预紧力矩设计

螺纹扭紧力矩设计目录一、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三、K－方法设计扭紧力矩一、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。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联接的重要问题之一。１、螺纹联接零件的静力破坏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，也可能螺纹牙被剪断而脱扣。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，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，预紧力的大小决定了它的承受能力。若预紧力不足，被联接件将出现滑移，从而导致被联接件错位、歪斜、折皱，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。３、螺栓疲劳破坏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。二、螺纹连接扭紧力矩设计理论分析１、槽面摩擦如图１所示：楔形滑块１放在槽面２中，槽面的夹角为２θ。Q为作用在滑块１的垂直载荷（含滑块重量），P为推动滑块１沿着槽面２向右运动的水平力，N21为槽的每一侧面给滑块１的反向力，F21等于每一个侧面的摩擦力。图１由：F21＝fN21P＝2F21＝２fN21Q＝2N21sinθ得知：P＝frQ其中：fr＝f／sinθfr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φ表示，则φ=arctgfr,由于θ≤90度，因而sinθ≤1.故fr≥f。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。２、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d２这个螺旋沿d展开成一个斜面，以α表示该斜面的螺旋升角，则tgα=l/πd2=zt/πd2式中：l—螺纹导程；z—螺纹头数；t—螺距。图２在图2(a)中，l为螺杆2为螺母。螺母上受有轴向载荷Q。现在螺母上加一力距M使螺母逆着Q力等速向上运动(对螺纹联接来说，相当于拧紧螺母)。如图2(b)所示，就相当于在滑块2上加一水平力P，使滑块2沿着斜面等速向上滑动。斜槽面的夹角等于2θ(θ=90－β）。β称为牙形半角)。则fv=f／sin(90－β)=f／cosθ，φ=arctgfv。则P=Qtg(α+φ)，P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，故M=Pd2/2=d2Qtg(α+φ)／2。当螺母顺着Q力的方向等速向下运动(相当于防松螺母)，相当于滑块2沿着斜面等速下滑。在螺纹中径处施加的圆周力P`=Qtg(α-φ))，防松螺母所需要的力矩M`=P`d2/2=d2Qtg(α-φ)／2。就是防松螺母所需外加的驱动力矩。图３３、预紧力p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，螺纹中承受了预拉力p，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Q。图4(a)所示，由于有预拉力Q，板层之间则有压力C，而P与c保持平衡。当对螺栓施加外拉力Nl，则螺栓杆在板层之间的压力未完全消失前被拉长，此时螺杆中拉力增量为Δp，同时把压紧的板件拉松，使压力C减少ΔC(见图4(b))。图４计算表明，当加于螺杆上的外拉力N．=0．8P时。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80％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定的压紧力，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N1≤0.5P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，即至少应当是外力的2倍。三、K－方法设计扭紧力矩１、摩擦系数μk：紧固件头部或螺母与接触面的摩擦系数μg：螺纹摩擦系数零件的μk及μg润滑条件紧固件的μk及μg钢（油淬或磷化）钢滚轧车削电镀锌6μm钢轧制轻微润滑0.12-0.190.10-0.180.10-0.18刨、铣、车、切0.10-0.180.10-0.18磨0.16-0.220.10-0.180.10-0.18镀镉6μm0.08-0.160.08-0.16镀锌6μm0.10-0.180.10-0.160.16-0.20镀锌内螺纹0.10-0.18滚压后磷化0.12-0.20机加工后磷化0.10-0.18灰铸铁刨、铣、车、切全黑可锻铸铁磨0.10-0.180.10-0.18铝镁合金特殊加工0.16-0.220.10-0.180.10-0.18零件的μk及μg润滑条件紧固件的μk及μg钢（油淬或磷化）钢滚轧车削电镀锌6μm钢镀镉6μm干0.08-0.16镀镉内螺纹0.08-0.14镀锌6μm0.10-0.180.20-0.30镀锌内螺纹0.08-0.160.12-0.20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。２、连接轴向预紧力Fsp计算公式：Fspmax＝0.196（d2＋d3）20.9σ0.2/{1＋4.86[(p+μg3.63d２)/(d2+d3)]2}0.5式中：Fsp－连接轴向预紧力d2－螺纹中径d3－螺纹内径σ0.2－紧固件材料0.2%屈服强度（低强度材料可用屈服强度σs代替）P－螺距μg－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0.8d螺纹紧固件的屈服强度（Mpa）机械性能3.64.64.85.65.86.88.810.912.9屈服强度σs1802403203004004802%屈服强度σ0.264090010802%屈服强度σ0.2：引起0.2%永久变形的应力３、K值的选取紧固件头部或螺母与支撑面的摩擦系数0.040.060.080.10.120.140.160.180.20.240.28螺纹摩擦系数μg0.080.0940.1080.120.1340.1480.1620.1760.190.2040.2320.260.10.1040.1180.1320.1460.1580.1720.1860.20.2140.2420.270.120.1140.1280.1420.1560.170.1840.1960.210.2240.2520.280.140.1240.1380.1520.1660.180.1940.2080.2220.2340.2620.290.160.1340.1480.1620.1760.190.2040.2180.2320.2460.2720.30.180.1460.160.1720.1860.20.2140.2280.2420.2560.2840.3120.20.1560.170.1840.1980.210.2240.2380.2520.2660.2940.3220.240.1760.190.2040.2180.2320.2460.260.2740.2860.3140.3420.280.1980.2120.2240.2380.2520.2660.280.2940.3080.3360.362注：※K值的选取适用于M1.4－M42的标准螺纹，但对于M16-M42的螺纹K值要相应降低5%。※对于支撑面积非标的螺纹组，其K值按下式取得：K＝（0.16p+μg0.58d2+μk*Dkm/2）/d式中：P－螺距d２－螺纹中径Dkm－螺纹组支撑面摩擦扭矩有效直径D－紧固件标称直径μk：紧固件头部或螺母与接触面的摩擦系数μg：螺纹摩擦系数４、扭紧力矩确定计算4.1最大扭紧力矩MspmaxMspmax＝Kmin*Fspmax*d4.2最小扭紧力矩MspminMspmin＝0.8Mspmax例：用一M12标准螺纹10.9级强度的螺栓把一轧制钢零件与一有肓螺孔的灰铸铁机加零件相连接，零件略加润滑。计算其扭紧力矩？解：可由摩擦系数表查出μg为0.12-0.19，μk为0.10-0.18；由K值表中可查出Kmin为0.156；经计算：Fspmax＝0.196（d2＋d3）20.9σ0.2/{1＋4.86[(p+μg3.63d２)/(d2+d3)]2}0.5＝57685.6N则：Mspmax＝0.156*0.012*57685.6＝108N.mMspmin＝0.8*108＝86.4N.m谢谢！