螺釘聯(lián)接的扭力與預(yù)緊力的關(guān)系講解

1、（原創(chuàng)）螺釘聯(lián)接的扭力萬預(yù)緊力的關(guān)系2010-08-2910:46:05|分類：我的論文|標(biāo)簽：螺紋螺釘力矩?cái)Q緊聯(lián)接|舉報(bào)|字號(hào)訂閱1、引言家用電器廠在生產(chǎn)某型產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)批頭、電批套筒或風(fēng)批套筒被打斷的現(xiàn)象。原因是一些重要零部件如發(fā)熱管、R型彈簧等的固定都需要用很大的扭力矩來旋緊螺釘，而批頭、電批套筒或風(fēng)批套筒的極限扭力矩不能達(dá)到螺釘擰緊的擰緊力矩要求，致使其超過能夠承受的最大擰緊力矩而折斷。但是，螺釘?shù)臄Q緊力矩到底需要多大？目前尚沒有一個(gè)確切的或者令人信服的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。|那么，有沒有辦法給定螺釘比較準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)值呢？答案是肯定的。下面以某產(chǎn)品彈性元件固定螺釘PM5X1財(cái)例，來計(jì)算它的擰緊

2、力矩。2、螺紋聯(lián)接的擰緊力矩我們知道，在螺栓聯(lián)接中，只有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力才能保證螺栓可靠聯(lián)接。而預(yù)緊力則是通過控制施加于螺釘?shù)臄Q緊力矩或轉(zhuǎn)角來間接實(shí)現(xiàn)的。但是，螺栓軸力與擰緊力矩之間的對應(yīng)關(guān)系嚴(yán)重地受到摩擦條件的影響。摩擦一方面是螺紋自鎖防松的必要條件，另一方面摩擦消耗大量擰緊力矩（能量）從而影響螺栓軸力。擰緊時(shí)，扳手或電批（風(fēng)批）力矩T用于克服螺紋副的螺紋阻力矩及螺母與被聯(lián)接件（或墊圈）支承面間的端面摩擦力矩T2。即T=T1+T2=KF。d(Nmm)d螺紋公稱直徑(mm)Fo預(yù)緊力（N）K擰緊力矩系數(shù)（無量綱）其中，K值與螺紋中徑、螺紋開角、螺紋當(dāng)量摩擦系數(shù)、螺母與被聯(lián)接件支承面間的摩擦系數(shù)有關(guān)

3、。而這些參數(shù)的取值都比較復(fù)雜。要準(zhǔn)確地計(jì)算出K值，就要通過針對性的試驗(yàn)，同時(shí)測得預(yù)緊力和緊固扭矩才能間接獲得擰緊力矩系數(shù)K值。一般情況下，在各種條件下的K值，可參考下表中的數(shù)據(jù)。擰緊力矩系數(shù)K摩擦表面狀態(tài)K值有潤滑無潤滑精加工表面0.100.12一般加工表面0.13-0.150.18-0.21表面氧化0.200.24鍍鋅0.180.22干燥加工表面0.26-0.30本例中，因?yàn)闆]有具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，K按上表取值。由于螺釘擰緊在發(fā)熱盤鋁合金基材上，鋁合金的硬度較低，摩擦力較大。故按干燥加工表面無潤滑取值，則K值的取值范圍是0.260.30,取最小值K=0.26。螺紋聯(lián)接的預(yù)緊力螺紋聯(lián)接預(yù)緊力的大小

4、，要根據(jù)螺釘組受力和聯(lián)接的工作要求決定。設(shè)計(jì)時(shí)首先要保證所需的預(yù)緊力，又不應(yīng)使聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺寸過大。一般規(guī)定擰緊后螺紋聯(lián)接件的預(yù)緊力不得大于其材料屈服強(qiáng)度os的80%。對于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓，推薦的預(yù)緊力限值如下：碳素鋼螺釘F0=(0.60.7)osAs(N)合金鋼螺釘F0=(0.50.6)osAs(N)式中os螺釘材料的屈服強(qiáng)度（MPa）彈性元件固定螺釘是PM5X10材料是SWRCH18A，類似于國產(chǎn)20#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，性能等級若按4.8級取值，其公稱屈服強(qiáng)度os=320Mpa0As螺紋公稱應(yīng)力截面積mm2。A=-2s42式中d2外螺紋中徑mmd3螺紋的計(jì)算直徑，d3=d1-H/6,其中H

5、為螺紋原始三角形高度mmod1外螺紋小徑mm查GB196-81普通螺紋基本尺寸，PM5X1螺釘?shù)耐饴菁y小徑d1=4.134mm,中徑d2=4.480mm,螺距p=0.8mm,螺紋原始三角形高度H=0.866025404P=0.6928203232mm,所以，d3=d1-H/6=4.134-0.6928203232/6=4.01852994613mm由此，螺紋的公稱應(yīng)力截面積As為A=-(1)2?42員4.480+4.01852994613、2=-()J42=14.174mm2Fo=(0.60.7)dsAs=(0.60.7)X320義14,174=2721.4083174.976(N),取最小值

6、F。=2721.408(N)PM5X108紋的擰緊力矩：T=KF0d=0.26義2721.408X5=3537.3(Nmm)°3.5373(Nm)預(yù)緊力的大小，除了受限于螺釘材料的強(qiáng)度外，還受限于被聯(lián)接件的材料強(qiáng)度。當(dāng)內(nèi)外螺紋的材料相同時(shí)，只校核外螺紋強(qiáng)度即可。對于旋合長度較短、非標(biāo)準(zhǔn)螺紋零件構(gòu)成的聯(lián)接、內(nèi)外螺紋材料的強(qiáng)度相差較大的受軸向載荷的螺紋聯(lián)接，還應(yīng)校核螺紋牙的強(qiáng)度。如某型產(chǎn)品彈性元件的固定，因螺釘連接的基材是壓鑄鋁合金YL113,其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20的強(qiáng)度，就應(yīng)校核鋁合金上螺紋牙型的強(qiáng)度，主要是螺紋材料的剪應(yīng)力及彎應(yīng)力。螺紋牙型的剪應(yīng)力及彎應(yīng)力按如下公式進(jìn)行校核：

7、彎應(yīng)力:式中Fw最大軸向外荷載，本例中即預(yù)緊力F0（N）D內(nèi)螺紋大徑（mm）b螺紋牙根部寬度（mm）b=0.87p=0.87x0.8=0.696mmkz載何不均勻系數(shù)對于本例外螺紋為鋼，內(nèi)螺紋為鋁合金的螺紋聯(lián)接，d/p=5/0.8=6.25<8,故=6p/d=0.96h螺紋牙的工作高度，為螺紋原始三角形高度H的5/8,即h=5H/8=-X0.866025404P=0.54126587布=0.443mmz螺紋牙數(shù)。本例中，螺釘長度=10mm,彈簧墊圈、平墊片及R型彈簧的總厚度4mm,螺紋的旋合長度是10-4=6mm。螺距p=0.8mm,螺紋的牙數(shù)z=6/0.8=7.5,取z=7。注：螺紋在

8、鋁合金中的擰入深度即旋合長度應(yīng)為（1.52.5）d，照此計(jì)算，本例中旋合長度應(yīng)為915mm,而實(shí)際長度是6mm，似太短。Tr螺紋牙型的剪切許用應(yīng)力，Mpa0口=0no螺紋牙型的抗彎許用應(yīng)力，me處nn材料的安全系數(shù)。對于在交變載荷作用下的彈性元件（反復(fù)加熱一一冷卻過程中產(chǎn)生的載荷），其固定螺絲也受交變載荷的影響，其安全系數(shù)n=1.22.0,取較大值，則n=2.0。YL113能夠查到的性能參數(shù)是：抗拉強(qiáng)度加230Mpa,伸長率1%。無疲勞極限和剪切強(qiáng)度。一般伸長率要控制在0.5%以內(nèi)，os按g/2取值（因拉壓力試驗(yàn)機(jī)上沒有用于拉伸試驗(yàn)的夾具，所以os按此取值），約為115Mpa。從鋁合金基材上截

9、取一塊試樣，制作成三塊截面為5.0X5.0mm勺試件（第一次試驗(yàn)的試件截面尺寸是10.0x5.0mm,因拉壓力試驗(yàn)機(jī)的最大壓力達(dá)不到試件剪切所需的荷重而將截面減?。┰诶瓑毫υ囼?yàn)機(jī)上做剪切試驗(yàn)，得到Y(jié)L113的平均剪切強(qiáng)度rj為107.2Mpa。于是：ri%107.2t=53.6Mpan2,<5,115o=57*5Mpan2.0國2721.408fMpat=-=-=37.061Mpa宅工=53.6knDbz0.96x3.14x5x0.696x73Fwh3x2721.408x0.443K71Db2z0.96X3.14x5x0.6962x7=70.767Mpao=57.5Mpa上述計(jì)算說明，按

10、螺釘?shù)牟牧嫌?jì)算的預(yù)緊力緊固螺紋時(shí)（此時(shí)的擰緊力矩即為3.5373N-m）,螺紋牙型承受的剪切應(yīng)力小于許用剪切壓力，即在這種情況下，螺紋牙型的剪切強(qiáng)度是足夠的。但螺紋的彎應(yīng)力遠(yuǎn)超其抗彎許用應(yīng)力，其抗彎應(yīng)力嚴(yán)重不足！因此，需按螺紋牙型的許用彎應(yīng)力計(jì)算螺釘?shù)念A(yù)緊力。(N)WF戶2721.408'awKvDb2z57.5x0.96x314x5x0,6962x7F小=火工=2211.23h3x0.443由此推出螺釘在螺紋許用彎應(yīng)力下的擰緊力矩應(yīng)為T=KF。d=KFwd=0.26X2211.2X5=2874.56(Nmm)=2.88(Nm)<3.5373(Nm)以上按螺釘材料的疲勞強(qiáng)度、鋁合

11、金上螺紋牙型的抗彎許用應(yīng)力計(jì)算出螺釘?shù)臄Q緊力矩，分別是3.5373N-m和2.88N-m,應(yīng)取最小值2.88N-m。SOP上規(guī)定的彈性元件的扭矩范圍是2.072.52Nm，小于上述計(jì)算值2.88N-m，似嫌小。家用電器統(tǒng)一使用HIOSCL-6500PS電批，其扭矩范圍是0.31.6Nm,顯然小于2.072.52Nm0所以在打R型彈簧螺絲的工位不能使用HIOSCL-6500PS電批。選用好幫手PRO-T55LB風(fēng)批，其扭矩范圍0.76.5Nm；可以滿足使用要求。3、影響螺釘擰緊力矩的其它因素除了風(fēng)批的扭矩范圍要滿足螺釘?shù)臄Q緊力矩外，批頭能夠承受的扭矩及螺釘頭部的形狀對螺釘擰緊力矩的影響也非常重要

12、，不可忽視。本例中，批頭的最大扭矩應(yīng)不小于3.0Nmo前期我們沒有注意到這個(gè)因素，用普通批頭，結(jié)果出現(xiàn)了很多批頭被打斷的現(xiàn)象。固定彈性元件的螺釘是十字槽盤頭螺釘，螺釘頭部的十字槽能夠承受的扭矩較小，在如此大的扭矩下，容易將十字槽打滑槽。這就是為什么我們有許多螺釘滑槽的原因。如果產(chǎn)品結(jié)構(gòu)允許，建議將十字槽加深，或采用十字槽六角頭螺釘，用風(fēng)批套筒固定，可以有效地避免滑槽的產(chǎn)生如果必須按螺釘材料的強(qiáng)度確定擰緊力矩，因?yàn)殇X合金基材上螺紋的抗彎應(yīng)力不夠，就必須增加螺釘?shù)拈L度以增加其旋合長度，即增加參與緊固的螺紋牙數(shù)，以達(dá)到分散發(fā)熱盤上螺紋牙受力的目的，從而降低螺紋牙承受的彎應(yīng)力0|4、溫度對螺紋聯(lián)接預(yù)緊

13、力的影響在高溫下工作的螺紋聯(lián)接，還要考慮溫差載荷、螺釘和被聯(lián)接件機(jī)械性能的變化、應(yīng)力松弛等因素的影響。當(dāng)螺釘和被聯(lián)接件的線膨脹系數(shù)不同，或工作溫度不同，或者兩者不同時(shí)，由于熱變形不一致而使螺釘受到額外的溫差載荷。家用電器在頻繁地加熱-冷卻過程中，螺釘因溫差載荷的影響會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，從而使聯(lián)接的緊固作用減小。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須使剩余預(yù)緊力始終大于所要求的值，以保證聯(lián)接的緊固與緊密o|5、總結(jié)一般情況下，螺栓的擰緊力矩與預(yù)緊力可參考國標(biāo)快速查找（如附表）。但是，對于安全性能要求很高的家用電器，就要準(zhǔn)確地確定出螺釘?shù)臄Q緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系，其關(guān)鍵任務(wù)就是要獲得準(zhǔn)確的擰緊力矩系數(shù)K的值。而要取得準(zhǔn)確的K值

14、，就必須對每一種具體的螺釘進(jìn)行獰緊力矩一一預(yù)緊力”試驗(yàn)。在獲得準(zhǔn)確的K值后，才能放心地確定生產(chǎn)裝配過程中需要的擰緊力矩值，而不是僅憑手感覺”的方法來確定螺釘是否擰緊，因?yàn)槭謩?dòng)擰緊螺釘時(shí)產(chǎn)生的擰緊力矩大小因人而異，靠感覺不能準(zhǔn)確地判斷螺釘?shù)乃删o。附表：螺栓標(biāo)準(zhǔn)擰緊力矩及預(yù)緊力速查表螺栓直徑DIH2G性肯囑級（螺栓強(qiáng)度等皴）3.65.66.98.S10.912.9M(TWT1)Fv(N5fZn)Na(Nth)F*頒g(He)FvCN)。（Mm）iMn)M#(Um)Fu(N)Mn仆Im)M22550.13450.157100.3B350.351,1700.51,4150.6M2,54850.266550.351.3100.711,5500.S3X180MS2,6201.4M36300.371,0500.62hTOO0.992r250L33,150L9xsoo2.2H3.5E&00.57L4000.952,2501.53,000212502.95,1003.4M4M51100L8U05851