1、螺紋扭緊力矩設計螺紋扭緊力矩設計目目 錄錄一、螺紋連接扭緊力矩不當引發的后果一、螺紋連接扭緊力矩不當引發的后果二、螺紋連接扭緊力矩設計理論分析二、螺紋連接扭緊力矩設計理論分析三、三、K K方法設計扭緊力矩方法設計扭緊力矩一、螺紋連接扭緊力矩不當引發的后果一、螺紋連接扭緊力矩不當引發的后果 整車設計中，螺紋聯接質量的重要性已引起廣泛的整車設計中，螺紋聯接質量的重要性已引起廣泛的重視。螺紋聯接的質量是保證整車質量的基礎。絕大重視。螺紋聯接的質量是保證整車質量的基礎。絕大多數螺紋在聯接時都要施加扭緊力矩預緊，目的在于多數螺紋在聯接時都要施加扭緊力矩預緊，目的在于增強聯接的剛性、緊密性、防松及防滑。扭

2、緊力矩的增強聯接的剛性、緊密性、防松及防滑。扭緊力矩的適當控制又是確保螺紋聯接質量的關鍵。因為螺紋聯適當控制又是確保螺紋聯接質量的關鍵。因為螺紋聯接的扭緊力矩將對螺紋的總載荷、聯接的臨界載荷、接的扭緊力矩將對螺紋的總載荷、聯接的臨界載荷、抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產生影響。抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產生影響。過大或過小的預緊力均是有害的，所以預緊力的大小、過大或過小的預緊力均是有害的，所以預緊力的大小、準確度都十分重要。從而使扭緊力矩的設計成為螺紋準確度都十分重要。從而使扭緊力矩的設計成為螺紋聯接的重要問題之一。聯接的重要問題之一。 、螺紋聯接零件的靜力破壞、螺紋聯接零件的

3、靜力破壞 若螺紋緊固件擰得過緊，即扭緊力矩過大，則螺栓若螺紋緊固件擰得過緊，即扭緊力矩過大，則螺栓可能被擰斷，聯接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能可能被擰斷，聯接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能螺紋牙被剪斷而脫扣。螺紋牙被剪斷而脫扣。 、被聯接件滑移、分離或緊固件松脫、被聯接件滑移、分離或緊固件松脫 對于承受橫向載荷的普通螺栓聯接，扭緊力矩使對于承受橫向載荷的普通螺栓聯接，扭緊力矩使被聯接件間產生正壓力，依靠摩擦力抵抗外載荷，因此，被聯接件間產生正壓力，依靠摩擦力抵抗外載荷，因此，預緊力的大小決定了它的承受能力。若預緊力不足，被聯預緊力的大小決定了它的承受能力。若預緊力不足，被聯接件將出現

4、滑移，從而導致被聯接件錯位、歪斜、折皺，接件將出現滑移，從而導致被聯接件錯位、歪斜、折皺，甚至緊固件被剪斷。甚至緊固件被剪斷。 對于受軸向載荷的螺栓聯接，扭緊力矩使接合面上產對于受軸向載荷的螺栓聯接，扭緊力矩使接合面上產生壓緊力，受外載荷作用后的剩余預緊力是接合面上工作生壓緊力，受外載荷作用后的剩余預緊力是接合面上工作時的壓緊力。預緊力不足將會導致接合面泄漏，如發動機時的壓緊力。預緊力不足將會導致接合面泄漏，如發動機漏氣等，甚至導致被聯接件分離。預緊力不足還將引起強漏氣等，甚至導致被聯接件分離。預緊力不足還將引起強烈的橫向振動，致使螺母松脫。烈的橫向振動，致使螺母松脫。 、螺栓疲勞破壞、螺栓疲

5、勞破壞 大多數螺栓因疲勞而失效。減小預緊力雖然大多數螺栓因疲勞而失效。減小預緊力雖然能使螺栓上循環變化的總載荷的平均值減小，但卻使能使螺栓上循環變化的總載荷的平均值減小，但卻使載荷變幅增大，因此，總的效果大多數是使螺栓疲勞載荷變幅增大，因此，總的效果大多數是使螺栓疲勞壽命下降。壽命下降。 二、螺紋連接扭緊力矩設計理論分析二、螺紋連接扭緊力矩設計理論分析、槽面摩擦、槽面摩擦 如圖所示：楔形滑塊放在槽面中，槽面的如圖所示：楔形滑塊放在槽面中，槽面的夾角為夾角為 。Q Q為作用在滑塊的垂直載荷（含滑塊重為作用在滑塊的垂直載荷（含滑塊重量），量），P P為推動滑塊沿著槽面向右運動的水平力，為推動滑塊沿

6、著槽面向右運動的水平力，N21N21為槽的每一側面給滑塊的反向力，為槽的每一側面給滑塊的反向力，F21F21等于每一個等于每一個側面的摩擦力。側面的摩擦力。圖由：由：F21F21fN21fN21P P2F212F21fN21fN21Q Q2N21sin 2N21sin 得知：得知：P PfrQfrQ其中：其中：fr frf fsin sin fr fr稱為當量摩擦系數。而與之相應的摩擦角稱為當量摩擦稱為當量摩擦系數。而與之相應的摩擦角稱為當量摩擦角，用角，用 表示，則表示，則 =arctgfr,=arctgfr,由于由于 9090度，因而度，因而sin sin 1.1.故故frffrf。因此在

7、其它條。因此在其它條件相同的情況下，槽面的摩擦系數大于平面摩擦，所以件相同的情況下，槽面的摩擦系數大于平面摩擦，所以在一些需要摩擦力來工作的地方，可將平面摩擦改為槽在一些需要摩擦力來工作的地方，可將平面摩擦改為槽摩擦。三角螺紋聯結就是此理論的應用實例。摩擦。三角螺紋聯結就是此理論的應用實例。、三角螺紋中的摩擦、三角螺紋中的摩擦三角螺紋螺旋副中摩擦相當于斜面摩擦。三角螺紋三角螺紋螺旋副中摩擦相當于斜面摩擦。三角螺紋螺旋可以設想是有一斜面卷繞在圓柱面上形成的，這個螺旋可以設想是有一斜面卷繞在圓柱面上形成的，這個圓柱的中徑為圓柱的中徑為d這個螺旋沿這個螺旋沿d 展開成一個斜面，以展開成一個斜面，以表

8、表示該斜面的螺旋升角，則示該斜面的螺旋升角，則tg=l/d2=zt/d2式中：式中：l螺紋導程；螺紋導程； z 螺紋頭數；螺紋頭數； t 螺距螺距。圖在圖在圖2(a)2(a)中，中，l l為螺桿為螺桿2 2為螺母。螺母上受有軸向載荷為螺母。螺母上受有軸向載荷Q Q。現在。現在螺母上加一力距螺母上加一力距 MM使螺母逆著使螺母逆著Q Q力等速向上運動力等速向上運動( (對螺紋聯接來說，對螺紋聯接來說，相當于擰緊螺母相當于擰緊螺母) )。如圖。如圖2(b)2(b)所示，就相當于在滑塊所示，就相當于在滑塊2 2上加一水平力上加一水平力P P，使滑塊使滑塊2 2沿著斜面等速向上滑動。斜槽面的夾角等于沿

9、著斜面等速向上滑動。斜槽面的夾角等于2 2 ( ( = 90 = 90 ）。）。 稱為牙形半角稱為牙形半角) )。則。則 fv=ffv=fsin(90sin(90 )=f)=fcos cos ， =arctgfv=arctgfv。則則P=Qtg(P=Qtg(+ )+ )，P P相當于擰緊螺母時在螺紋中徑處施加的圓周相當于擰緊螺母時在螺紋中徑處施加的圓周力，其對螺旋軸心線的力矩即為擰緊螺母時所需的力矩力，其對螺旋軸心線的力矩即為擰緊螺母時所需的力矩 ，故，故M=Pd2/2=d2Qtg(M=Pd2/2=d2Qtg(+ )+ )2 2。當螺母順著。當螺母順著Q Q力的方向等速向下運動力的方向等速向下

10、運動( (相當于防松螺母相當于防松螺母) )，相當于滑塊，相當于滑塊2 2沿著斜面等速下滑。在螺紋中徑處沿著斜面等速下滑。在螺紋中徑處施加的圓周力施加的圓周力P =Qtg(P =Qtg(- ) ) ) )，防松螺母所需要的力矩，防松螺母所需要的力矩M M =Pd2/2=d2Qtg(=Pd2/2=d2Qtg(- )- )2 2 。就是防松螺母所需外加的驅動力矩。就是防松螺母所需外加的驅動力矩。圖圖、預緊力、預緊力p p的確定的確定 螺紋的預緊力要根據外載荷確定：螺紋在承受外力前，螺紋螺紋的預緊力要根據外載荷確定：螺紋在承受外力前，螺紋中承受了預拉力中承受了預拉力p p，這個預緊力就是由螺紋的擰緊

11、力矩產生的，也就，這個預緊力就是由螺紋的擰緊力矩產生的，也就是前面推導公式過程中的軸向力是前面推導公式過程中的軸向力Q Q。圖。圖4(a)4(a)所示，由于有預拉力所示，由于有預拉力Q Q，板層之間則有壓力板層之間則有壓力C C，而，而P P與與c c保持平衡。當對螺栓施加外拉力保持平衡。當對螺栓施加外拉力NlNl，則，則螺栓桿在板層之間的壓力未完全消失前被拉長，此時螺桿中拉力增螺栓桿在板層之間的壓力未完全消失前被拉長，此時螺桿中拉力增量為量為 p p，同時把壓緊的板件拉松，使壓力，同時把壓緊的板件拉松，使壓力C C減少減少 C(C(見圖見圖4(b)4(b)。圖圖 計算表明，當加于螺桿上的外拉

12、力計算表明，當加于螺桿上的外拉力N N=0=08P8P時。時。螺桿內拉力的增加很少，因此可認為此時螺桿的預拉力螺桿內拉力的增加很少，因此可認為此時螺桿的預拉力基本不變。同時由實驗得知，當外加拉力大于螺桿的預基本不變。同時由實驗得知，當外加拉力大于螺桿的預拉力時，卸荷后螺桿中的預拉力會變小，即發生松弛現拉力時，卸荷后螺桿中的預拉力會變小，即發生松弛現象。但當外加拉力小于螺桿預拉力的象。但當外加拉力小于螺桿預拉力的8080時，即無松弛時，即無松弛現象發生。也就是說，被連接板件接觸面間仍能保持一現象發生。也就是說，被連接板件接觸面間仍能保持一定的壓緊力，可以假定整個板面始終處于緊密接觸狀態。定的壓緊

13、力，可以假定整個板面始終處于緊密接觸狀態。但上述取值沒有考慮杠桿作用而引起的撬力影響。實際但上述取值沒有考慮杠桿作用而引起的撬力影響。實際上這種杠桿作用存在于所有螺栓的抗拉聯接中。研究表上這種杠桿作用存在于所有螺栓的抗拉聯接中。研究表明，當外拉力明，當外拉力N10.5PN10.5P時，不出現撬力。因此可以根據時，不出現撬力。因此可以根據螺紋實際工作中所承受的外載荷來確定螺紋的預拉力，螺紋實際工作中所承受的外載荷來確定螺紋的預拉力，即至少應當是外力的即至少應當是外力的2 2倍。倍。三、三、K K方法設計扭緊力矩方法設計扭緊力矩、摩擦系數、摩擦系數k：緊固件頭部或螺母與接觸面的摩擦系數：緊固件頭部

14、或螺母與接觸面的摩擦系數g：螺紋摩擦系數：螺紋摩擦系數零件的零件的kk及及gg潤滑條件潤滑條件緊固件的緊固件的kk及及gg鋼（油淬或磷化）鋼（油淬或磷化）鋼鋼滾軋滾軋車削車削電鍍鋅電鍍鋅6m6m鋼鋼軋制軋制輕微潤滑輕微潤滑0.12-0.190.12-0.190.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18刨、銑、車、切刨、銑、車、切0.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18磨磨0.16-0.220.16-0.220.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18鍍鎘鍍鎘6m6m0.08-0.160.08-0.160.0

15、8-0.160.08-0.16鍍鋅鍍鋅6m6m0.10-0.180.10-0.180.10-0.160.10-0.160.16-0.200.16-0.20鍍鋅內螺紋鍍鋅內螺紋0.10-0.180.10-0.18滾壓后磷化滾壓后磷化0.12-0.200.12-0.20機加工后磷化機加工后磷化0.10-0.180.10-0.18灰鑄鐵灰鑄鐵刨、銑、車、切刨、銑、車、切全黑可鍛鑄鐵全黑可鍛鑄鐵磨磨0.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0.18鋁鎂合金特殊加工鋁鎂合金特殊加工0.16-0.220.16-0.220.10-0.180.10-0.180.10-0.180.10-0

16、.18零件的零件的kk及及gg潤滑條件潤滑條件緊固件的緊固件的kk及及gg鋼（油淬或磷化）鋼（油淬或磷化）鋼鋼滾軋滾軋車削車削電鍍鋅電鍍鋅6m6m鋼鋼鍍鎘鍍鎘6m6m干干0.08-0.160.08-0.16鍍鎘內螺紋鍍鎘內螺紋0.08-0.140.08-0.14鍍鋅鍍鋅6m6m0.10-0.180.10-0.180.20-0.300.20-0.30鍍鋅內螺紋鍍鋅內螺紋0.08-0.160.08-0.160.12-0.200.12-0.20注意：柔性螺栓等特種螺栓及鎖緊螺母等連接注意：柔性螺栓等特種螺栓及鎖緊螺母等連接按其專用技術規范扭緊。按其專用技術規范扭緊。、連接軸向預緊力、連接軸向預緊力F

17、spFsp計算公式：計算公式：Fspmax0.196（d2d3）20.90.2/14.86(p+ g3.63d)/(d2+d3) 20.5式中：式中： Fsp連接軸向預緊力連接軸向預緊力 d2螺紋中徑螺紋中徑d3螺紋內徑螺紋內徑0.2緊固件材料緊固件材料0.2%屈服強度（低強度材料可用屈服強度屈服強度（低強度材料可用屈服強度s代替）代替）P螺距螺距g螺紋摩擦系數螺紋摩擦系數注：此公式只適用于正確強度匹配的螺紋組且螺母至少大于注：此公式只適用于正確強度匹配的螺紋組且螺母至少大于0.8d0.8d螺紋緊固件的屈服強度（螺紋緊固件的屈服強度（Mpa）機械性能機械性能3.63.64.64.64.84.8

18、5.65.65.85.86.86.88.88.810.910.912.912.9屈服強度屈服強度ss1801802402403203203003004004004804802%2%屈服強度屈服強度0.20.2640640900900108010802%2%屈服強度屈服強度0.20.2：引起：引起0.2%0.2%永久變形的應力永久變形的應力、K K值的選取值的選取緊固件頭部或螺母與支撐面的摩擦系數緊固件頭部或螺母與支撐面的摩擦系數0.040.040.060.060.080.080.10.10.120.120.140.140.160.160.180.180.20.20.240.240.280.28

19、螺紋螺紋摩擦摩擦系數系數gg0.080.080.0940.0940.1080.1080.120.120.1340.1340.1480.1480.1620.1620.1760.1760.190.190.2040.2040.2320.2320.260.260.10.10.1040.1040.1180.1180.1320.1320.1460.1460.1580.1580.1720.1720.1860.1860.20.20.2140.2140.2420.2420.270.270.120.120.1140.1140.1280.1280.1420.1420.1560.1560.170.170.1840.1

20、840.1960.1960.210.210.2240.2240.2520.2520.280.280.140.140.1240.1240.1380.1380.1520.1520.1660.1660.180.180.1940.1940.2080.2080.2220.2220.2340.2340.2620.2620.290.290.160.160.1340.1340.1480.1480.1620.1620.1760.1760.190.190.2040.2040.2180.2180.2320.2320.2460.2460.2720.2720.30.30.180.180.1460.1460.160.16

21、0.1720.1720.1860.1860.20.20.2140.2140.2280.2280.2420.2420.2560.2560.2840.2840.3120.3120.20.20.1560.1560.170.170.1840.1840.1980.1980.210.210.2240.2240.2380.2380.2520.2520.2660.2660.2940.2940.3220.3220.240.240.1760.1760.190.190.2040.2040.2180.2180.2320.2320.2460.2460.260.260.2740.2740.2860.2860.3140.3140.3420.3420.280.280.1980.1980.2120.2120.2240.2240.2380.2380.2520.2520.2660.2660.280.280.2940.2940.3080.3080.3360.3360.3620.362注：注：K K值的選取適用于值的選取適用于M1.4M1.4M42M42的標準螺紋，但對于的標準螺紋，但對于M16-M42 M16-M42 的螺紋的螺紋K K值要相應降低值要相應降低5%5%。