螺栓连接的预紧力控制

螺栓连接

一、目的

螺栓连接的目的就是通过对螺栓施以一定的扭力矩，使螺栓拉伸变形，得到一个我们所需要的预紧力。也就是我们真正要得到的是一个能满足需要的预紧力，它才是被连接件无论在静止或是在工作状态下可靠、安全连接的保证。

二、预紧力的分散度

下面是M10螺栓拧紧扭矩为50Nm，装配时加油和未加油状态下测得的预紧力

上例可见，同一种螺栓相同的扭矩，装配工艺不同，所得到的预紧力相差很大。显然用扭力矩来间接控制预紧力是很不精确的，因为在这两者的关系中包含着一些变化很大且很难一一测定的因素。如：摩擦系数、螺纹表面及支撑面的光洁度、有无润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、温度变化等。

我厂质保实验室有一台螺纹力矩测量仪，它可以测算得到螺纹力矩、螺栓头部力矩和预紧力。从这台机器工作以来曾测得的无数数据

表明，正常情况下对螺栓施加一个扭力矩M后，约有45%消耗在螺栓头部与支撑面间，约有40%消耗在螺纹的摩擦中，只有约15%的力矩作用产生预紧力。

在螺栓的弹性变形范围内，同种螺栓相同的拧紧力矩尽管M=f(Po)近似直线，但由于前述各种因素的影响，每次拧紧的直线斜率不同，所得到的轴向预紧力大不相同，分散度可达±40%左右。（见图二）

因此，在弹性变形范围内选择使用螺栓连接时，考虑到预紧力的分散度，就必须选择相对直径较大的螺栓，这就不能做到材尽其用。

三、控制螺栓预紧力的必要性

在发动机制造行业内，在一些关键的螺栓连接中，预紧力的控制显得尤为重要。如：

1、连杆体盖连接；

2、缸盖、衬床、缸体连接；

3、主轴承盖连接；

4、飞轮、曲轴连接。

下面我们仅以连杆体盖螺栓连接为例说明控制预紧力的必要性。

为了改善轴承的工作条件，人们力图加大曲柄销直径，但连杆大头外形受到限制，所以用来布置螺栓的位置非常有限，螺栓直径的选取受到限制。在工作过程中连杆受到的是交变的脉动载荷，为了防止连杆体盖的接合面在工作载荷的拉伸下脱开，装配时就需要有足够的预紧力P o。为便于分析，我们仅考虑在弹性变形范围内对连杆螺栓和被压紧件、连杆体盖作一下受力分析。

在预紧力P o作用下，螺栓拉伸变形λo1，大头相应压缩变形为λo2，此时P o既是螺栓承受的拉伸力，也是连杆大头体盖的压缩力，二者互为反作用，将这两个负荷变形图（图三）合并就成为图四，B 点即表示连杆螺栓连接部件的预紧状态。工作时，在惯性力Pz的作用下，螺栓被进一步拉长Δλ，而大头的被压情况则反而有所松弛，

弹性压缩变形量减少Δλ，于是原来螺栓与大头间互为反作用的预紧力P o就部分卸载，变为残余预紧力P o′（图四）。因此工作时螺栓承受的最大载荷仅为工作载荷Pz与P o′之和，或者说是预紧力P o与部分工作载荷kPz之和，而不是P o与Pz的直接叠加。C点是螺栓最大载荷工作点，D点是大头最小载荷工作点，从图四中可以看出，当P o≤Pz－ΔP= Pz－kPz时，连杆体盖就会因接合面压力为零而脱开，进一步增大的那部分工作负荷就会全部加到螺栓上去，使螺栓应力大幅增大，同时接合面互相冲击最后导致螺栓疲劳破坏。如果考虑到压平轴瓦周向过盈量所需的预紧力，则P o的取值就更大。在有限的空间里，连杆螺栓直径的选取受到限制，尽管人们通过选择优质合金材料，改善螺栓的结构设计和制造工艺，提高螺栓柔性和强度，但如果不能在装配时将预紧力控制在一个尽可能小的范围内，连杆螺栓的设计就会变得十分困难。

四、控制预紧力的方法

我们知道控制螺栓预紧力的最可靠的方法，就是在装配时用百分表等精确地测量出螺栓的变形量λo1，以直接控制预紧力P o，采用此法后，预紧力的分散度很小，但需要有测量装置，在实际生产中有诸多不便，况且螺钉连接根本无法测得伸长量。

人们经过了长期的努力得到了降低预紧力分散度的方法，尤其是在汽车制造业，人们经过大量的试验引入了一个螺栓通过其屈服极限或屈服点承载负荷的装配方法。

这种控制方法的基本思想是：先对螺母加一初始扭矩，使各接触面良好密实，然后继续将螺母扭转一定角度，使螺栓超过屈服极限进入塑性变形状态，那么在同一拧紧扭矩下，所对应的轴向力虽仍有一定的波动，但在塑性区域P o变化相对减小，预紧力的分散情况将大大改善（见图五）

采用此法，可以满足较为精确的装配要求，但此时螺栓材料必须具有足够的柔性（可变形性）。而且螺栓不能或者只能有限地重复使用，除此之外，不允许超过已装配部件所允许的单位面积压力（表面压力）。

采用此法，同一种螺栓预紧力比一般扭矩法高出40%，因此在所需预紧力P o相同条件下，螺栓直径能相应减小，如此连杆螺栓预紧力的设计控制就变得容易。

初始扭矩M o的确定是由最终扭矩M减去旋转角度所产生的扭矩M Q得到的，即M o=M－M Q

这种方法是旋转角度控制法的一种细化，他控制的结果更加精确。（见图六）

由于该方法控制的基本思想是：先对螺母加一初始的连接扭矩（约为总扭矩的20%），使各接触面良好、密实，然后继续拧转螺母，

在螺栓弹性变形范围内是一个定值，即。当拧转

到发生变化并仅为原值的50%时，扭转即时断开，该点即为屈服点。

由于精确地控制了螺栓的屈服点，预紧力分散度得到了进一步的控制，螺栓连接的可靠性得到了保障，螺栓的重复使用性得到了明显的改善，螺栓的尺寸可以进一步减小。但由于本方法对扭矩波动的反应相当敏感，因此在机械装配时也会一再出现困难。