各類螺絲的擰緊力矩標準,你知道嗎？

擰緊力矩和破壞扭力是兩個概念,擰緊力(矩)是指螺絲擰入工件的建議值;破壞扭力(即破壞扭矩)指將螺絲擰斷的最小值(詳見緊固件的破壞扭矩標準GB3098.13),很顯然,擰緊力矩是少于破壞扭矩的。

普通螺栓擰緊力矩：

公制螺栓扭緊力矩：Q/STB 12.521.5-2000

范圍:本標準適用于機械性能10.9級,規格從M6-M39的螺栓的扭緊力矩,對于使用尼龍墊圈、密封墊圈、其它非金屬墊圈的螺栓,本標準不適用。

注:對于設計圖紙有明確力矩要求的,應按圖紙要求執行。

螺栓預緊力的選用和螺栓強度校核

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。從安全角度來說,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顆是與車輛的安全性能有密切聯系的。而做為在裝配過程中最重要的螺栓規格及預緊力的選用,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,零件就會損壞。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。

螺栓預緊力的選用

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。

合理選用預緊力

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：

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。

對于設計人員來說,該連接處的預緊力需要多大,才能既達到零件的工作要求,又不大於螺栓的安全應力,這就需要計算出該處所需的應力最小值,以此數值來選用合適的螺栓緊固件。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最小預緊力。

常用規格螺栓的緊固扭矩值：

螺栓規格的合理選用

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,選用合適的螺栓規格,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。

強度計算

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,由於安全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。

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,使用該標準校核最大載荷 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。

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用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。

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