摩擦系數的正常變化范圍可能導致螺母系數產生+30的變化。在實際應用中，螺栓聯(lián)接接觸面處在非潤滑條

15、件下，取K2=02，螺栓聯(lián)接接觸面處在潤滑條件下，取K2=015。則螺栓平均預緊力可通過擰緊力矩算出。六、螺紋擰緊注意事項眾所周知，規(guī)定預緊力的螺紋聯(lián)接，常用控制轉矩法、控制轉角法、控制螺栓伸長法來保證準確的預緊力。在實際裝配過程中，最常用的螺栓軸向預緊力的控制方法是通過控制轉矩來間接地實現對軸向預緊力的控制。裝配時最為常用的是使用手動指針式扭力扳手或數顯式扭力扳手來完成力矩控制的。隨著技術的進步，定轉矩氣扳機、電動智能擰緊機的應用也越來越多，在汽車、發(fā)動機、工程機械等行業(yè)正在逐步推廣使用。在實際操作過程中應注意以下問題：(1)成組螺栓、螺母擰緊時，應根據被聯(lián)接件的形狀和螺栓的分布情況，按一定

16、順序分幾次擰緊(一般為23次)。長方形布置的成組螺栓或螺母，擰緊時應從中間開始，逐漸向兩邊對稱地擴展，圓形或方形布置的成組螺栓或螺母，應對稱擰緊。如有定位銷，應從靠近定位銷的螺栓開始擰緊。(2)對于液壓系統(tǒng)分體法蘭聯(lián)接螺栓，應手動擰人大于2。3個螺距后用扳手手動擰緊，或使用低速小轉矩的氣扳機按照對角的原則分兩次至三次緊固，然后用相應規(guī)格的扭力扳手至少轉300角達到規(guī)定力矩要求。(3)有的結構不允許使用氣扳機來擰緊。例如擰緊接頭體時，必須手動將接頭體擰到底，然后使用相應規(guī)格的扭力扳手擰緊到規(guī)定力矩，而不允許使用氣扳機。(4)在聯(lián)接結構為活動螺母采用錐度密封的膠管或鋼管前，應晃動膠管或鋼管螺母，確

17、保其和被聯(lián)接元件同心，手動擰到底，然后用相應規(guī)格的扭力扳手擰緊到規(guī)定力矩。(5)裝配時一定要注意被聯(lián)接件的材料差異而引起的力矩變化，嚴格按不同材料的力矩要求來控制力矩。(6)在使用扭力扳手時一定使用規(guī)格合適的扳手，例如盡量不要使用0350 N·m規(guī)格的扭力扳手來測量擰緊力矩要求為100±20 N·111的螺栓，而要選用0140 N·m規(guī)格的扳手。(7)當使用定轉矩氣扳機時，每條氣體管路只能聯(lián)接一個定轉矩氣扳機；管路不要太長，一般應小于10 m；管路內徑不得太細，至少應大于125mm。定轉矩氣扳機必須與三聯(lián)體(油水分離器)配合使用，并嚴禁氣體管路出現泄漏現象，否則會嚴重影響擰緊力矩的控制精度。(8)在裝配中使用最多的是先用沖擊式氣扳機擰緊，再用手動指針式扭力扳手擰到力矩要求。在二次擰緊過程中，如果控制不好，多數會超過工藝上規(guī)定的轉矩。所以當使用普通氣扳機裝配時，也應保證氣源的氣壓穩(wěn)定，氣源應該杜絕跑、冒、滴、漏現象發(fā)生，不同規(guī)格螺栓用的氣壓、空氣流量應該不同，對于重要部位的螺栓應以實現定壓力、定流量為宜。(9)對于一些減振彈性元件的聯(lián)接部位，一定要注意控制好同一結構中各部位的力矩一致性。例如駕駛室的固定，既要保證力矩在要求的范圍之內，同時還要保證各部位的力矩基本相