预紧力矩设计

1、螺纹扭紧力矩设计螺纹扭紧力矩设计目目 录录一、螺纹连接扭紧力矩不当引发的后果一、螺纹连接扭紧力矩不当引发的后果二、螺纹连接扭紧力矩设计理论分析二、螺纹连接扭紧力矩设计理论分析三、三、K K方法设计扭紧力矩方法设计扭紧力矩一、螺纹连接扭紧力矩不当引发的后果一、螺纹连接扭紧力矩不当引发的后果 整车设计中，螺纹联接质量的重要性已引起广泛的整车设计中，螺纹联接质量的重要性已引起广泛的重视。螺纹联接的质量是保证整车质量的基础。绝大重视。螺纹联接的质量是保证整车质量的基础。绝大多数螺纹在联接时都要施加扭紧力矩预紧，目的在于多数螺纹在联接时都要施加扭紧力矩预紧，目的在于增强联接的刚性、紧密性、防松及防滑。扭

2、紧力矩的增强联接的刚性、紧密性、防松及防滑。扭紧力矩的适当控制又是确保螺纹联接质量的关键。因为螺纹联适当控制又是确保螺纹联接质量的关键。因为螺纹联接的扭紧力矩将对螺纹的总载荷、联接的临界载荷、接的扭紧力矩将对螺纹的总载荷、联接的临界载荷、抵抗横向载荷的能力和接合面密封能力等产生影响。抵抗横向载荷的能力和接合面密封能力等产生影响。过大或过小的预紧力均是有害的，所以预紧力的大小、过大或过小的预紧力均是有害的，所以预紧力的大小、准确度都十分重要。从而使扭紧力矩的设计成为螺纹准确度都十分重要。从而使扭紧力矩的设计成为螺纹联接的重要问题之一。联接的重要问题之一。 、螺纹联接零件的静力破坏、螺纹联接零件的

3、静力破坏 若螺纹紧固件拧得过紧，即扭紧力矩过大，则螺栓若螺纹紧固件拧得过紧，即扭紧力矩过大，则螺栓可能被拧断，联接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂，也可能可能被拧断，联接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂，也可能螺纹牙被剪断而脱扣。螺纹牙被剪断而脱扣。 、被联接件滑移、分离或紧固件松脱、被联接件滑移、分离或紧固件松脱 对于承受横向载荷的普通螺栓联接，扭紧力矩使对于承受横向载荷的普通螺栓联接，扭紧力矩使被联接件间产生正压力，依靠摩擦力抵抗外载荷，因此，被联接件间产生正压力，依靠摩擦力抵抗外载荷，因此，预紧力的大小决定了它的承受能力。若预紧力不足，被联预紧力的大小决定了它的承受能力。若预紧力不足，被联接件将出现

4、滑移，从而导致被联接件错位、歪斜、折皱，接件将出现滑移，从而导致被联接件错位、歪斜、折皱，甚至紧固件被剪断。甚至紧固件被剪断。 对于受轴向载荷的螺栓联接，扭紧力矩使接合面上产对于受轴向载荷的螺栓联接，扭紧力矩使接合面上产生压紧力，受外载荷作用后的剩余预紧力是接合面上工作生压紧力，受外载荷作用后的剩余预紧力是接合面上工作时的压紧力。预紧力不足将会导致接合面泄漏，如发动机时的压紧力。预紧力不足将会导致接合面泄漏，如发动机漏气等，甚至导致被联接件分离。预紧力不足还将引起强漏气等，甚至导致被联接件分离。预紧力不足还将引起强烈的横向振动，致使螺母松脱。烈的横向振动，致使螺母松脱。 、螺栓疲劳破坏、螺栓疲

5、劳破坏 大多数螺栓因疲劳而失效。减小预紧力虽然大多数螺栓因疲劳而失效。减小预紧力虽然能使螺栓上循环变化的总载荷的平均值减小，但却使能使螺栓上循环变化的总载荷的平均值减小，但却使载荷变幅增大，因此，总的效果大多数是使螺栓疲劳载荷变幅增大，因此，总的效果大多数是使螺栓疲劳寿命下降。寿命下降。 二、螺纹连接扭紧力矩设计理论分析二、螺纹连接扭紧力矩设计理论分析、槽面摩擦、槽面摩擦 如图所示：楔形滑块放在槽面中，槽面的如图所示：楔形滑块放在槽面中，槽面的夹角为夹角为 。Q Q为作用在滑块的垂直载荷（含滑块重为作用在滑块的垂直载荷（含滑块重量），量），P P为推动滑块沿着槽面向右运动的水平力，为推动滑块沿

6、着槽面向右运动的水平力，N21N21为槽的每一侧面给滑块的反向力，为槽的每一侧面给滑块的反向力，F21F21等于每一个等于每一个侧面的摩擦力。侧面的摩擦力。图由：由：F21F21fN21fN21P P2F212F21fN21fN21Q Q2N21sin 2N21sin 得知：得知：P PfrQfrQ其中：其中：fr frf fsin sin fr fr称为当量摩擦系数。而与之相应的摩擦角称为当量摩擦称为当量摩擦系数。而与之相应的摩擦角称为当量摩擦角，用角，用 表示，则表示，则 =arctgfr,=arctgfr,由于由于 9090度，因而度，因而sin sin 1.1.故故frffrf。因此在

7、其它条。因此在其它条件相同的情况下，槽面的摩擦系数大于平面摩擦，所以件相同的情况下，槽面的摩擦系数大于平面摩擦，所以在一些需要摩擦力来工作的地方，可将平面摩擦改为槽在一些需要摩擦力来工作的地方，可将平面摩擦改为槽摩擦。三角螺纹联结就是此理论的应用实例。摩擦。三角螺纹联结就是此理论的应用实例。、三角螺纹中的摩擦、三角螺纹中的摩擦三角螺纹螺旋副中摩擦相当于斜面摩擦。三角螺纹三角螺纹螺旋副中摩擦相当于斜面摩擦。三角螺纹螺旋可以设想是有一斜面卷绕在圆柱面上形成的，这个螺旋可以设想是有一斜面卷绕在圆柱面上形成的，这个圆柱的中径为圆柱的中径为d这个螺旋沿这个螺旋沿d 展开成一个斜面，以展开成一个斜面，以表

8、表示该斜面的螺旋升角，则示该斜面的螺旋升角，则tg=l/d2=zt/d2式中：式中：l螺纹导程；螺纹导程； z 螺纹头数；螺纹头数； t 螺距螺距。图在图在图2(a)2(a)中，中，l l为螺杆为螺杆2 2为螺母。螺母上受有轴向载荷为螺母。螺母上受有轴向载荷Q Q。现在。现在螺母上加一力距螺母上加一力距 MM使螺母逆着使螺母逆着Q Q力等速向上运动力等速向上运动( (对螺纹联接来说，对螺纹联接来说，相当于拧紧螺母相当于拧紧螺母) )。如图。如图2(b)2(b)所示，就相当于在滑块所示，就相当于在滑块2 2上加一水平力上加一水平力P P，使滑块使滑块2 2沿着斜面等速向上滑动。斜槽面的夹角等于沿

9、着斜面等速向上滑动。斜槽面的夹角等于2 2 ( ( = 90 = 90 ）。）。 称为牙形半角称为牙形半角) )。则。则 fv=ffv=fsin(90sin(90 )=f)=fcos cos ， =arctgfv=arctgfv。则则P=Qtg(P=Qtg(+ )+ )，P P相当于拧紧螺母时在螺纹中径处施加的圆周相当于拧紧螺母时在螺纹中径处施加的圆周力，其对螺旋轴心线的力矩即为拧紧螺母时所需的力矩力，其对螺旋轴心线的力矩即为拧紧螺母时所需的力矩 ，故，故M=Pd2/2=d2Qtg(M=Pd2/2=d2Qtg(+ )+ )2 2。当螺母顺着。当螺母顺着Q Q力的方向等速向下运动力的方向等速向下

10、运动( (相当于防松螺母相当于防松螺母) )，相当于滑块，相当于滑块2 2沿着斜面等速下滑。在螺纹中径处沿着斜面等速下滑。在螺纹中径处施加的圆周力施加的圆周力P =Qtg(P =Qtg(- ) ) ) )，防松螺母所需要的力矩，防松螺母所需要的力矩M M =Pd2/2=d2Qtg(=Pd2/2=d2Qtg(- )- )2 2 。就是防松螺母所需外加的驱动力矩。就是防松螺母所需外加的驱动力矩。图图、预紧力、预紧力p p的确定的确定 螺纹的预紧力要根据外载荷确定：螺纹在承受外力前，螺纹螺纹的预紧力要根据外载荷确定：螺纹在承受外力前，螺纹中承受了预拉力中承受了预拉力p p，这个预紧力就是由螺纹的拧紧

11、力矩产生的，也就，这个预紧力就是由螺纹的拧紧力矩产生的，也就是前面推导公式过程中的轴向力是前面推导公式过程中的轴向力Q Q。图。图4(a)4(a)所示，由于有预拉力所示，由于有预拉力Q Q，板层之间则有压力板层之间则有压力C C，而，而P P与与c c保持平衡。当对螺栓施加外拉力保持平衡。当对螺栓施加外拉力NlNl，则，则螺栓杆在板层之间的压力未完全消失前被拉长，此时螺杆中拉力增螺栓杆在板层之间的压力未完全消失前被拉长，此时螺杆中拉力增量为量为 p p，同时把压紧的板件拉松，使压力，同时把压紧的板件拉松，使压力C C减少减少 C(C(见图见图4(b)4(b)。图图 计算表明，当加于螺杆上的外拉

12、力计算表明，当加于螺杆上的外拉力N N=0=08P8P时。时。螺杆内拉力的增加很少，因此可认为此时螺杆的预拉力螺杆内拉力的增加很少，因此可认为此时螺杆的预拉力基本不变。同时由实验得知，当外加拉力大于螺杆的预基本不变。同时由实验得知，当外加拉力大于螺杆的预拉力时，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即发生松弛现拉力时，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即发生松弛现象。但当外加拉力小于螺杆预拉力的象。但当外加拉力小于螺杆预拉力的8080时，即无松弛时，即无松弛现象发生。也就是说，被连接板件接触面间仍能保持一现象发生。也就是说，被连接板件接触面间仍能保持一定的压紧力，可以假定整个板面始终处于紧密接触状态。定的压紧

13、力，可以假定整个板面始终处于紧密接触状态。但上述取值没有考虑杠杆作用而引起的撬力影响。实际但上述取值没有考虑杠杆作用而引起的撬力影响。实际上这种杠杆作用存在于所有螺栓的抗拉联接中。研究表上这种杠杆作用存在于所有螺栓的抗拉联接中。研究表明，当外拉力明，当外拉力N10.5PN10.5P时，不出现撬力。因此可以根据时，不出现撬力。因此可以根据螺纹实际工作中所承受的外载荷来确定螺纹的预拉力，螺纹实际工作中所承受的外载荷来确定螺纹的预拉力，即至少应当是外力的即至少应当是外力的2 2倍。倍。三、三、K K方法设计扭紧力矩方法设计扭紧力矩、摩擦系数、摩擦系数k：紧固件头部或螺母与接触面的摩擦系数：紧固件头部

14、或螺母与接触面的摩擦系数g：螺纹摩擦系数：螺纹摩擦系数零件的零件的kk及及gg润滑条件润滑条件紧固件的紧固件的kk及及gg钢（油淬或磷化）钢（油淬或磷化）钢钢滚轧滚轧车削车削电镀锌电镀锌6m6m钢钢轧制轧制轻微润滑轻微润滑0.12-0.190.12-0.190.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18刨、铣、车、切刨、铣、车、切0.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18磨磨0.16-0.220.16-0.220.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18镀镉镀镉6m6m0.08-0.160.08-0.160.0

15、8-0.160.08-0.16镀锌镀锌6m6m0.10-0.180.10-0.180.10-0.160.10-0.160.16-0.200.16-0.20镀锌内螺纹镀锌内螺纹0.10-0.180.10-0.18滚压后磷化滚压后磷化0.12-0.200.12-0.20机加工后磷化机加工后磷化0.10-0.180.10-0.18灰铸铁灰铸铁刨、铣、车、切刨、铣、车、切全黑可锻铸铁全黑可锻铸铁磨磨0.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18铝镁合金特殊加工铝镁合金特殊加工0.16-0.220.16-0.220.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0

16、.18零件的零件的kk及及gg润滑条件润滑条件紧固件的紧固件的kk及及gg钢（油淬或磷化）钢（油淬或磷化）钢钢滚轧滚轧车削车削电镀锌电镀锌6m6m钢钢镀镉镀镉6m6m干干0.08-0.160.08-0.16镀镉内螺纹镀镉内螺纹0.08-0.140.08-0.14镀锌镀锌6m6m0.10-0.180.10-0.180.20-0.300.20-0.30镀锌内螺纹镀锌内螺纹0.08-0.160.08-0.160.12-0.200.12-0.20注意：柔性螺栓等特种螺栓及锁紧螺母等连接注意：柔性螺栓等特种螺栓及锁紧螺母等连接按其专用技术规范扭紧。按其专用技术规范扭紧。、连接轴向预紧力、连接轴向预紧力F

17、spFsp计算公式：计算公式：Fspmax0.196（d2d3）20.90.2/14.86(p+ g3.63d)/(d2+d3) 20.5式中：式中： Fsp连接轴向预紧力连接轴向预紧力 d2螺纹中径螺纹中径d3螺纹内径螺纹内径0.2紧固件材料紧固件材料0.2%屈服强度（低强度材料可用屈服强度屈服强度（低强度材料可用屈服强度s代替）代替）P螺距螺距g螺纹摩擦系数螺纹摩擦系数注：此公式只适用于正确强度匹配的螺纹组且螺母至少大于注：此公式只适用于正确强度匹配的螺纹组且螺母至少大于0.8d0.8d螺纹紧固件的屈服强度（螺纹紧固件的屈服强度（Mpa）机械性能机械性能3.63.64.64.64.84.8

18、5.65.65.85.86.86.88.88.810.910.912.912.9屈服强度屈服强度ss1801802402403203203003004004004804802%2%屈服强度屈服强度0.20.2640640900900108010802%2%屈服强度屈服强度0.20.2：引起：引起0.2%0.2%永久变形的应力永久变形的应力、K K值的选取值的选取紧固件头部或螺母与支撑面的摩擦系数紧固件头部或螺母与支撑面的摩擦系数0.040.040.060.060.080.080.10.10.120.120.140.140.160.160.180.180.20.20.240.240.280.28

19、螺纹螺纹摩擦摩擦系数系数gg0.080.080.0940.0940.1080.1080.120.120.1340.1340.1480.1480.1620.1620.1760.1760.190.190.2040.2040.2320.2320.260.260.10.10.1040.1040.1180.1180.1320.1320.1460.1460.1580.1580.1720.1720.1860.1860.20.20.2140.2140.2420.2420.270.270.120.120.1140.1140.1280.1280.1420.1420.1560.1560.170.170.1840.1

20、840.1960.1960.210.210.2240.2240.2520.2520.280.280.140.140.1240.1240.1380.1380.1520.1520.1660.1660.180.180.1940.1940.2080.2080.2220.2220.2340.2340.2620.2620.290.290.160.160.1340.1340.1480.1480.1620.1620.1760.1760.190.190.2040.2040.2180.2180.2320.2320.2460.2460.2720.2720.30.30.180.180.1460.1460.160.16

21、0.1720.1720.1860.1860.20.20.2140.2140.2280.2280.2420.2420.2560.2560.2840.2840.3120.3120.20.20.1560.1560.170.170.1840.1840.1980.1980.210.210.2240.2240.2380.2380.2520.2520.2660.2660.2940.2940.3220.3220.240.240.1760.1760.190.190.2040.2040.2180.2180.2320.2320.2460.2460.260.260.2740.2740.2860.2860.3140.3140.3420.3420.280.280.1980.1980.2120.2120.2240.2240.2380.2380.2520.2520.2660.2660.280.280.2940.2940.3080.3080.3360.3360.3620.362注：注：K K值的选取适用于值的选取适用于M1.4M1.4M42M42的标准螺纹，但对于的标准螺纹，但对于M16-M42 M16-M42 的螺纹的螺纹K K值要相应降低值要相应降低5%5%。