螺纹紧固件拧紧力矩的计算及扭矩扳子的选择的探讨

紧固件是将两个或两个以上的零件通过一定过盈配合的形式连接或紧固在一起, 其中的重要作用包括传力、加强结构刚度、增加摩擦、防止松动等。按照紧固方式, 紧固件有螺纹紧固件和非螺纹紧固件两大类。螺纹紧固件主要有螺栓、螺钉和螺母。它通过外螺纹和内螺纹的相互配合来发挥其紧固的基本功能, 在对部件与部件的连接和紧固上起到极大的作用。使用最多和承载最大的是螺栓 (螺钉) 和螺母。但在的使用中, 很多工艺文件对其的要求只是“拧紧”, 并没有具体拧紧力矩要求。同时, 很多有拧紧扭力要求的资料没有规定使用工具——扭矩扳子、扭矩螺丝刀——的等级要求。这些问题, 都有可能造成产品的失效, 在实际工作中, 此类由于紧固件问题造成的失效也屡见不鲜。

鉴于此, 本文对螺纹紧固件, 主要是螺栓、螺钉的拧紧力矩的计算及扭矩扳子的选择进行探讨。

1 螺栓拧紧力距的计算

1.1 力矩

力矩, 也称扭矩, 是使物体绕轴心旋转或具有旋转趋势的物理量。在对螺栓拧紧力矩的计算中, 可以不考虑其方向。其公式为:M=LF

1.2 螺栓的受力分析

螺栓在使用过程中受力状态较为复杂, 主要受拉应力、扭转应力, 有时还有剪应力, 特殊情况下还会收到振动交变应力作用。但螺栓在连接部件时, 主要承受的力是拉伸力, 见图1-1。由图1-2可知, 被紧固的部件承受的力是压缩力F', 螺栓承受的力是拉伸力F。两个力为作用力与反作用力。当部件在装配过程中, 即还未受到工作载荷之前, 此力便为预紧力。

预紧的目的在于增强螺栓螺纹连接的可靠性和紧密性, 以防止受载荷后连接部件间出现设计不允许存在的间隙或发生相对滑移甚至引起未动疲劳损伤。但过大的预紧力会增大螺栓在装配或偶然过载时发生过载断裂的风险, 过小的预紧力可能会减小连接的可靠性和紧密性。因此, 为了既保证部件连接所需的预紧力, 又不使得螺栓过载断裂, 在装配是要控制预紧力。

1.3 螺栓的预紧力和拧紧扭矩的关系

根据1.2的分析可知, 螺栓的有效作用力为轴向拉伸力。在安装过程中即为预紧力。在工程中, 预紧力的控制有很多方法, 通常是用扭矩扳子或扭矩螺丝刀控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。那么就需要知道螺栓的预紧力和拧紧扭矩之间的关系。

螺栓在被扳子拧紧时, 在螺杆受到的作用力矩有三个, 扳子作用在螺杆上的力矩M, 螺栓螺纹和螺母螺纹间的摩擦阻力产生的力矩M1, 螺杆端部与部件间的摩擦阻力产生的力矩M2。在拧紧时, 三个力矩之间的关系有:M=M1+M2

我们讨论的就是扭矩扳子施加的力矩M和预紧力F之间的关系。

1.3.1 M1的推导

建立一个模型:将螺纹假设成一个倾角为ψ (ψ为螺纹升角) 的斜面, 斜面上放置一个物体。物体受到一个沿螺杆轴线向下的力F, 此力为预紧力。同时物体受到一个水平的横向作用力F (此力模拟的是拧紧时外界传力给螺纹的一个旋转的力) , 斜面对物体的支持力为N, 方向垂直与斜面向上。斜面摩擦力为f, 方向沿斜面向下。见图1-2。

当物体平衡时, N和f的合力与F'和F的合力相平衡。

1.3.2 M2的推导

设螺杆端部外接圆直径为D, 则螺杆端部与部件间相互摩擦的面积A为:

又螺杆端部与部件间的摩擦力f'为:f'=µF

所以对M2有:

1.3.3 M的讨论

从上式可以看到, 预紧扭矩的大小不光与预紧力的大小有关, 也与螺栓与部件之间的摩擦因数有关。所以, 设计人员在给定预紧扭矩的同时, 也需要给定螺栓螺纹的润滑情况。只有这样, 才能很好的将预紧力矩与预紧力相联系。

2 预紧力与螺栓材料的关系

一般来说, 预紧力的给定是设计人员根据产品部件受力情况给定的。目前, 国内一般认为螺栓的预紧应力不得超过螺栓材料屈服强度的80%。国外一些资料认为预紧应力应介于其材料屈服强度的75%到90%。

对于一般连接用螺栓的预紧力F, 推荐按下列关系确定:

式中:F——预紧力

Re L——材料的屈服强度

As——有效截面积

由此可见, 设计人员在给定预紧力和预紧扭矩的同时, 也应该考虑在给定的预紧力的情况下, 所选择的螺栓材质是否为最优选择。

3 扭矩扳子的选择

在给出预紧力和预紧扭矩的数值后, 要实际完成螺栓的锁紧工作, 需要使用到扭矩扳子。这就牵扯到扭矩扳子等级的选取问题。

a) 扳子预设限定的扭矩值符合拧紧螺纹部件的要求且精度等级达到工艺规定标准。根据JJG707-2014《扭矩扳子》中的规定, 扭矩扳子的准确度级别分为1、2、3、4、5、6、10七个等级。

b) 对于可调节式扭矩扳子, 常用扭矩值应在其可调节范围的中间位置偏上, 因为在起始点扭矩值示值相对精度较低。但最高点长期使用会降低其精度并缩短寿命。所以要根据预紧力的要求按照3.3.3中给出的公式计算出拧紧力矩。加以选择扭矩扳子。

c) 扳头开口或方榫尺寸应与欲拧紧螺栓头部尺寸匹配, 能与标准套筒配套使用。

d) 扳头能顺畅放入拧紧位置并可方便旋转施加扭力而不会与邻近零件碰撞。

e) 扭矩扳子作为一种计量器具, 在投入使用前应首先在有计量检定资质的机构对其进行检定, 只有在满足工艺要求下才能进行使用。

f) 大多扭矩扳子的结构是螺旋弹簧驱动的平面活动铰链机构, 其灵活性与示值重复性及精度密切相关, 在使用前应先是扳3~5次, 使其动作灵活、报警声响正常在正式操作。

摘要：紧固件预紧力常常需要转换称扭矩扳子的预紧力矩来给出。本文讨论了预紧力与预紧力矩之间的关系及扭矩扳子的选择。

关键词：预紧力,预紧力矩,扭矩扳子

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