螺栓预紧力的选用和螺栓规格的规范设计

赵峰，罗峰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

螺栓预紧力的选用和螺栓规格的规范设计

赵峰，罗峰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

∶随着工业发展的进程越来越快，机械零件的使用越来越多，螺栓作为最常用的连接件，它的使用也分布于各行各业。然而对于装配过程中，螺栓联接需要多大的预紧力，选配规格是否合理，很多人并不了解，文章就针对螺栓预紧力的选用和螺栓规格的规范设计，做一些介绍和研究。

∶螺栓；螺栓规格；预紧力；计算；强度系数

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.081

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

引言

螺栓作为螺纹连接用零件，是最常见的机械联接所使用的标准件，广泛应用在各种机械总成件中。由螺栓联接组装成的总成件，一般情况下都是需要拧紧之后才能发挥作用进行工作。而作为在装配过程中最重要的螺栓规格及预紧力的选用，我们却很少进行规范设计。合理的选配，可以最大效果的发挥螺栓在装配件中的作用，最大程度的延长总成件的使用寿命。

无论是作为螺栓，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极限，零件就会损坏。所以装配件要长时间稳定有效的工作，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

螺栓作为重要的联接件，在总成件安装时必须拧紧，在联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，预紧的目的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的时候，受到力的作用，各联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

在专业的螺栓紧固件装配中，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规格的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，达到可量化的预紧力，对于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，往往会造成过拉紧，破坏零件本身使整个连接结构失效。

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伸变形，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。仅通过操作者的经验进行螺栓的紧固，对于批量生产的产品是非常不科学的。对于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，实力大小可参照下表：

表1　常用规格螺栓扳手长度及施加力参考值

1.2常用规格螺栓的扭矩值

表2列出了部分常用规格螺栓不同性能等级所对应的紧固扭矩值。[2]

表2　常用规格螺栓（柱）紧固扭矩值

对于设计人员来说，该连接处的预紧力需要多大，才能既达到零件的工作要求，又不大于螺栓的安全应力，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。施加于螺栓紧固件上的预紧力，上限值取决于螺栓紧固件的屈服极限，下限值取决于满足工作需要所需提供的最小预紧力[3]。

2、螺栓规格的合理选用及设计计算[4]

2.1选用的重要性

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，零部件之间的联接通常通过螺栓来实现，尤其是关键部位的螺栓，其联接质量决定着总成装配件的可靠性。由于螺栓施加预紧力的数值影响了螺纹连接质量，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，非常必要。对于螺栓螺母等紧固件来说，他们的性能参数都是在一定的的范围内变化的，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。

2.2计算方法

下面仅以CNG供给系统中一组气瓶的框架在车架上的连接为例，简单介绍下螺栓选用是否合理的计算方法。

作为一个供给系统，CNG系统该包括储气瓶以及固定框架。针对N3系列车辆，依据ECE R110法规要求，整个固定装置必须保证：运动方向6.6g 6.6 倍的加速度和运动方向垂直的水平方向5g，固定装置不允许发生破坏性位移 。为了选配合适的螺栓紧固件规格，可按照以下步骤进行设计计算：

装置参数：单气瓶 145L，单重125kg ，充满气重155kg，气瓶支架重315 kg，共八个气瓶，用24*M14的螺栓固定于车架。

2.2.1计算整个框架（包括加满气的气瓶）的重量

3.2.2计算外面的负荷

式中：K为加速度值；最多是20。

F为摩擦系数（“连接板－车架”）取常规值F=0.2

2.2.3计算一个螺纹连接紧固力的负荷

式中：1.2为预先紧固力的效率

h为螺纹连接（螺栓）的数量，h=24

2.2.4计算螺栓杆的截面面积

式中d为M14×1.5螺杆的截面直径，d=14-1.5= 12.5mm=0.0125m

2.2.5计算螺栓杆的抗拉应力

2.2.6计算螺栓的紧固力

d0为螺栓的外直径，d0=12mm

K1为效率（含螺线角及螺纹的摩擦）。一般为K1=0.12

2.2.7计算螺栓杆的应力切线

dc为螺栓杆的直径，dc=14 mm=0.014m

2.2.8计算最大的换算应力

2.2.9按照塑性流动计算强度系数

10.9级M14螺栓的应力是900 Mpa，等于91.83×106（Kg/m3）

按照上述的计算程序，可以计算出该处的连接安全系数为1.21，如果该系数小于1，就需要选择强度更大屈服强度更高的螺栓进行匹配。

3、结语

工业生产中，螺栓等紧固件的应用越来越广泛，如何保证批量工业产品的安全可靠性，显得非常重要。在设计过程中，准确选用螺栓规格和预紧力的大小，可以提高螺栓联接总成件的装配质量，减少因产品质量问题带来的损失。对于螺栓预紧力的计算及控制方法，既需要丰富的经验，也需要认真研究、细心分析，根据拧紧力矩的计算，实验数据的采集，模拟分析等多种方法综合考虑，选择最合适的螺栓规格和相应的预紧力。实际生产过程中，除了进行必要的设计计算，还有更多更复杂的因素要考虑进去，这主要是根据各行业产品的特点和工艺实际情况来决定的。

[1] 紧固件标准实施指南.中国标准出版社.

[2] GB/T3098.1-2000 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱.

[3] GB/T16823.2-1997 螺纹紧固件紧固通则.

[4] 徐灏.新编机械设计手册[M].北京:机械设计出版社,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

赵峰（1983-），男，助理工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，主要从事商用汽车底盘设计方面的研究。