螺釘聯(lián)接的扭力與預(yù)緊力的關(guān)系

1、（原創(chuàng)）螺釘聯(lián)接的扭力與預(yù)緊力的關(guān)系2010-08-29 10:46:05|分類：我的論文|標簽：螺紋螺釘力矩擰緊聯(lián)接|舉報|字號訂閱1、引言家用電器廠在生產(chǎn)某型產(chǎn)品時，經(jīng)常出現(xiàn)批頭、電批套筒或風批套筒被打斷的現(xiàn)象。原因是一些重要零部件如發(fā)熱管、R型彈簧等的固定都需要用很大的扭力矩來旋緊螺釘，而批頭、電批套筒或風批套筒的極限扭力矩不能達到螺釘擰緊的擰緊力矩要求，致使其超過能夠承受的最大擰緊力矩而折斷。但是，螺釘?shù)臄Q緊力矩到底需要多大？目前尚沒有一個確切的或者令人信服的標準來衡量。那么，有沒有辦法給定螺釘比較準確的標準值呢？答案是肯定的。下面以某產(chǎn)品彈性元件固定螺釘PM510為例，來計算它的擰緊

2、力矩。2、螺紋聯(lián)接的擰緊力矩我們知道，在螺栓聯(lián)接中，只有適當?shù)念A(yù)緊力才能保證螺栓可靠聯(lián)接。而預(yù)緊力則是通過控制施加于螺釘?shù)臄Q緊力矩或轉(zhuǎn)角來間接實現(xiàn)的。但是，螺栓軸力與擰緊力矩之間的對應(yīng)關(guān)系嚴重地受到摩擦條件的影響。摩擦一方面是螺紋自鎖防松的必要條件，另一方面摩擦消耗大量擰緊力矩（能量）從而影響螺栓軸力。擰緊時，扳手或電批（風批）力矩T用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被聯(lián)接件（或墊圈）支承面間的端面摩擦力矩T2。即T= T1+ T2=KF0d （ Nmm）d螺紋公稱直徑 （mm）F0預(yù)緊力 （N）K擰緊力矩系數(shù) （無量綱）其中，K值與螺紋中徑、螺紋升角、螺紋當量摩擦系數(shù)、螺母與被聯(lián)接件支承

3、面間的摩擦系數(shù)有關(guān)。而這些參數(shù)的取值都比較復(fù)雜。要準確地計算出K值，就要通過針對性的試驗，同時測得預(yù)緊力和緊固扭矩才能間接獲得擰緊力矩系數(shù)K值。一般情況下，在各種條件下的K值，可參考下表中的數(shù)據(jù)。擰緊力矩系數(shù)K摩擦表面狀態(tài) K 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0.200.24鍍鋅0.180.22干燥加工表面0.260.30本例中，因為沒有具體的實驗參數(shù)，K按上表取值。由于螺釘擰緊在發(fā)熱盤鋁合金基材上，鋁合金的硬度較低，摩擦力較大。故按干燥加工表面無潤滑取值，則K值的取值范圍是0.260.30，取最小值K=0.26。螺紋聯(lián)接的預(yù)緊力螺紋

4、聯(lián)接預(yù)緊力的大小，要根據(jù)螺釘組受力和聯(lián)接的工作要求決定。設(shè)計時首先要保證所需的預(yù)緊力，又不應(yīng)使聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺寸過大。一般規(guī)定擰緊后螺紋聯(lián)接件的預(yù)緊力不得大于其材料屈服強度s的80%。對于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓，推薦的預(yù)緊力限值如下：碳素鋼螺釘 F0=（0.60.7）sAs(N)合金鋼螺釘 F0=（0.50.6）sAs(N)式中 s螺釘材料的屈服強度 （MPa）彈性元件固定螺釘是PM510，材料是SWRCH18A，類似于國產(chǎn)20#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，性能等級若按4.8級取值，其公稱屈服強度s=320Mpa。As螺紋公稱應(yīng)力截面積mm2。式中 d2外螺紋中徑 mm d3螺紋的計算直徑，d3 =d1 -H/

5、6 ，其中H為螺紋原始三角形高度 mm。d1外螺紋小徑 mm查GB196-81普通螺紋基本尺寸， PM510螺釘?shù)耐饴菁y小徑 d1=4.134mm， 中徑 d2=4.480mm，螺距p=0.8mm，螺紋原始三角形高度H=0.866025404p=0.6928203232mm，所以，d3 =d1-H/6=4.134-0.6928203232/6=4.01852994613mm。由此，螺紋的公稱應(yīng)力截面積As為F0=（0.60.7）sAs = （0.60.7）32014.174=2721.4083174.976（N），取最小值F0=2721.408（N）PM510螺紋的擰緊力矩：T=KF0d=0.

6、262721.4085=3537.3（Nmm）3.5373（Nm）預(yù)緊力的大小，除了受限于螺釘材料的強度外，還受限于被聯(lián)接件的材料強度。當內(nèi)外螺紋的材料相同時，只校核外螺紋強度即可。對于旋合長度較短、非標準螺紋零件構(gòu)成的聯(lián)接、內(nèi)外螺紋材料的強度相差較大的受軸向載荷的螺紋聯(lián)接，還應(yīng)校核螺紋牙的強度。如某型產(chǎn)品彈性元件的固定，因螺釘連接的基材是壓鑄鋁合金YL113，其強度遠低于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20的強度，就應(yīng)校核鋁合金上螺紋牙型的強度，主要是螺紋材料的剪應(yīng)力及彎應(yīng)力。螺紋牙型的剪應(yīng)力及彎應(yīng)力按如下公式進行校核：式中 Fw最大軸向外荷載，本例中即預(yù)緊力F0 （N）D內(nèi)螺紋大徑（mm）b螺紋牙根部寬度（

7、mm） b=0.87p=0.870.8=0.696mmkz載荷不均勻系數(shù)對于本例外螺紋為鋼，內(nèi)螺紋為鋁合金的螺紋聯(lián)接， d/p=5/0.8=6.258，故 =6p/d=0.96。h螺紋牙的工作高度，為螺紋原始三角形高度H的5/8，即z螺紋牙數(shù)。本例中，螺釘長度=10mm，彈簧墊圈、平墊片及R型彈簧的總厚度4mm，螺紋的旋合長度是10-4=6mm。螺距p=0.8mm，螺紋的牙數(shù)z=6/0.8=7.5，取z=7。注：螺紋在鋁合金中的擰入深度即旋合長度應(yīng)為(1.52.5)d，照此計算，本例中旋合長度應(yīng)為915mm，而實際長度是6mm，似太短。n材料的安全系數(shù)。對于在交變載荷作用下的彈性元件（反復(fù)加熱

8、冷卻過程中產(chǎn)生的載荷），其固定螺絲也受交變載荷的影響，其安全系數(shù)n=1.22.0，取較大值，則n=2.0。YL113能夠查到的性能參數(shù)是：抗拉強度b230Mpa，伸長率1%。無疲勞極限和剪切強度。一般伸長率要控制在0.5%以內(nèi)，s按b/2 取值（因拉壓力試驗機上沒有用于拉伸試驗的夾具，所以s按此取值），約為115Mpa。從鋁合金基材上截取一塊試樣，制作成三塊截面為5.05.0mm的試件（第一次試驗的試件截面尺寸是10.05.0mm，因拉壓力試驗機的最大壓力達不到試件剪切所需的荷重而將截面減?。┰诶瓑毫υ囼灆C上做剪切試驗，得到Y(jié)L113的平均剪切強度j為107.2Mpa。于是：上述計算說明，按螺

9、釘?shù)牟牧嫌嬎愕念A(yù)緊力緊固螺紋時（此時的擰緊力矩即為3.5373Nm），螺紋牙型承受的剪切應(yīng)力小于許用剪切壓力，即在這種情況下，螺紋牙型的剪切強度是足夠的。但螺紋的彎應(yīng)力遠超其抗彎許用應(yīng)力，其抗彎應(yīng)力嚴重不足！因此，需按螺紋牙型的許用彎應(yīng)力計算螺釘?shù)念A(yù)緊力。即：由此推出螺釘在螺紋許用彎應(yīng)力下的擰緊力矩應(yīng)為：T=KF0d= KFwd=0.262211.25=2874.56（Nmm）2.88（Nm）3.5373（Nm）以上按螺釘材料的疲勞強度、鋁合金上螺紋牙型的抗彎許用應(yīng)力計算出螺釘?shù)臄Q緊力矩，分別是3.5373Nm和2.88Nm，應(yīng)取最小值2.88Nm。SOP上規(guī)定的彈性元件的扭矩范圍是2.072

10、.52Nm ，小于上述計算值2.88Nm，似嫌小。家用電器統(tǒng)一使用 HIOS CL-6500PS電批，其扭矩范圍是0.31.6 Nm， 顯然小于2.072.52Nm。所以在打R型彈簧螺絲的工位不能使用HIOS CL-6500PS電批。選用好幫手PRO-T55LB風批，其扭矩范圍0.76.5 Nm，可以滿足使用要求。3、 影響螺釘擰緊力矩的其它因素除了風批的扭矩范圍要滿足螺釘?shù)臄Q緊力矩外，批頭能夠承受的扭矩及螺釘頭部的形狀對螺釘擰緊力矩的影響也非常重要，不可忽視。本例中，批頭的最大扭矩應(yīng)不小于3.0 Nm。前期我們沒有注意到這個因素，用普通批頭，結(jié)果出現(xiàn)了很多批頭被打斷的現(xiàn)象。固定彈性元件的螺釘

11、是十字槽盤頭螺釘，螺釘頭部的十字槽能夠承受的扭矩較小，在如此大的扭矩下，容易將十字槽打滑槽。這就是為什么我們有許多螺釘滑槽的原因。如果產(chǎn)品結(jié)構(gòu)允許，建議將十字槽加深，或采用十字槽六角頭螺釘，用風批套筒固定，可以有效地避免滑槽的產(chǎn)生。如果必須按螺釘材料的強度確定擰緊力矩，因為鋁合金基材上螺紋的抗彎應(yīng)力不夠，就必須增加螺釘?shù)拈L度以增加其旋合長度，即增加參與緊固的螺紋牙數(shù)，以達到分散發(fā)熱盤上螺紋牙受力的目的，從而降低螺紋牙承受的彎應(yīng)力。4、溫度對螺紋聯(lián)接預(yù)緊力的影響在高溫下工作的螺紋聯(lián)接，還要考慮溫差載荷、螺釘和被聯(lián)接件機械性能的變化、應(yīng)力松弛等因素的影響。當螺釘和被聯(lián)接件的線膨脹系數(shù)不同，或工作溫度不同，或者兩者不同時，由于熱變形不一致而使螺釘受到額外的溫差載荷。家用電器在頻繁地加熱-冷卻過程中，螺釘因溫差載荷的影響會產(chǎn)生松動，從而使聯(lián)接的緊固作用減小。因此，在設(shè)計時必須使剩余預(yù)緊力始終大于所要求的值，以保證聯(lián)接的緊固與緊密。5、總結(jié)一般情況下，螺栓的擰緊力矩與預(yù)緊力可參考國標快速查找（如附表）。但是，對于安全性能要求很高的家用電器，就要準確地確定出螺釘?shù)臄Q緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系，其關(guān)鍵任務(wù)就是要獲得準確的擰緊力矩系數(shù)K的值。而要取得準確的K值，就必須對每一種