趙峰，羅峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

螺栓預(yù)緊力的選用和螺栓規(guī)格的規(guī)范設(shè)計

趙峰，羅峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

∶隨著工業(yè)發(fā)展的進程越來越快，機械零件的使用越來越多，螺栓作為最常用的連接件，它的使用也分布于各行各業(yè)。然而對于裝配過程中，螺栓聯(lián)接需要多大的預(yù)緊力，選配規(guī)格是否合理，很多人并不了解，文章就針對螺栓預(yù)緊力的選用和螺栓規(guī)格的規(guī)范設(shè)計，做一些介紹和研究。

∶螺栓；螺栓規(guī)格；預(yù)緊力；計算；強度系數(shù)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.081

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

引言

螺栓作為螺紋連接用零件，是最常見的機械聯(lián)接所使用的標準件，廣泛應(yīng)用在各種機械總成件中。由螺栓聯(lián)接組裝成的總成件，一般情況下都是需要擰緊之后才能發(fā)揮作用進行工作。而作為在裝配過程中最重要的螺栓規(guī)格及預(yù)緊力的選用，我們卻很少進行規(guī)范設(shè)計。合理的選配，可以最大效果的發(fā)揮螺栓在裝配件中的作用，最大程度的延長總成件的使用壽命。

無論是作為螺栓，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(yù)緊力過大，使零件的變形量超過零件的屈服極限，零件就會損壞。所以裝配件要長時間穩(wěn)定有效的工作，設(shè)計人員必須對螺栓預(yù)緊力進行規(guī)范設(shè)計。

1、螺栓預(yù)緊力的選用

螺栓作為重要的聯(lián)接件，在總成件安裝時必須擰緊，在聯(lián)接承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加的力就是預(yù)緊力，預(yù)緊的目的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的時候，受到力的作用，各聯(lián)接件之間出現(xiàn)縫隙或相對滑移。所以在總成件的設(shè)計中，必須對預(yù)緊力的大小進行規(guī)范設(shè)計。

1.1合理選用預(yù)緊力

在專業(yè)的螺栓緊固件裝配中，一般都配有標準扳手，不同的直徑規(guī)格的螺栓使用不同長度的扳手，扳手長度為螺栓直徑規(guī)格的15倍左右，在這個基礎(chǔ)上使用專業(yè)的力學(xué)工具可以體現(xiàn)準確的擰緊力矩，達到可量化的預(yù)緊力，對于一些關(guān)鍵件和重要件尤為重要。一旦使用大規(guī)格長扳手擰緊小規(guī)格的螺栓，往往會造成過拉緊，破壞零件本身使整個連接結(jié)構(gòu)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(chǎn)生很大的力，這個力會使得螺栓發(fā)生拉伸變形，經(jīng)計算該應(yīng)力是簡單的軸向拉力的1.3倍，螺栓產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過材料的強度極限時，螺栓就被拉斷了。僅通過操作者的經(jīng)驗進行螺栓的緊固，對于批量生產(chǎn)的產(chǎn)品是非常不科學(xué)的。對于長扳手擰緊小螺栓時，更應(yīng)該注意預(yù)緊力的大小，避免發(fā)生過度預(yù)緊的現(xiàn)象。

使用標準扳手時，實力大小可參照下表：

表1　常用規(guī)格螺栓扳手長度及施加力參考值

1.2常用規(guī)格螺栓的扭矩值

表2列出了部分常用規(guī)格螺栓不同性能等級所對應(yīng)的緊固扭矩值。[2]

表2　常用規(guī)格螺栓（柱）緊固扭矩值

對于設(shè)計人員來說，該連接處的預(yù)緊力需要多大，才能既達到零件的工作要求，又不大于螺栓的安全應(yīng)力，這就需要計算出該處所需的應(yīng)力最小值，以此數(shù)值來選用合適的螺栓緊固件。施加于螺栓緊固件上的預(yù)緊力，上限值取決于螺栓緊固件的屈服極限，下限值取決于滿足工作需要所需提供的最小預(yù)緊力[3]。

2、螺栓規(guī)格的合理選用及設(shè)計計算[4]

2.1選用的重要性

裝配是實現(xiàn)總成件，尤其是大型總成裝配件生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，零部件之間的聯(lián)接通常通過螺栓來實現(xiàn)，尤其是關(guān)鍵部位的螺栓，其聯(lián)接質(zhì)量決定著總成裝配件的可靠性。由于螺栓施加預(yù)緊力的數(shù)值影響了螺紋連接質(zhì)量，在保證采用合適預(yù)緊力裝配的前提下，選用合適的螺栓規(guī)格，非常必要。對于螺栓螺母等緊固件來說，他們的性能參數(shù)都是在一定的的范圍內(nèi)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(guī)格在性能上是否達到工作強度要求，是設(shè)計人員必須考慮的。

2.2計算方法

下面僅以CNG供給系統(tǒng)中一組氣瓶的框架在車架上的連接為例，簡單介紹下螺栓選用是否合理的計算方法。

作為一個供給系統(tǒng)，CNG系統(tǒng)該包括儲氣瓶以及固定框架。針對N3系列車輛，依據(jù)ECE R110法規(guī)要求，整個固定裝置必須保證：運動方向6.6g 6.6 倍的加速度和運動方向垂直的水平方向5g，固定裝置不允許發(fā)生破壞性位移 。為了選配合適的螺栓緊固件規(guī)格，可按照以下步驟進行設(shè)計計算：

裝置參數(shù)：單氣瓶 145L，單重125kg ，充滿氣重155kg，氣瓶支架重315 kg，共八個氣瓶，用24*M14的螺栓固定于車架。

2.2.1計算整個框架（包括加滿氣的氣瓶）的重量

3.2.2計算外面的負荷

式中：K為加速度值；最多是20。

F為摩擦系數(shù)（“連接板－車架”）取常規(guī)值F=0.2

2.2.3計算一個螺紋連接緊固力的負荷

式中：1.2為預(yù)先緊固力的效率

h為螺紋連接（螺栓）的數(shù)量，h=24

2.2.4計算螺栓桿的截面面積

式中d為M14×1.5螺桿的截面直徑，d=14-1.5= 12.5mm=0.0125m

2.2.5計算螺栓桿的抗拉應(yīng)力

2.2.6計算螺栓的緊固力

d0為螺栓的外直徑，d0=12mm

K1為效率（含螺線角及螺紋的摩擦）。一般為K1=0.12

2.2.7計算螺栓桿的應(yīng)力切線

dc為螺栓桿的直徑，dc=14 mm=0.014m

2.2.8計算最大的換算應(yīng)力

2.2.9按照塑性流動計算強度系數(shù)

10.9級M14螺栓的應(yīng)力是900 Mpa，等于91.83×106（Kg/m3）

按照上述的計算程序，可以計算出該處的連接安全系數(shù)為1.21，如果該系數(shù)小于1，就需要選擇強度更大屈服強度更高的螺栓進行匹配。

3、結(jié)語

工業(yè)生產(chǎn)中，螺栓等緊固件的應(yīng)用越來越廣泛，如何保證批量工業(yè)產(chǎn)品的安全可靠性，顯得非常重要。在設(shè)計過程中，準確選用螺栓規(guī)格和預(yù)緊力的大小，可以提高螺栓聯(lián)接總成件的裝配質(zhì)量，減少因產(chǎn)品質(zhì)量問題帶來的損失。對于螺栓預(yù)緊力的計算及控制方法，既需要豐富的經(jīng)驗，也需要認真研究、細心分析，根據(jù)擰緊力矩的計算，實驗數(shù)據(jù)的采集，模擬分析等多種方法綜合考慮，選擇最合適的螺栓規(guī)格和相應(yīng)的預(yù)緊力。實際生產(chǎn)過程中，除了進行必要的設(shè)計計算，還有更多更復(fù)雜的因素要考慮進去，這主要是根據(jù)各行業(yè)產(chǎn)品的特點和工藝實際情況來決定的。

[1] 緊固件標準實施指南.中國標準出版社.

[2] GB/T3098.1-2000 緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱.

[3] GB/T16823.2-1997 螺紋緊固件緊固通則.

[4] 徐灝.新編機械設(shè)計手冊[M].北京:機械設(shè)計出版社,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

趙峰（1983-），男，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事商用汽車底盤設(shè)計方面的研究。