浅谈装配中的螺栓拧紧力矩.docx

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浅谈装配中的螺栓拧紧力矩

浅谈装配中的螺栓拧紧力矩

、螺纹基本知识

1.1左旋右旋

1、右旋螺纹：

常用的最重要原因有两个：

一是右手常用方便、顺手；二是右螺纹车削工艺性好

2、左旋螺纹：

符合左手定则。

用于右旋螺纹不能满足的地方。

例如：

因为运动方向可能导致松动的地方---自行车的左脚踏板芯轴；

保证右旋习惯的地方----机床进给丝杠；

起区分的作用----可燃气体气瓶；

双向运动---拉器等....。

一般机械调节装置会用到左旋螺纹，左右螺纹匹配应用，也就是一根螺杆的两端分别为左旋螺纹和右旋螺纹，这样就可以通过旋转螺杆实现两端螺

母的间距；如自行车轮轴，暖气片组螺纹轴等

1.2粗牙细牙

粗牙螺纹：

用于紧固件

细牙螺纹：

同样的公称直径下，细牙的螺距小，升角小，自锁性能更好，适于薄

壁细小零件和冲击变载等情况

1.3螺纹头数

单头螺纹（n=1）：

用于紧固

双头螺纹和多线螺纹n>=2）用于传动

1.4自锁螺纹

如图所示，螺纹受到向外的力：

，螺旋角为】，导程匸，中径、。

当

-.-'■.---，即汕:

:

何时，不论电有多大，螺纹都不会脱落（脱

扣另说）。

、螺纹联接预紧力的作用

螺纹联接的预紧力就是使螺纹联接在承受工作载荷之前预先受到力的作用，这个预加作用力就是预紧力。

合适的预紧力是增强联接可靠性和紧密性的重要前提。

预紧力达不到规定要求就会使被联接件受载后出现缝隙或发生相对滑移，造成零部件的松动，甚至使整机无法正常工作。

如果预紧力过大就会引起人为的零部件损坏，例如采用O形圈密处如果预紧力过大就会挤坏0形圈，使密封失效。

不合适的预紧力会带来以下后果：

（1）螺纹联接零件的静力破坏。

若螺纹紧固件拧得过紧，即预紧力过大，就会引起人为的零部件损坏，螺栓可能被拧断，联接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂，也可能使螺纹牙形被剪断而脱扣。

（2）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，预紧力使被联接件之间产生正压力，依靠摩擦力抵抗外载荷，因此预紧力的大小决定了它的承载能力。

若预紧力不足，被联接件将出现滑移，从而导致被联接件错位、歪斜、折皱，螺栓有可能被剪断。

对于受轴向载荷的螺栓联接，预紧力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时的压紧力。

若预紧力不足将会导致接合面松动，甚至导致两被联接件分离的严重后果，同时预紧力不足还将引起强烈的横向振动，致使螺母松脱等现象发生。

（3）螺栓疲劳破坏。

不合适的预紧力在大多数情况下会使螺栓因疲劳而失效。

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，但却使载荷变幅增大，所以总的效果大多数是使螺栓疲劳寿命下降，引起疲劳破坏。

因此在装配工艺中一定要确定预紧力的范围。

根据被联接件的重要程度、受力情况、运动方式、结构特点、螺纹规格与等级、被联接件材料与联接的目的等方面综合考虑，确定科学合理的预紧力矩范围；在装配时严格遵守工艺规定的力矩要求。

只有这样才能真正提高螺纹联接的可靠性以及联接件的抗疲劳强度。

三、螺栓受力

3.1受力分析

螺栓在螺母拧紧时受到两种应力：

①预紧力引起的拉应力；②螺纹力矩引起的扭转剪切力。

研究表明，当螺栓承受的预紧拉应力（：

表示）达到其屈服强度（匚表示）的

0.78倍时，螺纹沟底开始破坏，由此螺栓预紧应力需满足知叱每啖程这一前提

条件，螺栓应变才能控制在弹性变形范围段，对一般机械螺栓连接，考虑工程实

际因素，通常取7---

当我们拧紧螺栓时，两个零件被夹紧，图1中的夹紧力就等于张力。

实际上

夹紧力是我们希望得到的，这就是螺纹联接的预紧力，虽然这个夹紧力F是很难

测量的，但我们可以通过测量拧紧力矩T来控制预紧力（图2）。

张力

+张力

1螺纹联接在紧固过程中的受力情况

在装配过程中，实际施加的作用力主要用于克服摩擦力，而真正转变成夹紧力的只有10%多一点，大约90%的能量被转化成了摩擦力。

这也正是为什么拧紧完成后，螺栓不会自己脱落下来的原因，其作用力的转化情况为图3所示。

螺栓头下的摩擦力占50%

S3作用力的转化

当拧紧螺栓时，螺栓转动，直到螺栓头底面与被联接件表面贴合，此时螺栓才开始被拧紧。

对于硬联接（如图4所示），当达到需要的转矩时，也就是当达到需要的夹紧力时，从装配面开始贴合到拧紧完成只需要转动不大的角度即可完成装配过程，说明硬联接的转矩变化率较大。

对于软联接（如图5所示），即使同一样的规格尺寸，装配面开始贴合后还需要转动很多圈才能拧紧，说明软联接的转矩变化率小。

图3表明施加的拧紧力矩主要克服了摩擦力，一是螺纹副中的摩擦力（约占40%），二是贴合端面的摩擦力（约占50%），而真正转变成夹紧力（即预紧力）的却只有10%左右，所以摩擦力对拧紧力矩的影响非常大。

因此在装配时螺栓有没有进行润滑对拧紧力的影响非常明显，没有润滑的螺栓在拧紧时会产生较大的摩擦力。

也就是说如果需要一定的夹紧力，当拧紧没有润滑的螺栓时需要施加更大的转矩。

如果螺栓被润滑了，则摩擦力减小，如果继续按照与没有润滑的螺栓相同的转矩进行拧紧，螺栓有可能会被拉断。

另外螺栓表面处理方式的不同对摩擦力也有明显影响。

表面镀锌与表面发黑处理相比，前者的摩擦系数明显偏小，拧紧过程中需要克服的摩擦力也小，所以在同一部位拧紧同样规格、等级的镀锌螺栓时，应比表面发黑的螺栓施加较小的转矩才是正确的。

被联接件与螺母、螺栓头接触的支承面是否加工平整，对摩擦力影响亦非常大。

所以接触面的加工一定要平整，以确保均匀接触，同时在装配时应保证螺栓孔轴线与联接支承面相垂直，不应倾斜，否则螺纹联接拧紧力矩的控制就非常困难，会严重影响装配质量。

3.2影响因素

影响螺栓预紧力基本因素有三点

（1）螺栓材料的物理性能；

（2）螺栓工作条件，如螺栓受拉还是受剪、承受静载还是变载等；

（3）螺栓在动态工况下疲劳强度。

3.3应力----应变特性

（1）螺栓材料一般是碳钢或合金钢，其受拉伸预紧力作用下应变随应力的变化规律符合金属材料应力一应变曲线图（见上图）；

（2）材料应力一应变曲线图表明，材料试件在应力作用下其应变由弹性形变至破坏断裂过程可分为三个阶段：

1弹性变形范围段，此段材料试件应变应力为线性关系，遵守胡克定律；

2均匀塑性变形范围段，此段材料试件应变应力为非线性关系，从弹性极限应力开始至屈服强度应力结束；

3不均匀塑性变形范围，当试件加载应力达到材料屈服强度后再继续增加，试

件变形呈不规则状况，变形加剧（即出现缩颈现象），应力很快到达极值一材料抗拉强度，而后急速减小，材料断裂。

给连接螺栓施加预紧力时应以控制其应变在弹性变形范围段为原则。

四、螺栓预紧力的控制方法

4.1通过拧紧力矩控制预紧力

力矩法来控制预紧力的特点是控制目标直观，测量容易，操作过程简便，控制程序简单；缺点是由于会受到摩擦因数和几何参数偏差的影响，在一定的拧紧力矩下，预紧力值的离散性比较大。

特别是在无摩擦条件下，由于接触凸点局部拎焊可能使螺母系数K变得很大。

因此.如果采用力矩法来控制螺栓联接预紧时，最好使用润滑条件下的力矩法来控制。

拧紧螺母时，要克服螺旋副间的螺纹力矩一：

和螺母支撑面上的摩擦力矩

故拧紧力矩一一_-o由理论力学得到预紧的螺纹力矩一：

和预紧力二的关系为:

T±=Fdatanftp+p）/2

六角螺母支撑面是外径为一一（⑴）、内径为％的圆环面，对于非磨合圆环面，摩擦力矩为：

口=唧（Dj_D回D』-DJ）］

可得：

T=Tt+T2=列23丫0中卩）*瞩f（D『一D（/”［3（D『_D02）］

式中，为圆环面的当量摩擦半径，：

为当量摩擦角，

:

为中径，■为升角，■为支撑面的摩擦系数。

可以看出，拧紧力矩与预紧力呈线性关系，控制了拧紧力矩的大小，就可以计算出预紧力值。

但是由于会受到摩擦因数和几何参数偏差的影响，控制的精度不到位，误差一般会达到40%左右，所以这种方法只能用在一般密封要求不高的场合。

4.2通过螺栓伸长量控制预紧力

螺栓伸长法就是在拧紧过程中、或拧紧结束后测量螺栓的伸长长度，利用预紧力与螺栓长度变化量的关系，控制螺栓预紧力的一种方法。

螺栓伸长法的优点是由于螺栓的伸长只与螺栓的应力有关，不用考虑摩擦因

数、接触变形、被联接件变形等可变因素的影响；缺点是由于在实际工程问题上，测量螺栓的伸长量很不方便，这种方法一般用在需要严格控制精度的场合。

所以,通过此方法可以获得很高的控制精度。

在化工行业，对于法兰联接系统等密封要求高的场合，螺栓伸长法特别适用。

拧紧螺母时，螺栓在预紧力的作用下产生拉伸变形。

在螺栓屈服之前，螺栓在拉伸变形时产生弹性变形，伸长量与预紧力的关系是：

■*

■-一-一•.・卜••'〔，式中，一为螺栓伸长量；、为螺栓有效长度；［花为弹性模量；〔为螺栓横截面积。

可以得出，预紧力与螺栓伸长呈线性关系，且与摩擦因数和被联接件刚度无关，这样，只需要测量出拧紧前后螺栓的长度就知道了螺栓准确的伸长量，所以,

这种方法控制预紧力的准确值很高。

五、预紧力计算

5.1、液压拉伸法预紧螺栓方式螺栓预紧力的计算

F=■Ag

■V隠广焜，一1为预紧系数，一般取匚」…，「为材料屈服强度

为螺栓螺纹有效截面面积，

心为螺栓螺纹危险面计算直径，「氐心…咸』

S二九-卞1，H为螺栓螺纹的原始三角高度

所以：

由上式可知，决定螺栓预紧力计算值有三个因素：

预紧力系数、结构尺寸及材料物理性能。

5.2扭力扳手力矩法预紧螺栓方式螺栓预紧力的计算

Q+pJ"Ff&BF[ggn（入+耳）十坊d』

=tartan1—=

r为公称预紧扭力矩，詁況為处为螺母支承面平均直径，一为支承面摩擦系数，'为螺纹升角，15为螺纹当量摩擦角，二_为拧紧力系数（或

螺母系数），匚为螺纹公称直径，二为预紧力

[包值选择:

摩擦表面状况

召值

有润滑

无润滑

精加工表面

0.10

0.12

般加工表面

0.13〜

0.15

0.18〜0.21

表面氧化

0.20

0.24

镀锌

0.18

0.22

干燥的粗加工表面

0.26〜0.3

实验表明，公称直径，螺纹的粗细对螺母系数：

的影响很小；而摩擦系数的

变化，对螺母系数；的影响则很大。

摩擦系数的正常变化范围可能导致螺母系数产生+30%的变化。

在实际应用中，螺栓联接接触面处在非润滑条件下，取1=0.2,螺栓联接

接触面处在润滑条件下，取.=0.150则螺栓平均预紧力可通过拧紧力矩算出

六、螺纹拧紧注意事项

众所周知，规定预紧力的螺纹联接，常用控制转矩法、控制转角法、控制螺栓伸长法来保证准确的预紧力。

在实际装配过程中，最常用的螺栓轴向预紧力的控制方法是通过控制转矩来间接地实现对轴向预紧力的控制。

装配时最为常用的

是使用手动指针式扭力扳手或数显式扭力扳手来完成力矩控制的。

随着技术的进

步，定转矩气扳机、电动智能拧紧机的应用也越来越多，在汽车、发动机、工程机械等行业正在逐步推广使用。

在实际操作过程中应注意以下问题：

（1）成组螺栓、螺母拧紧时，应根据被联接件的形状和螺栓的分布情况，按一定顺序分几次拧紧（一般为2—3次）。

长方形布置的成组螺栓或螺母，拧紧时应从中间开始，逐渐向两边对称地扩展，圆形或方形布置的成组螺栓或螺母，应对称拧紧。

如有定位销，应从靠近定位销的螺栓开始拧紧。

（2）对于液压系统分体法兰联接螺栓，应手动拧人大于2。

3个螺距后用扳手

手动拧紧，或使用低速小转矩的气扳机按照对角的原则分两次至三次紧固，然后

用相应规格的扭力扳手至少转300角达到规定力矩要求。

（3）有的结构不允许使用气扳机来拧紧。

例如拧紧接头体时，必须手动将接

头体拧到底，然后使用相应规格的扭力扳手拧紧到规定力矩，而不允许使用气扳

机。

（4）在联接结构为活动螺母采用锥度密封的胶管或钢管前，应晃动胶管或钢

管螺母，确保其和被联接元件同心，手动拧到底，然后用相应规格的扭力扳手拧紧到规定力矩。

（5）装配时一定要注意被联接件的材料差异而引起的力矩变化，严格按不同材料的力矩要求来控制力矩。

（6）在使用扭力扳手时一定使用规格合适的扳手，例如尽量不要使用0〜350N•m规格的扭力扳手来测量拧紧力矩要求为100±20N・111的螺栓，而要选用0〜140N•m规格的扳手。

（7）当使用定转矩气扳机时，每条气体管路只能联接一个定转矩气扳机；管路不要太长，一般应小于10m；管路内径不得太细，至少应大于12.5mm定转矩气扳机必须与三联体（油水分离器）配合使用，并严禁气体管路出现泄漏现象，

否则会严重影响拧紧力矩的控制精度

（8）在装配中使用最多的是先用冲击式气扳机拧紧，再用手动指针式扭力扳手拧到力矩要求。

在二次拧紧过程中，如果控制不好，多数会超过工艺上规定的转矩。

所以当使用普通气扳机装配时，也应保证气源的气压稳定，气源应该杜绝跑、冒、滴、漏现象发生，不同规格螺栓用的气压、空气流量应该不同，对于重要部位的螺栓应以实现定压力、定流量为宜。

（9）对于一些减振弹性元件的联接部位，一定要注意控制好同一结构中各部位的力矩一致性。

例如驾驶室的固定，既要保证力矩在要求的范围之内，同时还要保证各部位的力矩基本相等；对于密封部位的多个螺栓也应当如此。

（10）对于指针式扭力扳手、数显式扭力扳手、定转矩气扳机等必须进行定期校准，确保工具处于正常状态，否则力矩就会出现偏差。

（11）在螺栓拧紧过程中，为了不出现漏紧等问题，建议在螺栓拧紧到规定要求后，关键部位要用油漆做标记，以确保不出现漏紧或随意变动。

（12）在力矩的测量过程中。

静态转矩的测量是最原始也是最常用的方法，是装配完成后用指针式扭力扳手手动完成测量的。

测量的数值受操作者的影响很大，测得的数据往往比实际的转矩要高出一些，这是受静态摩擦力影响造成的。

所以在测量过程中一定要正确操作，注意手感的变化，确保测得数据的准确性。