螺钉联接扭力与预紧力关系讲解实用.docx

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螺钉联接扭力与预紧力关系讲解实用

（原创）螺钉联接的扭力与预紧力的关系

2010-08-2910:

46:

05|分类：

我的论文|标签：

螺纹螺钉力矩拧紧联接|举报|字号订阅

1、序言

家用电器厂在生产某型产品时，经常出现批头、电批套筒或风批套筒被打

断的现象。

原因是一些重要零部件如发热管、R型弹簧等的固定都需要用很大的

扭力矩来旋紧螺钉，而批头、电批套筒或风批套筒的极限扭力矩不能够达到螺钉拧紧的拧紧力矩要求，致使其高出能够承受的最大拧紧力矩而折断。

但是，螺钉的

拧紧力矩终究需要多大？

目前尚没有一个确实的也许令人佩服的标准来衡量。

那么，有没有方法给定螺钉比较正确的标准值呢？

答案是必定的。

下面以某产品弹性元件固定螺钉PM5×10为例，来计算它的拧紧力矩。

2、螺纹联接的拧紧力矩

我们知道，在螺栓联接中，只有合适的预紧力才能保证螺栓可靠联接。

而

预紧力则是经过控制施加于螺钉的拧紧力矩或转角来间接实现的。

但是，螺栓轴力与拧紧力矩之间的对应关系严重地碰到摩擦条件的影响。

摩擦一方面是螺纹自锁防松的必要条件，另一方面摩擦耗资大量拧紧力矩（能量）从而影响螺栓轴

力。

拧紧时，扳手或电批（风批）力矩T用于战胜螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺

母与被联接件（或垫圈）支承面间的端面摩擦力矩T2。

即

T=T1+T2=KF0d（N·mm）

d——螺纹公称直径（mm）

F0——预紧力（N）

K——拧紧力矩系数（无量纲）

其中，K值与螺纹中径、螺纹升角、螺纹当量摩擦系数、螺母与被联接件

支承面间的摩擦系数有关。

而这些参数的取值都比较复杂。

要正确地计算出K

值，就要经过针对性的试验，同时测得预紧力和紧固扭矩才能间接获取拧紧力矩系数K值。

一般情况下，在各种条件下的K值，可参照下表中的数据。

拧紧力矩系数K

K值

摩擦表面状态

有润滑

无润滑

精加工表面

一般加工表面

表面氧化

镀锌

干燥加工表面

——

本例中，由于没有详尽的实验参数，K按上表取值。

由于螺钉拧紧在发热盘铝合金基材上，铝合金的硬度较低，摩擦力较大。

故按干燥加工表面无润滑取值，则K值的取值范围是0.26～0.30，取最小值K=0.26。

螺纹联接的预紧力

螺纹联接预紧力的大小，要依照螺钉组受力和联接的工作要求决定。

设计

时第一要保证所需的预紧力，又不应使联接的结构尺寸过大。

一般规定拧紧后螺

纹联接件的预紧力不得大于其资料信服强度σs的80%。

对于一般联接用的钢制

螺栓，介绍的预紧力限值以下：

碳素钢螺钉F

0

=（

）σA

s

（N）

s

合金钢螺钉F0=（）σsAs（N）

式中σs——螺钉资料的信服强度（MPa）

弹性元件固定螺钉是PM5×10，资料是SWRCH18A，近似于国产20#优秀碳素结构钢，性能等级若按4.8级取值，其公称信服强度σs=320Mpa。

As——螺纹公称应力截面积mm2。

式中d2——外螺纹中径mm

d3——螺纹的计算直径，d3=d1-H/6，其中H为螺纹原

始三角形高度mm。

d1——外螺纹小径mm

查GB196-81《一般螺纹基本尺寸》，PM5×10螺钉的外螺纹小径d1

=4.134mm，中径d2，螺距，螺纹原始三角形高

度，

因此，d3=d1

。

由此，螺纹的公称应力截面积As为

F

0

=（

）σAs=（

）×320

×14.174=2721.408～

s

（N），取最小值F0

（N）

PM5×10螺纹的拧紧力矩：

T=KF0d

××5

=3537.3（N·mm）

≈3.5373（N·m）

预紧力的大小，除了受限于螺钉资料的强度外，还受限于被联接件的资料强度。

当内外螺纹的资料相同时，只校核外螺纹强度即可。

对于旋合长度较短、非标准螺纹部件构成的联接、内外螺纹资料的强度相差较大的受轴向载荷的螺纹联接，还应校核螺纹牙的强度。

如某型产品弹性元件的固定，因螺钉连接的基材是压铸铝合金YL113，其强度远低于优秀碳素结构钢20的强度，就应校核铝

合金上螺纹牙型的强度，主若是螺纹资料的剪应力及弯应力。

螺纹牙型的剪应力及弯应力按以下公式进行校核：

式中Fw——最大轴向外荷载，本例中即预紧力F0（N）

D——内螺纹大径（mm）

b——螺纹牙根部宽度（mm）

×

kz——载荷不平均系数

对于本例外螺纹为钢，内螺纹为铝合金的螺纹联接，

＜8，故。

h——螺纹牙的工作高度，为螺纹原始三角形高度H的5/8，即

z——螺纹牙数。

本例中，螺钉长度=10mm，弹簧垫圈、平垫

片及R型弹簧的总厚度4mm，螺纹的旋合长度是10-4=6mm。

螺距

p=0.8mm，螺纹的牙数，取z=7。

[注：

螺纹在铝合金中的拧

入深度即旋合长度应为（1.5～2.5）d，照此计算，本例中旋合长度应为

9～

15mm，而本质长度是6mm，似很短]。

n——资料的安全系数。

对于在交变载荷作用下的弹性元件（反

复加热——冷却过程中产生的载荷），其固定螺丝也受交变载荷的影响，其安

全系数n=1.2～2.0，取较大值，则n=2.0。

YL113能够查到的性能参数是：

抗拉强度σb≥230Mpa，伸长率1%。

无疲倦极限和剪切强度。

一般伸长率要控制在0.5%以内，σs按σb/2取值（因

拉压力试验机上没适用于拉伸试验的夹具，因此σs按此取值），约为115Mpa。

从铝合金基材上截取一块试样，制作成三块截面为5.0×的试件（第一次试验的试件截面尺寸是10.0×5.0mm，因拉压力试验机的最大压力达不到试件剪切所需的荷重而将截面减小）在拉压力试验机上做剪切试验，获取YL113的平均剪切强度τj为107.2Mpa。

于是：

上述计算说明，按螺钉的资料计算的预紧力紧固螺纹时（此时的拧紧力矩

即为·m），螺纹牙型承受的剪切应力小于许用剪切压力，即在这种

情况下，螺纹牙型的剪切强度是足够的。

但螺纹的弯应力远超其抗弯许用应力，

其抗弯应力严重不足！

因此，需按螺纹牙型的许用弯应力计算螺钉的预紧力。

即：

由此推出螺钉在螺纹许用弯应力下的拧紧力矩应为：

T=KF0d

=KFwd

××5

=2874.56（N·mm）

≈（N·m）≤3.5373（N·m）

以上按螺钉资料的疲倦强度、铝合金上螺纹牙型的抗弯许用应力计算出螺

钉的拧紧力矩，分别是·m和·m，应取最小值·m。

SOP上规定的弹性元件的扭矩范围是2.07～m·，小于上述计算

值·m，似嫌小。

家用电器一致使用

HIOSCL-6500PS

电批，其扭矩范围是

0.3～

N·m，显然小于

～

m·。

因此在打

R型弹簧螺丝的工位不能够使用

HIOSCL-6500PS

电批。

采用好帮手

PRO-T55LB

风批，其扭矩范围

0.7～

6.5N

m·，能够满足使用要求。

3、影响螺钉拧紧力矩的其他因素

除了风批的扭矩范围要满足螺钉的拧紧力矩外，批头能够承受的扭矩及螺钉头部的形状对螺钉拧紧力矩的影响也特别重要，不能忽视。

本例中，批头的最大扭矩应不小于3.0N·m。

先期我们没有注意到这个因素，用一般批头，结果出现了好多批头被打断的现象。

固定弹性元件的螺钉是十字槽盘头螺钉，螺钉头部的十字槽能够承受的扭

矩较小，在这样大的扭矩下，简单将十字槽打滑槽。

这就是为什么我们有好多螺钉滑槽的原因。

若是产品结构赞同，建议将十字槽加深，或采用十字槽六角头螺钉，用风批套筒固定，能够有效地防备滑槽的产生。

若是必定按螺钉资料的强度确定拧紧力矩，由于铝合金基材上螺纹的抗弯

应力不够，就必定增加螺钉的长度以增加其旋合长度，即增加参加紧固的螺纹牙

数，以达到分别发热盘上螺纹牙受力的目的，从而降低螺纹牙承受的弯应力。

4、温度对螺纹联接预紧力的影响

在高温下工作的螺纹联接，还要考虑温差载荷、螺钉和被联接件机械性能

的变化、应力废弛等因素的影响。

当螺钉和被联接件的线膨胀系数不相同，或工作温度不相同，也许两者不相同时，由于热变形不一致而使螺钉碰到额外的温差载荷。

家用电器在频频地加热-冷却过程中，螺钉因温差载荷的影响会产生松动，从而

使联接的紧固作用减小。

因此，在设计时必定使节余预紧力向来大于所要求的值，以保证联接的紧固与亲密。

5、总结

一般情况下，螺栓的拧紧力矩与预紧力可参照国标快速查找（如附表）。

但是，对于安全性能要求很高的家用电器，就要正确地确定出螺钉的拧紧力矩与

预紧力的关系，其要点任务就是要获取正确的拧紧力矩系数K的值。

而要获取

正确的K值，就必定对每一种详尽的螺钉进行“拧紧力矩——预紧力”试验。

在

获取正确的K值后，才能放心地确定生产装置过程中需要的拧紧力矩值，而不

是仅凭手“感觉”的方法来确定螺钉可否拧紧，由于手动拧紧螺钉时产生的拧紧

力矩大小因人而异，靠感觉不能够正确地判断螺钉的松紧。

附表：

螺栓标准拧紧力矩及预紧力速查表

注：

本文可是提出了获取螺钉拧紧力矩与预紧力之间关系的方法，文中的

计算数值可是四月雨大概计算得出的，仅作参照。