浅谈装配中的螺栓拧紧力矩（一）

1、常用的首要原因有两个：一是右手常用方便、顺手；二是右工艺性好
 

2、左旋螺纹：符合左手定则。用于右旋螺纹不能满足的地方。 
 

例如：因为运动方向可能导致松动的地方---自行车的左脚踏板芯轴；
 

保证右旋习惯的地方----机床进给丝杠；
 

起区分的作用----可燃气体气瓶；
 

双向运动---拉器等

 

一般机械调节装置会用到左旋螺纹，左右螺纹匹配应用，

也就是一根螺杆的两端分别为左旋螺纹和右旋螺纹，

这样就可以通过旋转螺杆实现两端螺母的间距；如自行车轮轴，暖气片组螺纹轴等。

 

粗牙螺纹：用于紧固件
 

细牙螺纹：同样的公称直径下，细牙的螺距小，升角小，

自锁性能更好，适于薄壁细小零件和冲击变载等情况。
 

1.3 螺纹头数

单头螺纹（n=1）：用于紧固
 

双头螺纹和多线螺纹(n>=2)：用于传动

 

1.4 自锁螺纹

如图所示，螺纹受到向外的力FQ，螺旋角为λ，导程S，中径d2。

当FQ x sin(λ)  ≤  FQxcos（λ）* tan(ρ)
 

λ ≤ ρ时，不论FQ有多大，螺纹都不会脱落（脱扣另说）。

 

 

螺纹联接的预紧力就是使螺纹联接在承受工作载荷之前预先受到力的作用，

这个预加作用力就是预紧力。合适的预紧力是增强联接可靠性和紧密性的重要前提。

预紧力达不到规定要求就会使被联接件受载后出现缝隙或发生相对滑移，造成零部件的松动，甚至使整机无法正常工作。

如果预紧力过大就会引起人为的零部件损坏，例如采用O形圈密处如果预紧力过大就会挤坏0形圈，使密封失效。


不合适的预紧力会带来以下后果：
 

 

(1) 螺纹联接零件的静力破坏：
 

若螺纹紧固件拧得过紧，即预紧力过大，就会引起人为的零部件损坏，

螺栓可能被拧断，联接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂，也可能使螺纹牙形被剪断而脱扣。

 

(2) 被联接件滑移、分离或紧固件松脱：
 

对于承受横向载荷的普通螺栓联接，预紧力使被联接件之间产生正压力，

依靠摩擦力抵抗外载荷，因此预紧力的大小决定了它的承载能力。

若预紧力不足，被联接件将出现滑移，从而导致被联接件错位、歪斜、折皱，螺栓有可能被剪断。

对于受轴向载荷的螺栓联接，预紧力使接合面上产生压紧力，

受外载荷作用后的剩余预紧力是接合面上工作时的压紧力。

若预紧力不足将会导致接合面松动，甚至导致两被联接件分离的严重后果，

同时预紧力不足还将引起强烈的横向振动，致使螺母松脱等现象发生。

 

(3)螺栓疲劳破坏：
 

不合适的预紧力在大多数情况下会使螺栓因疲劳而失效。

减小预紧力虽然能使螺栓上循环变化的总载荷的平均值减小，但却使载荷变幅增大，

所以总的效果大多数是使螺栓疲劳寿命下降，引起疲劳破坏。

因此在装配工艺中一定要确定预紧力的范围。

根据被联接件的重要程度、受力情况、运动方式、

结构特点、螺纹规格与等级、被联接件材料与联接的目的等方面综合考虑，

确定科学合理的预紧力矩范围；在装配时严格遵守工艺规定的力矩要求。

只有这样才能真正提高螺纹联接的可靠性以及联接件的抗疲劳强度。

 

螺栓在螺母拧紧时受到两种应力：①预紧力引起的拉应力；②螺纹力矩引起的扭转剪切力。
 

研究表明，当螺栓承受的预紧拉应力(σP表示)达到其屈服强度(σS表示)的0．78倍时，螺纹沟底开始破坏，

由此螺栓预紧应力需满足σP<0.78σS这一前提条件，螺栓应变才能控制在弹性变形范围段，

对一般机械螺栓连接，考虑工程实际因素，通常取
 

σP<0.7σS。
 

当我们拧紧螺栓时，两个零件被夹紧，图1中的夹紧力就等于张力。

实际上夹紧力是我们希望得到的，这就是螺纹联接的预紧力，

虽然这个夹紧力F是很难测量的，但我们可以通过测量拧紧力矩T来控制预紧力(图2)。

 

螺纹连接在紧固过程中的受力情况。
 

夹紧力与拧紧力矩

 

在装配过程中，实际施加的作用力主要用于克服摩擦力，

而真正转变成夹紧力的只有10％多一点，大约90％的能量被转化成了摩擦力。

这也正是为什么拧紧完成后，螺栓不会自己脱落下来的原因，

其作用力的转化情况为图3所示。
 

 

 

 

当拧紧螺栓时，螺栓转动，直到螺栓头底面与被联接件表面贴合，此时螺栓才开始被拧紧。
 

对于硬联接(如图4所示)，当达到需要的转矩时，也就是当达到需要的夹紧力时，

从装配面开始贴合到拧紧完成只需要转动不大的角度即可完成装配过程，说明硬联接的转矩变化率较大。
 

对于软联接(如图5所示)，即使同一样的规格尺寸，

装配面开始贴合后还需要转动很多圈才能拧紧，说明软联接的转矩变化率小。
 

图3表明施加的拧紧力矩主要克服了摩擦力，一是螺纹副中的摩擦力(约占40％)，

二是贴合端面的摩擦力(约占50％)，

而真正转变成夹紧力(即预紧力)的却只有10％左右，所以摩擦力对拧紧力矩的影响非常大。


因此在装配时螺栓有没有进行润滑对拧紧力的影响非常明显，

没有润滑的螺栓在拧紧时会产生较大的摩擦力。

也就是说如果需要一定的夹紧力，当拧紧没有润滑的螺栓时需要施加更大的转矩。

如果螺栓被润滑了，则摩擦力减小，

如果继续按照与没有润滑的螺栓相同的转矩进行拧紧，螺栓有可能会被拉断。


另外螺栓表面处理方式的不同对摩擦力也有明显影响。

表面镀锌与表面发黑处理相比，前者的摩擦系数明显偏小，拧紧过程中需要克服的摩擦力也小，

所以在同一部位拧紧同样规格、等级的镀锌螺栓时，应比表面发黑的螺栓施加较小的转矩才是正确的。

 

被联接件与螺母、螺栓头接触的支承面是否加工平整，对摩擦力影响亦非常大。

所以接触面的加工一定要平整，以确保均匀接触，同时在装配时应保证螺栓孔轴线与联接支承面相垂直，不应倾斜，

否则螺纹联接拧紧力矩的控制就非常困难，会严重影响装配质量。

 

影响螺栓预紧力基本因素有三点
 

(1)螺栓材料的物理性能；
 

(2)螺栓工作条件，如螺栓受拉还是受剪、承受静载还是变载等；
 

(3)螺栓在动态工况下疲劳强度。

 

 

 

(1) 螺栓材料一般是碳钢或合金钢，

其受拉伸预紧力作用下应变随应力的变化规律

符合金属材料应力一应变曲线图(见上图)；
 

(2) 材料应力一应变曲线图表明，材料试件在应力作用下

其应变由弹性形变至破坏断裂过程可分为三个阶段：
 

1. 弹性变形范围段，此段材料试件应变应力为线性关系，遵守胡克定律；
 

2. 均匀塑性变形范围段，此段材料试件应变应力为非线性关系，从弹性极限应力开始至屈服强度应力结束；
 

3. 不均匀塑性变形范围，当试件加载应力达到材料屈服强度后再继续增加，

试件变形呈不规则状况，变形加剧 (即出现缩颈现象)，

应力很快到达极值一材料抗拉强度，而后急速减小，材料断裂。

给连接螺栓施加预紧力时应以控制其应变在弹性变形范围段为原则。


文章来源：国家工程技术数字图书馆网站

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