預(yù)緊力矩設(shè)計

1、螺紋扭緊力矩設(shè)計螺紋扭緊力矩設(shè)計目目 錄錄一、螺紋連接扭緊力矩不當(dāng)引發(fā)的后果一、螺紋連接扭緊力矩不當(dāng)引發(fā)的后果二、螺紋連接扭緊力矩設(shè)計理論分析二、螺紋連接扭緊力矩設(shè)計理論分析三、三、K K方法設(shè)計扭緊力矩方法設(shè)計扭緊力矩一、螺紋連接扭緊力矩不當(dāng)引發(fā)的后果一、螺紋連接扭緊力矩不當(dāng)引發(fā)的后果 整車設(shè)計中，螺紋聯(lián)接質(zhì)量的重要性已引起廣泛的整車設(shè)計中，螺紋聯(lián)接質(zhì)量的重要性已引起廣泛的重視。螺紋聯(lián)接的質(zhì)量是保證整車質(zhì)量的基礎(chǔ)。絕大重視。螺紋聯(lián)接的質(zhì)量是保證整車質(zhì)量的基礎(chǔ)。絕大多數(shù)螺紋在聯(lián)接時都要施加扭緊力矩預(yù)緊，目的在于多數(shù)螺紋在聯(lián)接時都要施加扭緊力矩預(yù)緊，目的在于增強(qiáng)聯(lián)接的剛性、緊密性、防松及防滑。扭

2、緊力矩的增強(qiáng)聯(lián)接的剛性、緊密性、防松及防滑。扭緊力矩的適當(dāng)控制又是確保螺紋聯(lián)接質(zhì)量的關(guān)鍵。因為螺紋聯(lián)適當(dāng)控制又是確保螺紋聯(lián)接質(zhì)量的關(guān)鍵。因為螺紋聯(lián)接的扭緊力矩將對螺紋的總載荷、聯(lián)接的臨界載荷、接的扭緊力矩將對螺紋的總載荷、聯(lián)接的臨界載荷、抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產(chǎn)生影響。抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產(chǎn)生影響。過大或過小的預(yù)緊力均是有害的，所以預(yù)緊力的大小、過大或過小的預(yù)緊力均是有害的，所以預(yù)緊力的大小、準(zhǔn)確度都十分重要。從而使扭緊力矩的設(shè)計成為螺紋準(zhǔn)確度都十分重要。從而使扭緊力矩的設(shè)計成為螺紋聯(lián)接的重要問題之一。聯(lián)接的重要問題之一。 、螺紋聯(lián)接零件的靜力破壞、螺紋聯(lián)接零件的

3、靜力破壞 若螺紋緊固件擰得過緊，即扭緊力矩過大，則螺栓若螺紋緊固件擰得過緊，即扭緊力矩過大，則螺栓可能被擰斷，聯(lián)接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能可能被擰斷，聯(lián)接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能螺紋牙被剪斷而脫扣。螺紋牙被剪斷而脫扣。 、被聯(lián)接件滑移、分離或緊固件松脫、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，扭緊力矩使對于承受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接，扭緊力矩使被聯(lián)接件間產(chǎn)生正壓力，依靠摩擦力抵抗外載荷，因此，被聯(lián)接件間產(chǎn)生正壓力，依靠摩擦力抵抗外載荷，因此，預(yù)緊力的大小決定了它的承受能力。若預(yù)緊力不足，被聯(lián)預(yù)緊力的大小決定了它的承受能力。若預(yù)緊力不足，被聯(lián)接件將出現(xiàn)

4、滑移，從而導(dǎo)致被聯(lián)接件錯位、歪斜、折皺，接件將出現(xiàn)滑移，從而導(dǎo)致被聯(lián)接件錯位、歪斜、折皺，甚至緊固件被剪斷。甚至緊固件被剪斷。 對于受軸向載荷的螺栓聯(lián)接，扭緊力矩使接合面上產(chǎn)對于受軸向載荷的螺栓聯(lián)接，扭緊力矩使接合面上產(chǎn)生壓緊力，受外載荷作用后的剩余預(yù)緊力是接合面上工作生壓緊力，受外載荷作用后的剩余預(yù)緊力是接合面上工作時的壓緊力。預(yù)緊力不足將會導(dǎo)致接合面泄漏，如發(fā)動機(jī)時的壓緊力。預(yù)緊力不足將會導(dǎo)致接合面泄漏，如發(fā)動機(jī)漏氣等，甚至導(dǎo)致被聯(lián)接件分離。預(yù)緊力不足還將引起強(qiáng)漏氣等，甚至導(dǎo)致被聯(lián)接件分離。預(yù)緊力不足還將引起強(qiáng)烈的橫向振動，致使螺母松脫。烈的橫向振動，致使螺母松脫。 、螺栓疲勞破壞、螺栓疲

5、勞破壞 大多數(shù)螺栓因疲勞而失效。減小預(yù)緊力雖然大多數(shù)螺栓因疲勞而失效。減小預(yù)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，因此，總的效果大多數(shù)是使螺栓疲勞載荷變幅增大，因此，總的效果大多數(shù)是使螺栓疲勞壽命下降。壽命下降。 二、螺紋連接扭緊力矩設(shè)計理論分析二、螺紋連接扭緊力矩設(shè)計理論分析、槽面摩擦、槽面摩擦 如圖所示：楔形滑塊放在槽面中，槽面的如圖所示：楔形滑塊放在槽面中，槽面的夾角為夾角為 。Q Q為作用在滑塊的垂直載荷（含滑塊重為作用在滑塊的垂直載荷（含滑塊重量），量），P P為推動滑塊沿著槽面向右運(yùn)動的水平力，為推動滑塊沿

6、著槽面向右運(yùn)動的水平力，N21N21為槽的每一側(cè)面給滑塊的反向力，為槽的每一側(cè)面給滑塊的反向力，F(xiàn)21F21等于每一個等于每一個側(cè)面的摩擦力。側(cè)面的摩擦力。圖由：由：F21F21fN21fN21P P2F212F21fN21fN21Q Q2N21sin 2N21sin 得知：得知：P PfrQfrQ其中：其中：fr frf fsin sin fr fr稱為當(dāng)量摩擦系數(shù)。而與之相應(yīng)的摩擦角稱為當(dāng)量摩擦稱為當(dāng)量摩擦系數(shù)。而與之相應(yīng)的摩擦角稱為當(dāng)量摩擦角，用角，用 表示，則表示，則 =arctgfr,=arctgfr,由于由于 9090度，因而度，因而sin sin 1.1.故故frffrf。因此在

7、其它條。因此在其它條件相同的情況下，槽面的摩擦系數(shù)大于平面摩擦，所以件相同的情況下，槽面的摩擦系數(shù)大于平面摩擦，所以在一些需要摩擦力來工作的地方，可將平面摩擦改為槽在一些需要摩擦力來工作的地方，可將平面摩擦改為槽摩擦。三角螺紋聯(lián)結(jié)就是此理論的應(yīng)用實例。摩擦。三角螺紋聯(lián)結(jié)就是此理論的應(yīng)用實例。、三角螺紋中的摩擦、三角螺紋中的摩擦三角螺紋螺旋副中摩擦相當(dāng)于斜面摩擦。三角螺紋三角螺紋螺旋副中摩擦相當(dāng)于斜面摩擦。三角螺紋螺旋可以設(shè)想是有一斜面卷繞在圓柱面上形成的，這個螺旋可以設(shè)想是有一斜面卷繞在圓柱面上形成的，這個圓柱的中徑為圓柱的中徑為d這個螺旋沿這個螺旋沿d 展開成一個斜面，以展開成一個斜面，以表

8、表示該斜面的螺旋升角，則示該斜面的螺旋升角，則tg=l/d2=zt/d2式中：式中：l螺紋導(dǎo)程；螺紋導(dǎo)程； z 螺紋頭數(shù)；螺紋頭數(shù)； t 螺距螺距。圖在圖在圖2(a)2(a)中，中，l l為螺桿為螺桿2 2為螺母。螺母上受有軸向載荷為螺母。螺母上受有軸向載荷Q Q?，F(xiàn)在。現(xiàn)在螺母上加一力距螺母上加一力距 MM使螺母逆著使螺母逆著Q Q力等速向上運(yùn)動力等速向上運(yùn)動( (對螺紋聯(lián)接來說，對螺紋聯(lián)接來說，相當(dāng)于擰緊螺母相當(dāng)于擰緊螺母) )。如圖。如圖2(b)2(b)所示，就相當(dāng)于在滑塊所示，就相當(dāng)于在滑塊2 2上加一水平力上加一水平力P P，使滑塊使滑塊2 2沿著斜面等速向上滑動。斜槽面的夾角等于沿

9、著斜面等速向上滑動。斜槽面的夾角等于2 2 ( ( = 90 = 90 ）。）。 稱為牙形半角稱為牙形半角) )。則。則 fv=ffv=fsin(90sin(90 )=f)=fcos cos ， =arctgfv=arctgfv。則則P=Qtg(P=Qtg(+ )+ )，P P相當(dāng)于擰緊螺母時在螺紋中徑處施加的圓周相當(dāng)于擰緊螺母時在螺紋中徑處施加的圓周力，其對螺旋軸心線的力矩即為擰緊螺母時所需的力矩力，其對螺旋軸心線的力矩即為擰緊螺母時所需的力矩 ，故，故M=Pd2/2=d2Qtg(M=Pd2/2=d2Qtg(+ )+ )2 2。當(dāng)螺母順著。當(dāng)螺母順著Q Q力的方向等速向下運(yùn)動力的方向等速向下

10、運(yùn)動( (相當(dāng)于防松螺母相當(dāng)于防松螺母) )，相當(dāng)于滑塊，相當(dāng)于滑塊2 2沿著斜面等速下滑。在螺紋中徑處沿著斜面等速下滑。在螺紋中徑處施加的圓周力施加的圓周力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驅(qū)動力矩。就是防松螺母所需外加的驅(qū)動力矩。圖圖、預(yù)緊力、預(yù)緊力p p的確定的確定 螺紋的預(yù)緊力要根據(jù)外載荷確定：螺紋在承受外力前，螺紋螺紋的預(yù)緊力要根據(jù)外載荷確定：螺紋在承受外力前，螺紋中承受了預(yù)拉力中承受了預(yù)拉力p p，這個預(yù)緊力就是由螺紋的擰緊

11、力矩產(chǎn)生的，也就，這個預(yù)緊力就是由螺紋的擰緊力矩產(chǎn)生的，也就是前面推導(dǎo)公式過程中的軸向力是前面推導(dǎo)公式過程中的軸向力Q Q。圖。圖4(a)4(a)所示，由于有預(yù)拉力所示，由于有預(yù)拉力Q Q，板層之間則有壓力板層之間則有壓力C C，而，而P P與與c c保持平衡。當(dāng)對螺栓施加外拉力保持平衡。當(dāng)對螺栓施加外拉力NlNl，則，則螺栓桿在板層之間的壓力未完全消失前被拉長，此時螺桿中拉力增螺栓桿在板層之間的壓力未完全消失前被拉長，此時螺桿中拉力增量為量為 p p，同時把壓緊的板件拉松，使壓力，同時把壓緊的板件拉松，使壓力C C減少減少 C(C(見圖見圖4(b)4(b)。圖圖 計算表明，當(dāng)加于螺桿上的外拉

12、力計算表明，當(dāng)加于螺桿上的外拉力N N=0=08P8P時。時。螺桿內(nèi)拉力的增加很少，因此可認(rèn)為此時螺桿的預(yù)拉力螺桿內(nèi)拉力的增加很少，因此可認(rèn)為此時螺桿的預(yù)拉力基本不變。同時由實驗得知，當(dāng)外加拉力大于螺桿的預(yù)基本不變。同時由實驗得知，當(dāng)外加拉力大于螺桿的預(yù)拉力時，卸荷后螺桿中的預(yù)拉力會變小，即發(fā)生松弛現(xiàn)拉力時，卸荷后螺桿中的預(yù)拉力會變小，即發(fā)生松弛現(xiàn)象。但當(dāng)外加拉力小于螺桿預(yù)拉力的象。但當(dāng)外加拉力小于螺桿預(yù)拉力的8080時，即無松弛時，即無松弛現(xiàn)象發(fā)生。也就是說，被連接板件接觸面間仍能保持一現(xiàn)象發(fā)生。也就是說，被連接板件接觸面間仍能保持一定的壓緊力，可以假定整個板面始終處于緊密接觸狀態(tài)。定的壓緊

13、力，可以假定整個板面始終處于緊密接觸狀態(tài)。但上述取值沒有考慮杠桿作用而引起的撬力影響。實際但上述取值沒有考慮杠桿作用而引起的撬力影響。實際上這種杠桿作用存在于所有螺栓的抗拉聯(lián)接中。研究表上這種杠桿作用存在于所有螺栓的抗拉聯(lián)接中。研究表明，當(dāng)外拉力明，當(dāng)外拉力N10.5PN10.5P時，不出現(xiàn)撬力。因此可以根據(jù)時，不出現(xiàn)撬力。因此可以根據(jù)螺紋實際工作中所承受的外載荷來確定螺紋的預(yù)拉力，螺紋實際工作中所承受的外載荷來確定螺紋的預(yù)拉力，即至少應(yīng)當(dāng)是外力的即至少應(yīng)當(dāng)是外力的2 2倍。倍。三、三、K K方法設(shè)計扭緊力矩方法設(shè)計扭緊力矩、摩擦系數(shù)、摩擦系數(shù)k：緊固件頭部或螺母與接觸面的摩擦系數(shù)：緊固件頭部

14、或螺母與接觸面的摩擦系數(shù)g：螺紋摩擦系數(shù)：螺紋摩擦系數(shù)零件的零件的kk及及gg潤滑條件潤滑條件緊固件的緊固件的kk及及gg鋼（油淬或磷化）鋼（油淬或磷化）鋼鋼滾軋滾軋車削車削電鍍鋅電鍍鋅6m6m鋼鋼軋制軋制輕微潤滑輕微潤滑0.12-0.190.12-0.190.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18刨、銑、車、切刨、銑、車、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鍍鎘鍍鎘6m6m0.08-0.160.08-0.160.0

15、8-0.160.08-0.16鍍鋅鍍鋅6m6m0.10-0.180.10-0.180.10-0.160.10-0.160.16-0.200.16-0.20鍍鋅內(nèi)螺紋鍍鋅內(nèi)螺紋0.10-0.180.10-0.18滾壓后磷化滾壓后磷化0.12-0.200.12-0.20機(jī)加工后磷化機(jī)加工后磷化0.10-0.180.10-0.18灰鑄鐵灰鑄鐵刨、銑、車、切刨、銑、車、切全黑可鍛鑄鐵全黑可鍛鑄鐵磨磨0.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18鋁鎂合金特殊加工鋁鎂合金特殊加工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潤滑條件潤滑條件緊固件的緊固件的kk及及gg鋼（油淬或磷化）鋼（油淬或磷化）鋼鋼滾軋滾軋車削車削電鍍鋅電鍍鋅6m6m鋼鋼鍍鎘鍍鎘6m6m干干0.08-0.160.08-0.16鍍鎘內(nèi)螺紋鍍鎘內(nèi)螺紋0.08-0.140.08-0.14鍍鋅鍍鋅6m6m0.10-0.180.10-0.180.20-0.300.20-0.30鍍鋅內(nèi)螺紋鍍鋅內(nèi)螺紋0.08-0.160.08-0.160.12-0.200.12-0.20注意：柔性螺栓等特種螺栓及鎖緊螺母等連接注意：柔性螺栓等特種螺栓及鎖緊螺母等連接按其專用技術(shù)規(guī)范扭緊。按其專用技術(shù)規(guī)范扭緊。、連接軸向預(yù)緊力、連接軸向預(yù)緊力F

17、spFsp計算公式：計算公式：Fspmax0.196（d2d3）20.90.2/14.86(p+ g3.63d)/(d2+d3) 20.5式中：式中： Fsp連接軸向預(yù)緊力連接軸向預(yù)緊力 d2螺紋中徑螺紋中徑d3螺紋內(nèi)徑螺紋內(nèi)徑0.2緊固件材料緊固件材料0.2%屈服強(qiáng)度（低強(qiáng)度材料可用屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度（低強(qiáng)度材料可用屈服強(qiáng)度s代替）代替）P螺距螺距g螺紋摩擦系數(shù)螺紋摩擦系數(shù)注：此公式只適用于正確強(qiáng)度匹配的螺紋組且螺母至少大于注：此公式只適用于正確強(qiáng)度匹配的螺紋組且螺母至少大于0.8d0.8d螺紋緊固件的屈服強(qiáng)度（螺紋緊固件的屈服強(qiáng)度（Mpa）機(jī)械性能機(jī)械性能3.63.64.64.64.84.8

18、5.65.65.85.86.86.88.88.810.910.912.912.9屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度ss1801802402403203203003004004004804802%2%屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度0.20.2640640900900108010802%2%屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度0.20.2：引起：引起0.2%0.2%永久變形的應(yīng)力永久變形的應(yīng)力、K K值的選取值的選取緊固件頭部或螺母與支撐面的摩擦系數(shù)緊固件頭部或螺母與支撐面的摩擦系數(shù)0.040.040.060.060.080.080.10.10.120.120.140.140.160.160.180.180.20.20.240.240.280.28

19、螺紋螺紋摩擦摩擦系數(shù)系數(shù)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值的選取適用于值的選取適用于M1.4M1.4M42M42的標(biāo)準(zhǔn)螺紋，但對于的標(biāo)準(zhǔn)螺紋，但對于M16-M42 M16-M42 的螺紋的螺紋K K值要相應(yīng)降低值要相應(yīng)降低5%5%。