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螺栓預(yù)緊力的選擇和螺栓強(qiáng)度校核
螺栓預(yù)緊力的選擇和螺栓強(qiáng)度校核
螺栓作為連接件,使用十分廣泛,, 其在機(jī)車車輛,、航太航空、風(fēng)電機(jī)組 上的使用環(huán)境大多是高強(qiáng)度高應(yīng)力,, 而在乘用車主要部件的使用環(huán)境大多 是低應(yīng)力卨周期,,但仍然存在著極大 的隱患。從**角度來說,,螺栓所聯(lián) 接的部件都是很昂貴的,。所以,螺栓失 效時,,損壞的不僅僅是它們本身,,而是 整個產(chǎn)品。
螺栓連接作為汽車裝配上的重要 應(yīng)用,,據(jù)有關(guān)資料介紹,,根據(jù)發(fā)動機(jī) 上的螺紋緊固件通常在1500?2000 顆左右,品種更是高達(dá)100個以上,,規(guī) 格也是從M6?M30不等,,而其中大約 100顆是與車輛的**性能有密切聯(lián) 系的。而做為在裝配過程中*重要的 螺栓規(guī)格及預(yù)緊力的選擇,,存在理論 上的不足和認(rèn)識的誤區(qū),。
不論螺紋緊件作為連接或密封作用,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強(qiáng)度,,零件就會損環(huán)。故裝配件要長時間穩(wěn)定有效工作,,設(shè)計人員必 須對螺栓預(yù)緊力進(jìn)行規(guī)范設(shè)計,。
1.螺栓預(yù)緊力的選擇
螺栓作為重要的連接件,,在總成 件安裝時必須擰緊,在連接承受工作 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)緊的目得到是為了增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性,,防止總成安裝件在工作時候,,受到力的作用,各連接件之間出現(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(jìn)行規(guī)范設(shè)計。
1.1合理選擇預(yù)緊力
在專業(yè)的螺栓緊固裝配中,,一般都配有標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確的擰緊力矩,,達(dá)到量化的預(yù)緊力,對於一些關(guān)鍵件和重要件尤為 重要,。一旦使用大規(guī)格長扳手?jǐn)Q緊小規(guī)格的螺栓,,往往會造成拉過緊,破壞零件本 身使整個連接構(gòu)件失效,。
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)生拉仲變形,,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(qiáng)度極限時,螺栓就被拉斷了,。僅僅按操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行螺 栓的緊固,,對於批量生產(chǎn)的產(chǎn)品是非常不科學(xué)的。對於長扳手?jǐn)Q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(biāo)準(zhǔn)扳手時,,施加力大小可參照表1,。
表1常用規(guī)格螺栓扳手長度及施加力參考值
螺栓直徑d(mml |
M5 |
M6 |
M8 |
M12 |
M16 |
M20 |
M2A |
M30 |
M36 |
標(biāo)準(zhǔn)扳手長度Llmml |
75 |
90 |
120 |
180 |
2A0 |
300 |
360 |
450 |
540 |
施加力F0[N) |
40 |
48 |
65 |
100 |
130 |
170 |
200 |
250 |
300 |
1.2常用規(guī)格螺栓的扭矩值
表2列出部分常用規(guī)格螺栓不同性能等級所對應(yīng)的緊固扭矩值。
對於設(shè)計人員來說,,該連接處的預(yù)緊力需要多大,,才能既達(dá)到零件的工作要求,,又不大於螺栓的**應(yīng)力,這就需要計算出該處所需的應(yīng)力*小值,,以此數(shù)值 來選擇合適的螺栓緊固件,。施加於螺栓緊固件上的預(yù)緊力,上限值取決於螺栓緊固 件的屈服強(qiáng)度,,下限值取決於滿足工作需要所需提供的*小預(yù)緊力,。
表2常用規(guī)格螺栓的緊固扭矩值
直徑規(guī)格 (mm) |
應(yīng)力截面積 As(mm2) |
性能等級(GB/T3098.1-2010) |
||||||
4.8 |
5.8 |
6.8 |
8.8 |
9.8 |
10.9 |
12.9 |
||
RPf/MPa(mm2] |
RP0.2/MPa(mm2) |
|||||||
340 |
430 |
480 |
D≤16:640 |
720 |
940 |
1100 |
||
粗牙螺紋 |
||||||||
M8 |
36.6 |
13.9 |
17.2 |
19.6 |
26.2 |
29.5 |
38.5 |
45 |
M10 |
58 |
27.6 |
341 |
38.9 |
51.9 |
58.4 |
76.3 |
89.3 |
M12 |
84.3 |
48.1 |
59.4 |
67.9 |
90.6 |
101.9 |
133.1 |
155.7 |
M14 |
115 |
76.6 |
94.6 |
108.1 |
144.2 |
162.2 |
211.8 |
247.9 |
M16 |
157 |
119.5 |
147.7 |
168.8 |
225 |
253.2 |
330.5 |
386.8 |
細(xì)牙螺紋 |
||||||||
M8*1 |
39.2 |
14.9 |
18.4 |
21 |
28 |
31.6 |
41.2 |
48.2 |
M10*1 |
64.5 |
30.7 |
37.9 |
43.3 |
57.7 |
65 |
84.8 |
99.3 |
M10*1.25 |
61.2 |
29.1 |
35.9 |
41.1 |
54.8 |
61.6 |
80.5 |
94.2 |
M12*1.25 |
92.1 |
52.6 |
61.9 |
74.2 |
99 |
111.4 |
145.4. |
170.2 |
M12*1.5 |
88.1 |
50.3 |
62.1 |
71 |
94.7 |
106.5 |
139.1 |
162.8 |
M14*1.5 |
125 |
83.3 |
102.9 |
117.6 |
156.8 |
176.4 |
230.3 |
269.5 |
M16*1.5 |
167 |
127.1 |
157.1 |
179.5 |
239.4 |
269.3 |
351.6 |
411.4 |
2.螺栓規(guī)格的合理選擇
機(jī)車車輛、機(jī)械裝備,、汽車的裝配是實(shí)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),零部件之間的連接通常通過螺栓來實(shí)現(xiàn),,特別是關(guān)鍵部位的螺栓,, 其連接品質(zhì)決定著總成裝配件的可靠性,。由於螺栓施加預(yù)緊力的數(shù)值影響了螺紋 的連接品質(zhì),,在保證采用合適預(yù)緊力裝配的前提下,選擇合適的螺栓規(guī)格,,非常重 要,。對於螺紋緊固件來說,它們的性能參數(shù)都是在一定的范圍內(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(dá)到工作強(qiáng)度要求,,是設(shè)計人員必須考慮的,。
3.強(qiáng)度計算
3.1手冊中的螺栓連接
現(xiàn)行的汽車行業(yè)螺栓強(qiáng)度分析基本都是基於(機(jī)械設(shè)計手冊)的理論計 算,由於**系數(shù)要求有較高的強(qiáng)度馀 量,,所選螺栓強(qiáng)度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高於所需強(qiáng) 度,,進(jìn)行計算時,首先是根據(jù)連接的類 型,、裝配情況,、載荷狀態(tài)等條件,確定螺栓的受力,,然後按相應(yīng)的強(qiáng)度條件計算螺栓危險截面的直徑或校核其強(qiáng)度,。
螺栓連接裝配時,其螺栓危險截面 的拉伸強(qiáng)度條件為:

其中F2為螺栓總拉力,,F(xiàn)0為螺栓預(yù)緊力,,其中為螺栓相對 鋼度,取值為0.2?0.3,。
3.2 VDI2230標(biāo)準(zhǔn)的螺栓連接的強(qiáng)度計算
VDI2230《高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng) 計算強(qiáng)度校核 》標(biāo)準(zhǔn),,在德國及其它國 家已獲得廣泛應(yīng)用,,適用於高強(qiáng)度螺栓 的強(qiáng)度校核,使用該標(biāo)準(zhǔn)校核*大載荷 下的工作應(yīng)力,。
VDI2230標(biāo)準(zhǔn)在用於校核螺栓強(qiáng) 度方面,,更加注重螺栓本身的各段尺寸,并將預(yù)緊力引起的螺栓扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,,以及螺紋摩擦系數(shù)精細(xì)的考慮在內(nèi),,相對於《機(jī)械設(shè)計手冊》粗放大的相對剛度系數(shù),該標(biāo)準(zhǔn)有效的降低了強(qiáng)度浪費(fèi),。
4.結(jié)論
螺紋緊固件在機(jī)車車輛,、航太航空、風(fēng)電機(jī)組和汽車上的運(yùn)用是普遍的,,但是對高強(qiáng)度螺栓重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,,近幾年頻繁發(fā)生由於螺栓斷裂引發(fā)的事故,可以看出螺栓雖小,,但位置關(guān)鍵,,各大公司,特別是國際品牌對高強(qiáng)度螺栓的選擇設(shè)計也是非常嚴(yán)格的,,但是也發(fā)生由於螺栓強(qiáng)度不足發(fā)生事故,, 應(yīng)該引起我們對設(shè)計過程的關(guān)注。德國 VDI-2230《高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計算強(qiáng)度校核》標(biāo)準(zhǔn),,相對於《機(jī)械設(shè)計 手冊》的計算方式,,更注重強(qiáng)度的有效 利用,計算中考慮了溫度,、截面變化和 摩擦系數(shù)等細(xì)節(jié)方面,,為螺栓的強(qiáng)度校 核提供了更加貼近事實(shí)的支援。
螺栓預(yù)緊力的選擇和螺栓強(qiáng)度校核