力矩法控制螺栓预紧力的准确度分析

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1、力矩法控制螺栓预紧力的准确度分析郭卫凡黄文建(重庆工程职业技术学院邮编；400037)[摘要]本文分析了使用力矩法控制螺栓预紧力时螺母系数的变化及与主要影响参数间的关系。[关键词]螺栓、预紧力、分析计算1.引言普通螺栓联接在装配时都必须拧紧，产生预紧力作用。螺栓预紧力的存在，除了使零件之间产生紧密联接之外，还会大幅度降低在动载荷作用下螺杆应力的变化幅度，提高螺栓联接的疲劳强度。如果预紧力过小，外载荷可能超过螺栓联接的预紧力，这会使螺栓联接体的刚度大幅下降，同时也使应力变化幅度增大而迅速降低螺栓联接的疲劳强度。另外，在振动与冲击作用下，螺栓可能逐渐失去其设定的预紧力，产生螺

2、栓振动松动。增大预紧力，能有效地减低振动与冲击力对螺栓联接的松动作用，提高螺栓联接的强度与可靠性。但若预紧力过大，则可能超过螺栓的静力强度，起到相反的效果。因此，螺栓预紧力的控制，是提高提高螺栓联接疲劳强度与可靠性的重要手段。螺栓预紧力可以通过多种方法进行控制。其中力矩法控制是最简单易行，最常用的螺栓预紧力控制方法。但力矩法控制螺栓预紧力的准确度较差，发散性很大。本文就对影响力矩法控制预紧力准确度的几个重要参数进行分析讨论。2.分析计算螺栓的拧紧力矩与预紧力的关系可用以下公式计算（2）：（2-1）其中，T为螺栓拧紧力矩，Fi为预紧力，dm为螺纹的节园直径，近似等于螺纹的平

3、均直径，l为螺纹的升角，a为螺纹牙型斜角，L为螺纹啮合段的工作高度，dc为螺母或螺栓头接触面的平均工作直径，m为螺纹接触面上的平均摩擦系数，mc螺母或螺栓头接触面上的平均摩擦系数。　　通常条件下可取dc=(1+1.5)d/2=1.25d，其中d是螺栓的公称直径。由于螺纹的升角可由下式计算tgl=L/(πdm)则式(2-1)可简化成（2-2）6对一个给定规格的螺栓，如果摩擦系数为常数，式(2-2)中的预紧力与拧紧力矩成正比。式(2-2）可以被近似表达为T=KFid(2-3)其中K为螺栓联结的扭转系数，或螺母系数。如果K为已知，螺栓预紧力可通过式(2-3)得出。计算表明，螺栓

4、公称直径不同，对螺母系数变化影响很小。螺母系数主要与摩擦系数有关。下面我们来验证以上螺母系数的近似程度及受相关参数应的影响。一般在有充分润滑作用条件下，金属接触表面上的摩擦系数分别在0.08–0.12之间。而在无润滑条件下，金属接触表面上的摩擦系数分别在0.1–0.25之间。取润滑条件下的平均摩擦系数为m=mc=0.105，对公制粗螺纹，可算得不同规格螺栓的螺母系数如下：d6810121416202430364248K0.1530.1510.150.150.150.1470.1470.1470.1460.1460.1450.145取无润滑条件下的平均摩擦系数为m=mc=0

5、.155，对公制粗螺纹，可算得不同公称直径螺栓的螺母系数如下：d6810121416202430364248K0.2040.2030.2030.2020.2020.200.200.200.1990.1980.1980.198如果螺纹为润滑条件，螺母或螺栓头为无润滑条件，取对应的平均摩擦系数为m=0.105，mc=0.155，对公制粗螺纹，可算得不同公称直径螺栓的螺母系数如下：d6810121416202430364248K0.1780.1770.1760.1750.1750.1730.1730.1730.1720.1710.1710.170以上的公称直径与螺母系数的关系可

6、由图1表示：6图1：摩擦系数为两个常数时计算得到的螺母系数与螺栓公称直径的关系。分别取螺栓公称直径为M10与M20的公制粗螺纹，当摩擦系数变化时，可算得对应的螺母系数变化如下：m0.070.080.090.100.110.130.150.180.200.220.250.30K(10)0.1040.1160.1270.1390.150.1740.1970.2310.2550.2780.3130.371K(20)0.1010.1130.1240.1360.1470.1710.1940.2290.2520.2760.3110.369以上结果表明，螺母系数与摩擦系数基本上呈线性关

7、系，而螺栓公称直径改变对螺母系数影响很小。图2给出了螺栓对应螺母系数随摩擦系数变化的关系曲线：6图2：螺母系数随摩擦系数变化的关系曲线。类似的计算结果表明，公称直径，螺纹的粗细对螺母系数K的影响很小，而摩擦系数的变化，对螺母系数K的影响则很大。摩擦系数的正常变化范围可能导致螺母系数产生+30%的变化。在实际应用中，螺栓联接接触面处在非润滑条件下，取K=0.2，螺栓联接接触面处在润滑条件下，取K=0.15，则螺栓平均预紧力可通过拧紧力矩算出。在润滑条件下，如果通过螺栓头来拧紧，则也应润滑螺栓头的接触面。采用润滑条件下用力矩法来控