螺栓预紧力的选择和螺栓强度校核
螺栓预紧力的选择和螺栓强度校核
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**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**性能有密切联 系的。而做为在装配过程中*重要的 螺栓规格及预紧力的选择，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.螺栓预紧力的选择
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合理选择预紧力
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(mml |
M5 |
M6 |
M8 |
M12 |
M16 |
M20 |
M2A |
M30 |
M36 |
|
标准扳手长度Llmml |
75 |
90 |
120 |
180 |
2A0 |
300 |
360 |
450 |
540 |
|
施加力F0[N) |
40 |
48 |
65 |
100 |
130 |
170 |
200 |
250 |
300 |
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**应力，这就需要计算出该处所需的应力*小值，以此数值 来选择合适的螺栓紧固件。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*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) |
||||||
|
4.8 |
5.8 |
6.8 |
8.8 |
9.8 |
10.9 |
12.9 |
||
|
RPf/MPa(mm²] |
RP0.2/MPa(mm²) |
|||||||
|
340 |
430 |
480 |
D≤16:640 |
720 |
940 |
1100 |
||
|
粗牙螺纹 |
||||||||
|
M8 |
36.6 |
13.9 |
17.2 |
19.6 |
26.2 |
29.5 |
38.5 |
45 |
|
M10 |
58 |
27.6 |
341 |
38.9 |
51.9 |
58.4 |
76.3 |
89.3 |
|
M12 |
84.3 |
48.1 |
59.4 |
67.9 |
90.6 |
101.9 |
133.1 |
155.7 |
|
M14 |
115 |
76.6 |
94.6 |
108.1 |
144.2 |
162.2 |
211.8 |
247.9 |
|
M16 |
157 |
119.5 |
147.7 |
168.8 |
225 |
253.2 |
330.5 |
386.8 |
|
细牙螺纹 |
||||||||
|
M8*1 |
39.2 |
14.9 |
18.4 |
21 |
28 |
31.6 |
41.2 |
48.2 |
|
M10*1 |
64.5 |
30.7 |
37.9 |
43.3 |
57.7 |
65 |
84.8 |
99.3 |
|
M10*1.25 |
61.2 |
29.1 |
35.9 |
41.1 |
54.8 |
61.6 |
80.5 |
94.2 |
|
M12*1.25 |
92.1 |
52.6 |
61.9 |
74.2 |
99 |
111.4 |
145.4. |
170.2 |
|
M12*1.5 |
88.1 |
50.3 |
62.1 |
71 |
94.7 |
106.5 |
139.1 |
162.8 |
|
M14*1.5 |
125 |
83.3 |
102.9 |
117.6 |
156.8 |
176.4 |
230.3 |
269.5 |
|
M16*1.5 |
167 |
127.1 |
157.1 |
179.5 |
239.4 |
269.3 |
351.6 |
411.4 |
2.螺栓规格的合理选择
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，选择合适的螺栓规格，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**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*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
螺纹紧固件在机车车辆、航太航空、风电机组和汽车上的运用是普遍的，但是对高强度螺栓重视程度远远不够，近几年频繁发生由於螺栓断裂引发的事故，可以看出螺栓虽小，但位置关键，各大公司，特别是国际品牌对高强度螺栓的选择设计也是非常严格的，但是也发生由於螺栓强度不足发生事故， 应该引起我们对设计过程的关注。德国 VDI-2230《高强度螺栓连接的系统计算强度校核》标准，相对於《机械设计 手册》的计算方式，更注重强度的有效 利用，计算中考虑了温度、截面变化和 摩擦系数等细节方面，为螺栓的强度校 核提供了更加贴近事实的支援。
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