螺栓預緊力的選擇和螺栓強度校核

螺栓作為連接件，使用十分廣泛， 其在機車車輛、航太航空、風電機組 上的使用環境大多是高強度高應力， 而在乘用車主要部件的使用環境大多 是低應力卨周期，但仍然存在著極大 的隱患。從**角度來說，螺栓所聯 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 整個產品。

螺栓連接作為汽車裝配上的重要 應用，據有關資料介紹，根據發動機 上的螺紋緊固件通常在1500?2000 顆左右，品種更是高達100個以上，規 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 系的。而做為在裝配過程中*重要的 螺栓規格及預緊力的選擇，存在理論 上的不足和認識的誤區。

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，如果預緊力過大，使零件的變形量超過零件的屈服強度，零件就會損環。故裝配件要長時間穩定有效工作，設計人員必 須對螺栓預緊力進行規范設計。

1.螺栓預緊力的選擇

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，預先受到力的作用，這個預 加的力就是預緊力；預緊的目得到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時候，受到力的作用，各連接件之間出現縫隙或相對滑移，所以在總成件的設計中，必須對 預緊力的大小進行規范設計。

1.1合理選擇預緊力

在專業的螺栓緊固裝配中，一般都配有標準扳手，不同的直徑規格的螺栓使用 不同長度的扳手。扳手長度為螺栓直徑的15倍左右，在這個基礎上使用專業的力學 工具可以體現準確的擰緊力矩，達到量化的預緊力，對於一些關鍵件和重要件尤為 重要。一旦使用大規格長扳手擰緊小規格的螺栓，往往會造成拉過緊，破壞零件本 身使整個連接構件失效。

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生很大的力，這個力會使得螺栓發生拉仲變形，經計算該應力是簡單的軸向拉力的1.3倍，螺栓產生 的拉應力超過材料的強度極限時，螺栓就被拉斷了。僅僅按操作者的經驗進行螺 栓的緊固，對於批量生產的產品是非常不科學的。對於長扳手擰緊小螺栓時，更應 該注意預緊力的大小，避免發生過度預緊的現象。

使用標準扳手時，施加力大小可參照表1。

表1常用規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
標準扳手長度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常用規格螺栓的扭矩值

表2列出部分常用規格螺栓不同性能等級所對應的緊固扭矩值。

對於設計人員來說，該連接處的預緊力需要多大，才能既達到零件的工作要求，又不大於螺栓的**應力，這就需要計算出該處所需的應力*小值，以此數值 來選擇合適的螺栓緊固件。施加於螺栓緊固件上的預緊力，上限值取決於螺栓緊固 件的屈服強度，下限值取決於滿足工作需要所需提供的*小預緊力。

表2常用規格螺栓的緊固扭矩值

直徑規格 （mm）	應力截面積 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 D>16; 660	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.螺栓規格的合理選擇

機車車輛、機械裝備、汽車的裝配是實現總成件，尤其是大型總成裝配件生產的重要環節，零部件之間的連接通常通過螺栓來實現，特別是關鍵部位的螺栓， 其連接品質決定著總成裝配件的可靠性。由於螺栓施加預緊力的數值影響了螺紋 的連接品質，在保證采用合適預緊力裝配的前提下，選擇合適的螺栓規格，非常重 要。對於螺紋緊固件來說，它們的性能參數都是在一定的范圍內變化的，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格在性能上，是否達到工作強度要求，是設計人員必須考慮的。

3.強度計算

3.1手冊中的螺栓連接

現行的汽車行業螺栓強度分析基本都是基於（機械設計手冊）的理論計 算，由於**系數要求有較高的強度馀 量，所選螺栓強度會遠遠高於所需強 度，進行計算時，首先是根據連接的類 型、裝配情況、載荷狀態等條件，確定螺栓的受力，然後按相應的強度條件計算螺栓危險截面的直徑或校核其強度。

螺栓連接裝配時，其螺栓危險截面 的拉伸強度條件為：

其中F2為螺栓總拉力，F0為螺栓預緊力，其中為螺栓相對 鋼度，取值為0.2?0.3。

3.2 VDI2230標準的螺栓連接的強度計算

VDI2230《高強度螺栓連接的系統 計算強度校核 》標準，在德國及其它國 家已獲得廣泛應用，適用於高強度螺栓 的強度校核，使用該標準校核*大載荷 下的工作應力。

VDI2230標準在用於校核螺栓強 度方面，更加注重螺栓本身的各段尺寸，并將預緊力引起的螺栓扭轉應力，以及螺紋摩擦系數精細的考慮在內，相對於《機械設計手冊》粗放大的相對剛度系數，該標準有效的降低了強度浪費。

4.結論

螺紋緊固件在機車車輛、航太航空、風電機組和汽車上的運用是普遍的，但是對高強度螺栓重視程度遠遠不夠，近幾年頻繁發生由於螺栓斷裂引發的事故，可以看出螺栓雖小，但位置關鍵，各大公司，特別是國際品牌對高強度螺栓的選擇設計也是非常嚴格的，但是也發生由於螺栓強度不足發生事故， 應該引起我們對設計過程的關注。德國 VDI-2230《高強度螺栓連接的系統計算強度校核》標準，相對於《機械設計 手冊》的計算方式，更注重強度的有效 利用，計算中考慮了溫度、截面變化和 摩擦系數等細節方面，為螺栓的強度校 核提供了更加貼近事實的支援。     

螺栓預緊力的選擇和螺栓強度校核