螺栓的设计与计算

螺栓的设计与计算

目录n基本知识n拧紧工艺n计算与校核n加工与制造n相关试验

n螺纹联接件按用途可分为很多种，常见的有螺栓、螺柱、螺母、螺钉。

六角头螺栓双头螺柱六角螺母六角开槽螺母内六角圆柱头螺钉

开槽圆柱头螺钉开槽沉头螺钉平垫圈弹簧垫圈

紧定螺钉

n常用螺纹联接件都已标准化，可以直接从商店购买，但发动机关键部件螺栓通常不是通用件，需要另外开发设计。

n常用螺栓联接方式有螺栓联接、螺柱联接、

螺钉联接。

螺栓联接螺柱联接螺钉联接

d

d 0a

h

b

l k

e

n螺栓联接相关参数

l公称直径(大径）D

l螺距P

l有效直径（中径）D

2

l小径D

3

l螺栓有效直径L

l螺纹长度B

l螺纹牙侧角β

l螺纹升角ψ

l螺母头厚度m

l光孔直径D

例：M 10 X 1.5(8.8) 表示

螺栓公称直径：D＝10mm

螺栓螺距：P＝1.5mm

螺栓等级：8.8级

n螺栓型号实例

β

n螺栓性能等级标号由两部分数字组成，分别表示螺栓材料公

称抗拉强度值和屈强比值。一般螺栓用“X.Y”表示强度。

X*100=螺栓抗拉强度，X*100*（Y/10）=螺栓屈服强度。

例：性能等级10.9级高强度螺栓，其材料经过热处理后，能达到：

1、螺栓材质公称抗拉强度达100*10＝1000MPa级；

2、螺栓材质的屈强比值为0.9；

3、螺栓材质的公称屈服强度达1000×0.9=900MPa级

n螺栓性能等级含义是国际通用标准，相同性能等级的螺栓，不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选

性能等级。

n钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级。8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。

n发动机关键部件常用高强度螺栓等级为8.8,10.9,12.9，少数用11.9。

预紧力

预紧力

压紧力

侧滑力

侧滑力

扭矩100%

螺栓头部20-70%

螺纹部分20-70%

预紧力5-10%

n 螺纹联接是用螺纹紧固件把两个或更多的被联接件夹紧在一起,以便抵抗各种外载荷, 而被联接件不分离, 不滑移, 或者接合面不洩漏。在施加外载荷之前,需拧紧螺纹紧固件,以加紧被联接件。称拧紧螺纹紧固件为预紧,称该力为预紧力。

n 仅仅5 –10% 我们所施加的扭矩转化为了我们所需要的预紧力。

螺栓装配工艺

扭矩

贴紧过程

屈服点

弹性变形区塑性变形区

拧断点

扭矩－转角关系图

转角

屈服区

螺栓拧紧曲线

n 目前还没有实现通过直接控制预紧力来装配螺纹联接。

n 通过控制和预紧力相关其它参数(如扭矩, 螺栓头或螺母转角,螺栓伸长量)来达到间接控制预紧力的目的。n 螺栓装配工艺:

l 扭矩控制法l 扭矩－转角控制法

l 屈服点控制法

l 其他控制方

法

理论公式

n A)凯勒尔曼-克莱恩公式,1955年发

表

n B)最小屈服时的最大需用应力计算公式n C)转角紧固关系

公式

屈服前扭矩和预紧力成线性关

系

转角与伸长量成正比

螺纹摩擦影响因子

代号标示具体意义

扭矩控制法

n 广泛被应用常规法,适合多数非关键部位螺纹联接l 优点

操作简单，成本低

拧紧工具相对便宜(如力矩扳手或冲击扳手)

扭矩容易被测量和控制扭矩事后易复检l 缺点

受摩擦因数偏差影响大,获得预紧力离散度大螺栓材料利用率低

扭矩M

M soll

M 1

M max

M min

贴紧扭矩

转角开始测量

最大许用转角

转角ФФmin

Фmax

扭矩M

预紧力Fv

扭矩–预紧力关系图

扭矩–转角关系图

M soll

扭矩－转角控制法

n 汽车工业标准装配工艺之一,适合关键零部件紧固

l 优点

能较准确控制预紧力螺栓材料完全被利用联接的抗疲劳性能好l 缺点

操作较复杂，成本高对拧紧工具要求较高螺栓重复使用受到限制

没有可能对拧紧结果进行事后复检

扭矩M

M 1

M max

M min

贴紧扭矩

转角开始测量

最大许用扭矩

转角Ф

Фmin

Фmax

扭矩–转角关

系图

转角（ｏ）

预紧力(kN)

扭矩(N m )

屈服点控制法

n螺栓拧紧过程中，监控螺栓的扭矩率。当螺栓变形处于弹性变形阶段时，其扭矩率基本保持不变，当螺栓发生塑性变形后，其扭矩率明显下降，当扭矩率下降到一定程度（螺栓屈服）时，停止拧紧。

n理论上完美的拧紧工艺, 适合重要关键零件的紧固

l优点

理论上能很准确控制预紧力

螺栓材料完全被利用

联接的抗疲劳性能好

理论上螺栓的重复使用不受限制

l缺点

操作较复杂，成本高

需要昂贵的评测器材

没有可能对实验结果进行事后复检扭矩M

M

1

M

max

M

min 贴紧扭矩

转角测量开始/扭矩率开始计算

最大许用扭矩

转角Ф

Ф

min

Ф

max

扭矩–转角关系图

停止点

X％

扭矩率

ΔM

ΔФ

最大许用扭矩率

最

大

许

用

转

角