谈螺栓预紧力的选用和螺栓强度校核

螺栓作为连接件,使用十分广泛, 其在机车车辆、航太航空、风电机组 上的使用环境大多是高强度高应力, 而在乘用车主要部件的使用环境大多 是低应力卨周期,但仍然存在著极大 的隐患。从安全角度来说,螺栓所联 接的部件都是很昂贵的。所以,螺栓失 效时,损坏的不仅仅是它们本身,而是 整个产品。
螺栓连接作为汽车装配上的重要 应用,据有关资料介绍,根据发动机 上的螺纹紧固件通常在1500〜2000 颗左右,品种更是高达100个以上,规 格也是从M6〜M30不等,而其中大约 100颗是与车辆的安全性能有密切联 系的。而做为在装配过程中最重要的 螺栓规格及预紧力的选用,存在理论 上的不足和认识的误区。
不论螺纹紧件作为连接或密封作用,还是需要装配的子零件,都有一定的屈服极限。在装配过程中,如果预紧力过大,使零件的变形量超过零件的屈服强度,零件就会损环。故装配件要长时间稳定有效工作,设计人员必 须对螺栓预紧力进行规范设计。

1.螺栓预紧力的选用

螺栓作为重要的连接件,在总成 件安装时必须拧紧,在连接承受工作 载荷之前,预先受到力的作用,这个预 加的力就是预紧力;预紧的目得到是为了增强连接的可靠性和紧密性,防止总成安装件在工作时候,受到力的作用,各连接件之间出现缝隙或相对滑移,所以在总成件的设计中,必须对 预紧力的大小进行规范设计。
1.1合理选用预紧力
在专业的螺栓紧固装配中,一般都配有标准扳手,不同的直径规格的螺栓使用 不同长度的扳手。扳手长度为螺栓直径的15倍左右,在这个基础上使用专业的力学 工具可以体现准确的拧紧力矩,达到量化的预紧力,对於一些关键件和重要件尤为 重要。一旦使用大规格长扳手拧紧小规格的螺栓,往往会造成拉过紧,破坏零件本 身使整个连接构件失效。
在拧紧螺母时,两个或者多个零件被压紧,零件自身被压缩,就像弹簧的压缩 变形一样,在螺母和螺栓与装配件之间的接触表面零件自身会产生很大的力,这个力会使得螺栓发生拉仲变形,经计算该应力是简单的轴向拉力的1.3倍,螺栓产生 的拉应力超过材料的强度极限时,螺栓就被拉断了。仅仅按操作者的经验进行螺 栓的紧固,对於批量生产的产品是非常不科学的。对於长扳手拧紧小螺栓时,更应 该注意预紧力的大小,避免发生过度预紧的现象。
使用标准扳手时,施加力大小可参照表1。
表1常用规格螺栓扳手长度及施加力参考值

螺栓直径d(mmlM5M6M8M12M16M20M2AM30M36
标准扳手长度Llmml75901201802A0300360450540
施加力F0[N)404865100130170200250300

1.2常用规格螺栓的扭矩值
表2列出部分常用规格螺栓不同性能等级所对应的紧固扭矩值。
对於设计人员来说,该连接处的预紧力需要多大,才能既达到零件的工作要求,又不大於螺栓的安全应力,这就需要计算出该处所需的应力最小值,以此数值 来选用合适的螺栓紧固件。施加於螺栓紧固件上的预紧力,上限值取决於螺栓紧固 件的屈服强度,下限值取决於满足工作需要所需提供的最小预紧力。
表2常用规格螺栓的紧固扭矩值

直径规格 (mm)应力截面积
As(mm²)
性能等级(GB/T3098.1-2010)
4.85.86.88.89.810.912.9
RPf/MPa(mm²]RP0.2/MPa(mm²)
340430480D≤16:640
D>16; 6607209401100
粗牙螺纹
M836.613.917.219.626.229.538.545
M105827.634138.951.958.476.389.3
M1284.348.159.467.990.6101.9133.1155.7
M1411576.694.6108.1144.2162.2211.8247.9
M16157119.5147.7168.8225253.2330.5386.8
细牙螺纹
M8*139.214.918.4212831.641.248.2
M10*164.530.737.943.357.76584.899.3
M10*1.2561.229.135.941.154.861.680.594.2
M12*1.2592.152.661.974.299111.4145.4.170.2
M12*1.588.150.362.17194.7106.5139.1162.8
M14*1.512583.3102.9117.6156.8176.4230.3269.5
M16*1.5167127.1157.1179.5239.4269.3351.6411.4

2.螺栓规格的合理选用

机车车辆、机械装备、汽车的装配是实现总成件,尤其是大型总成装配件生产的重要环节,零部件之间的连接通常通过螺栓来实现,特别是关键部位的螺栓, 其连接品质决定著总成装配件的可靠性。由於螺栓施加预紧力的数值影响了螺纹 的连接品质,在保证采用合适预紧力装配的前提下,选用合适的螺栓规格,非常重 要。对於螺纹紧固件来说,它们的性能参数都是在一定的范围内变化的,所以基本 是有参考值的,因此计算出该紧固连接处的螺栓规格在性能上,是否达到工作强度要求,是设计人员必须考虑的。

3.强度计算

3.1手册中的螺栓连接
现行的汽车行业螺栓强度分析基本都是基於(机械设计手册)的理论计 算,由於安全系数要求有较高的强度馀 量,所选螺栓强度会远远高於所需强 度,进行计算时,首先是根据连接的类 型、装配情况、载荷状态等条件,确定螺栓的受力,然後按相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径或校核其强度。
螺栓连接装配时,其螺栓危险截面 的拉伸强度条件为:
其中F2为螺栓总拉力,F0为螺栓预紧力,其中
为螺栓相对 钢度,取值为0.2〜0.3。
3.2 VDI2230标准的螺栓连接的强度计算
VDI2230《高强度螺栓连接的系统 计算强度校核 》标准,在德国及其它国 家已获得广泛应用,适用於高强度螺栓 的强度校核,使用该标准校核最大载荷 下的工作应力。
VDI2230标准在用於校核螺栓强 度方面,更加注重螺栓本身的各段尺寸,并将预紧力引起的螺栓扭转应力,以及螺纹摩擦系数精细的考虑在内,相对於《机械设计手册》粗放大的相对刚度系数,该标准有效的降低了强度浪费。

4.结论