螺栓預緊力的選擇和螺栓強度校核
螺栓預緊力的選擇和螺栓強度校核
螺栓作為連接件，使用十分廣泛， 其在機車車輛、航太航空、風電機組 上的使用環境大多是高強度高應力， 而在乘用車主要部件的使用環境大多 是低應力卨周期，但仍然存在著極大 的隱患。從**角度來說，螺栓所聯 接的部件都是很昂貴的。所以，螺栓失 效時，損壞的不僅僅是它們本身，而是 整個產品。
螺栓連接作為汽車裝配上的重要 應用，據有關資料介紹，根據發動機 上的螺紋緊固件通常在1500?2000 顆左右，品種更是高達100個以上，規 格也是從M6?M30不等，而其中大約 100顆是與車輛的**性能有密切聯 系的。而做為在裝配過程中*重要的 螺栓規格及預緊力的選擇，存在理論 上的不足和認識的誤區。
不論螺紋緊件作為連接或密封作用，還是需要裝配的子零件，都有一定的屈服極限。在裝配過程中，如果預緊力過大，使零件的變形量超過零件的屈服強度，零件就會損環。故裝配件要長時間穩定有效工作，設計人員必 須對螺栓預緊力進行規范設計。
1.螺栓預緊力的選擇
螺栓作為重要的連接件，在總成 件安裝時必須擰緊，在連接承受工作 載荷之前，預先受到力的作用，這個預 加的力就是預緊力；預緊的目得到是為了增強連接的可靠性和緊密性，防止總成安裝件在工作時候，受到力的作用，各連接件之間出現縫隙或相對滑移，所以在總成件的設計中，必須對 預緊力的大小進行規范設計。
1.1合理選擇預緊力
在專業的螺栓緊固裝配中，一般都配有標準扳手，不同的直徑規格的螺栓使用 不同長度的扳手。扳手長度為螺栓直徑的15倍左右，在這個基礎上使用專業的力學 工具可以體現準確的擰緊力矩，達到量化的預緊力，對於一些關鍵件和重要件尤為 重要。一旦使用大規格長扳手擰緊小規格的螺栓，往往會造成拉過緊，破壞零件本 身使整個連接構件失效。
在擰緊螺母時，兩個或者多個零件被壓緊，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產生很大的力，這個力會使得螺栓發生拉仲變形，經計算該應力是簡單的軸向拉力的1.3倍，螺栓產生 的拉應力超過材料的強度極限時，螺栓就被拉斷了。僅僅按操作者的經驗進行螺 栓的緊固，對於批量生產的產品是非常不科學的。對於長扳手擰緊小螺栓時，更應 該注意預緊力的大小，避免發生過度預緊的現象。
使用標準扳手時，施加力大小可參照表1。
表1常用規格螺栓扳手長度及施加力參考值
|
螺栓直徑d(mml |
M5 |
M6 |
M8 |
M12 |
M16 |
M20 |
M2A |
M30 |
M36 |
|
標準扳手長度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常用規格螺栓的扭矩值
表2列出部分常用規格螺栓不同性能等級所對應的緊固扭矩值。
對於設計人員來說，該連接處的預緊力需要多大，才能既達到零件的工作要求，又不大於螺栓的**應力，這就需要計算出該處所需的應力*小值，以此數值 來選擇合適的螺栓緊固件。施加於螺栓緊固件上的預緊力，上限值取決於螺栓緊固 件的屈服強度，下限值取決於滿足工作需要所需提供的*小預緊力。
表2常用規格螺栓的緊固扭矩值
|
直徑規格 （mm） |
應力截面積 As(mm2) |
性能等級（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 |
||
|
粗牙螺紋 |
||||||||
|
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 |
|
細牙螺紋 |
||||||||
|
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.螺栓規格的合理選擇
機車車輛、機械裝備、汽車的裝配是實現總成件，尤其是大型總成裝配件生產的重要環節，零部件之間的連接通常通過螺栓來實現，特別是關鍵部位的螺栓， 其連接品質決定著總成裝配件的可靠性。由於螺栓施加預緊力的數值影響了螺紋 的連接品質，在保證采用合適預緊力裝配的前提下，選擇合適的螺栓規格，非常重 要。對於螺紋緊固件來說，它們的性能參數都是在一定的范圍內變化的，所以基本 是有參考值的，因此計算出該緊固連接處的螺栓規格在性能上，是否達到工作強度要求，是設計人員必須考慮的。
3.強度計算
3.1手冊中的螺栓連接
現行的汽車行業螺栓強度分析基本都是基於（機械設計手冊）的理論計 算，由於**系數要求有較高的強度馀 量，所選螺栓強度會遠遠高於所需強 度，進行計算時，首先是根據連接的類 型、裝配情況、載荷狀態等條件，確定螺栓的受力，然後按相應的強度條件計算螺栓危險截面的直徑或校核其強度。
螺栓連接裝配時，其螺栓危險截面 的拉伸強度條件為：
其中F2為螺栓總拉力，F0為螺栓預緊力，其中為螺栓相對 鋼度，取值為0.2?0.3。
3.2 VDI2230標準的螺栓連接的強度計算
VDI2230《高強度螺栓連接的系統 計算強度校核 》標準，在德國及其它國 家已獲得廣泛應用，適用於高強度螺栓 的強度校核，使用該標準校核*大載荷 下的工作應力。
VDI2230標準在用於校核螺栓強 度方面，更加注重螺栓本身的各段尺寸，并將預緊力引起的螺栓扭轉應力，以及螺紋摩擦系數精細的考慮在內，相對於《機械設計手冊》粗放大的相對剛度系數，該標準有效的降低了強度浪費。
4.結論
螺紋緊固件在機車車輛、航太航空、風電機組和汽車上的運用是普遍的，但是對高強度螺栓重視程度遠遠不夠，近幾年頻繁發生由於螺栓斷裂引發的事故，可以看出螺栓雖小，但位置關鍵，各大公司，特別是國際品牌對高強度螺栓的選擇設計也是非常嚴格的，但是也發生由於螺栓強度不足發生事故， 應該引起我們對設計過程的關注。德國 VDI-2230《高強度螺栓連接的系統計算強度校核》標準，相對於《機械設計 手冊》的計算方式，更注重強度的有效 利用，計算中考慮了溫度、截面變化和 摩擦系數等細節方面，為螺栓的強度校 核提供了更加貼近事實的支援。
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