螺栓預(yù)緊力的選用和螺栓規(guī)格的規(guī)范設(shè)計(jì)

趙峰，羅峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

螺栓預(yù)緊力的選用和螺栓規(guī)格的規(guī)范設(shè)計(jì)

趙峰，羅峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

∶隨著工業(yè)發(fā)展的進(jìn)程越來(lái)越快，機(jī)械零件的使用越來(lái)越多，螺栓作為最常用的連接件，它的使用也分布于各行各業(yè)。然而對(duì)于裝配過(guò)程中，螺栓聯(lián)接需要多大的預(yù)緊力，選配規(guī)格是否合理，很多人并不了解，文章就針對(duì)螺栓預(yù)緊力的選用和螺栓規(guī)格的規(guī)范設(shè)計(jì)，做一些介紹和研究。

∶螺栓；螺栓規(guī)格；預(yù)緊力；計(jì)算；強(qiáng)度系數(shù)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.081

CLC NO.: U466Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-236-03

引言

螺栓作為螺紋連接用零件，是最常見(jiàn)的機(jī)械聯(lián)接所使用的標(biāo)準(zhǔn)件，廣泛應(yīng)用在各種機(jī)械總成件中。由螺栓聯(lián)接組裝成的總成件，一般情況下都是需要擰緊之后才能發(fā)揮作用進(jìn)行工作。而作為在裝配過(guò)程中最重要的螺栓規(guī)格及預(yù)緊力的選用，我們卻很少進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)。合理的選配，可以最大效果的發(fā)揮螺栓在裝配件中的作用，最大程度的延長(zhǎng)總成件的使用壽命。

無(wú)論是作為螺栓，還是需要裝配的子零件，都有一定的屈服極限。在裝配過(guò)程中，如果預(yù)緊力過(guò)大，使零件的變形量超過(guò)零件的屈服極限，零件就會(huì)損壞。所以裝配件要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定有效的工作，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)。

1、螺栓預(yù)緊力的選用

螺栓作為重要的聯(lián)接件，在總成件安裝時(shí)必須擰緊，在聯(lián)接承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個(gè)預(yù)加的力就是預(yù)緊力，預(yù)緊的目的是為了增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，防止總成安裝件在工作的時(shí)候，受到力的作用，各聯(lián)接件之間出現(xiàn)縫隙或相對(duì)滑移。所以在總成件的設(shè)計(jì)中，必須對(duì)預(yù)緊力的大小進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)。

1.1合理選用預(yù)緊力

在專業(yè)的螺栓緊固件裝配中，一般都配有標(biāo)準(zhǔn)扳手，不同的直徑規(guī)格的螺栓使用不同長(zhǎng)度的扳手，扳手長(zhǎng)度為螺栓直徑規(guī)格的15倍左右，在這個(gè)基礎(chǔ)上使用專業(yè)的力學(xué)工具可以體現(xiàn)準(zhǔn)確的擰緊力矩，達(dá)到可量化的預(yù)緊力，對(duì)于一些關(guān)鍵件和重要件尤為重要。一旦使用大規(guī)格長(zhǎng)扳手?jǐn)Q緊小規(guī)格的螺栓，往往會(huì)造成過(guò)拉緊，破壞零件本身使整個(gè)連接結(jié)構(gòu)失效。

在擰緊螺母時(shí)，兩個(gè)或者多個(gè)零件被壓緊，零件自身被壓縮，就像彈簧的壓縮變形一樣，在螺母和螺栓與裝配件之間的接觸表面零件自身會(huì)產(chǎn)生很大的力，這個(gè)力會(huì)使得螺栓發(fā)生拉伸變形，經(jīng)計(jì)算該應(yīng)力是簡(jiǎn)單的軸向拉力的1.3倍，螺栓產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，螺栓就被拉斷了。僅通過(guò)操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行螺栓的緊固，對(duì)于批量生產(chǎn)的產(chǎn)品是非常不科學(xué)的。對(duì)于長(zhǎng)扳手?jǐn)Q緊小螺栓時(shí)，更應(yīng)該注意預(yù)緊力的大小，避免發(fā)生過(guò)度預(yù)緊的現(xiàn)象。

使用標(biāo)準(zhǔn)扳手時(shí)，實(shí)力大小可參照下表：

表1　常用規(guī)格螺栓扳手長(zhǎng)度及施加力參考值

1.2常用規(guī)格螺栓的扭矩值

表2列出了部分常用規(guī)格螺栓不同性能等級(jí)所對(duì)應(yīng)的緊固扭矩值。[2]

表2　常用規(guī)格螺栓（柱）緊固扭矩值

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，該連接處的預(yù)緊力需要多大，才能既達(dá)到零件的工作要求，又不大于螺栓的安全應(yīng)力，這就需要計(jì)算出該處所需的應(yīng)力最小值，以此數(shù)值來(lái)選用合適的螺栓緊固件。施加于螺栓緊固件上的預(yù)緊力，上限值取決于螺栓緊固件的屈服極限，下限值取決于滿足工作需要所需提供的最小預(yù)緊力[3]。

2、螺栓規(guī)格的合理選用及設(shè)計(jì)計(jì)算[4]

2.1選用的重要性

裝配是實(shí)現(xiàn)總成件，尤其是大型總成裝配件生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，零部件之間的聯(lián)接通常通過(guò)螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)，尤其是關(guān)鍵部位的螺栓，其聯(lián)接質(zhì)量決定著總成裝配件的可靠性。由于螺栓施加預(yù)緊力的數(shù)值影響了螺紋連接質(zhì)量，在保證采用合適預(yù)緊力裝配的前提下，選用合適的螺栓規(guī)格，非常必要。對(duì)于螺栓螺母等緊固件來(lái)說(shuō)，他們的性能參數(shù)都是在一定的的范圍內(nèi)變化的，所以基本是有參考值的，因此計(jì)算出該緊固連接處的螺栓規(guī)格在性能上是否達(dá)到工作強(qiáng)度要求，是設(shè)計(jì)人員必須考慮的。

2.2計(jì)算方法

下面僅以CNG供給系統(tǒng)中一組氣瓶的框架在車架上的連接為例，簡(jiǎn)單介紹下螺栓選用是否合理的計(jì)算方法。

作為一個(gè)供給系統(tǒng)，CNG系統(tǒng)該包括儲(chǔ)氣瓶以及固定框架。針對(duì)N3系列車輛，依據(jù)ECE R110法規(guī)要求，整個(gè)固定裝置必須保證：運(yùn)動(dòng)方向6.6g 6.6 倍的加速度和運(yùn)動(dòng)方向垂直的水平方向5g，固定裝置不允許發(fā)生破壞性位移 。為了選配合適的螺栓緊固件規(guī)格，可按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算：

裝置參數(shù)：?jiǎn)螝馄?145L，單重125kg ，充滿氣重155kg，氣瓶支架重315 kg，共八個(gè)氣瓶，用24*M14的螺栓固定于車架。

2.2.1計(jì)算整個(gè)框架（包括加滿氣的氣瓶）的重量

3.2.2計(jì)算外面的負(fù)荷

式中：K為加速度值；最多是20。

F為摩擦系數(shù)（“連接板－車架”）取常規(guī)值F=0.2

2.2.3計(jì)算一個(gè)螺紋連接緊固力的負(fù)荷

式中：1.2為預(yù)先緊固力的效率

h為螺紋連接（螺栓）的數(shù)量，h=24

2.2.4計(jì)算螺栓桿的截面面積

式中d為M14×1.5螺桿的截面直徑，d=14-1.5= 12.5mm=0.0125m

2.2.5計(jì)算螺栓桿的抗拉應(yīng)力

2.2.6計(jì)算螺栓的緊固力

d0為螺栓的外直徑，d0=12mm

K1為效率（含螺線角及螺紋的摩擦）。一般為K1=0.12

2.2.7計(jì)算螺栓桿的應(yīng)力切線

dc為螺栓桿的直徑，dc=14 mm=0.014m

2.2.8計(jì)算最大的換算應(yīng)力

2.2.9按照塑性流動(dòng)計(jì)算強(qiáng)度系數(shù)

10.9級(jí)M14螺栓的應(yīng)力是900 Mpa，等于91.83×106（Kg/m3）

按照上述的計(jì)算程序，可以計(jì)算出該處的連接安全系數(shù)為1.21，如果該系數(shù)小于1，就需要選擇強(qiáng)度更大屈服強(qiáng)度更高的螺栓進(jìn)行匹配。

3、結(jié)語(yǔ)

工業(yè)生產(chǎn)中，螺栓等緊固件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如何保證批量工業(yè)產(chǎn)品的安全可靠性，顯得非常重要。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，準(zhǔn)確選用螺栓規(guī)格和預(yù)緊力的大小，可以提高螺栓聯(lián)接總成件的裝配質(zhì)量，減少因產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的損失。對(duì)于螺栓預(yù)緊力的計(jì)算及控制方法，既需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，也需要認(rèn)真研究、細(xì)心分析，根據(jù)擰緊力矩的計(jì)算，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，模擬分析等多種方法綜合考慮，選擇最合適的螺栓規(guī)格和相應(yīng)的預(yù)緊力。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，除了進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)計(jì)算，還有更多更復(fù)雜的因素要考慮進(jìn)去，這主要是根據(jù)各行業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)和工藝實(shí)際情況來(lái)決定的。

[1] 緊固件標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[2] GB/T3098.1-2000 緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱.

[3] GB/T16823.2-1997 螺紋緊固件緊固通則.

[4] 徐灝.新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械設(shè)計(jì)出版社,1995.

Selection of bolt preload and design of bolt specifications

Zhao Feng, Luo Feng
（Shaan xi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Xi'an Shaanxi Xi'an 710200）

With the process of industrial development faster and faster, people used of mechanical partsmore and more, bolts, as the most commonly used fittings, its use is distributed in all walks of life. Yet for assembly process, bolting really need much preload, matching the specification whether reasonable, a lot of people do not understand. Today we have for the selection of bolt preload and bolt design specifications of the specification, to do some introduction and research.

Bolt; Specification of bolt; Preload; Calculation; Intensity Coefficient

∶U466

∶A

∶1671-7988(2016)09-236-03

趙峰（1983-），男，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事商用汽車底盤設(shè)計(jì)方面的研究。