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1、螺栓的设计与计算螺栓的设计与计算刘国庆目录n基本知识n拧紧工艺n计算与校核n加工与制造n相关试验螺栓的设计与计算刘国庆注：材料内容来自KMAX培训材料，AVL提供相关材料和网络资源螺纹联接件n螺纹联接件按用途可分为很多种，常见的有螺栓、螺柱、螺母、螺钉。内六角圆柱头螺钉六角头螺栓双头螺柱六角螺母六角开槽螺母开槽圆柱头螺钉开槽沉头螺钉紧定螺钉平垫圈弹簧垫圈n常用螺纹联接件都已标准化，可以直接从商店购买，但发动机关键部件螺栓通常不是通用件，需要另外开发设计。n常用螺栓联接方式有螺栓联接、螺柱联接、螺钉联接。螺栓联接螺柱联接螺钉联接螺栓的设计与计算刘国庆螺栓
2、联接标示dn螺栓联接相关参数al公称直径(大径）Dl螺距Pbl有效直径（中径）Dh2αl小径D3d0ll螺栓有效直径Lββl螺纹长度Bkl螺纹牙侧角βP/2P/2PSel螺纹升角ψl螺母头厚度mddl光孔直径Dd210n螺栓型号实例例：M10X1.5(8.8)表示螺栓公称直径：D＝10mmψ螺栓螺距：P＝1.5mm螺栓等级：8.8级螺栓的设计与计算刘国庆螺栓等级n螺栓性能等级标号由两部分数字组成，分别表示螺栓材料公称抗拉强度值和屈强比值。一般螺栓用“X.Y”表示强度。X*100=螺栓抗拉强度，X*100*（Y/10）=螺栓屈服强度。例：性能等级10.9
3、级高强度螺栓，其材料经过热处理后，能达到：1、螺栓材质公称抗拉强度达100*10＝1000MPa级；2、螺栓材质的屈强比值为0.9；3、螺栓材质的公称屈服强度达1000×0.9=900MPa级n螺栓性能等级含义是国际通用标准，相同性能等级的螺栓，不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选性能等级。n钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级。8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。n发动机关键部件常用高强度螺
4、栓等级为8.8,10.9,12.9，少数用11.9。螺栓的设计与计算刘国庆预紧力概念n螺纹联接是用螺纹紧固件把两个或更多的被联接件夹紧在一起,以便抵抗各种外载荷,而被联接件不分离,不滑移,或者接合面不洩漏。在施加外载荷之前,需拧紧螺纹紧固件,以加紧被联接件。称拧紧螺纹紧固件为预紧,称该力为预紧力。螺栓头部20-70%预紧力压紧力侧滑力预紧力5-10%侧滑力扭矩100%预紧力螺纹部分20-70%n仅仅5–10%我们所施加的扭矩转化为了我们所需要的预紧力。螺栓的设计与计算刘国庆螺栓装配工艺n目前还没有实现通过直接控制预紧力来装配螺纹联接。n通过控制和预紧力
5、相关其它参数(如扭矩,螺栓头或螺母转角,螺栓伸长量)来达到间接控制预紧力的目的。n螺栓装配工艺:l扭矩控制法l扭矩－转角控制法l屈服点控制法l其他控制方法螺栓拧紧曲线扭矩拧断点屈服点屈服区弹性变形区塑性变形区贴紧过程扭矩－转角关系图转角螺栓的设计与计算刘国庆理论公式nA)凯勒尔曼-克莱恩公式,1955年发表屈服前扭矩和预紧力成线性关系nB)最小屈服时的最大需用应力计算公式nC)转角紧固关系公式转角与伸长量成正比螺纹摩擦影响因子螺栓的设计与计算刘国庆代号标示具体意义螺栓的设计与计算刘国庆扭矩控制法扭矩Mn广泛被应用常规法,适合多数非关键部位螺纹联接角转M
6、用l优点max许Msoll大M最min操作简单，成本低拧紧工具相对便宜(如力矩扳手或冲击扳手)贴紧扭矩ФФMminmax1扭矩容易被测量和控制扭矩事后易复检转角开始测量转角Фl缺点扭矩–转角关系图受摩擦因数偏差影响大,获得预紧力离散度大扭矩M螺栓材料利用率低Msoll预紧力Fv扭矩–预紧力关系图螺栓的设计与计算刘国庆扭矩－转角控制法n汽车工业标准装配工艺之一,适合关键零部件紧固扭矩M扭矩–转角关系图最大许用扭矩Mmaxl优点Mmin能较准确控制预紧力螺栓材料完全被利用M贴紧扭矩ФФ1minmax联接的抗疲劳性能好l缺点转角开始测量转角Ф操作较复杂，成本
7、高对拧紧工具要求较高螺栓重复使用受到限制转)角m（没有可能对拧紧结果进行事后复检N(ｏ矩）扭预紧力(kN)螺栓的设计与计算刘国庆屈服点控制法n螺栓拧紧过程中，监控螺栓的扭矩率。当螺栓变形处于弹性变形阶段时，其扭矩率基本保持不变，当螺栓发生塑性变形后，其扭矩率明显下降，当扭矩率下降到一定程度（螺栓屈服）时，停止拧紧。n理论上完美的拧紧工艺,适合重要关键零件的紧固l优点理论上能很准确控制预紧力扭矩–转角关系图扭矩MФФminmax螺栓材料完全被利用最大许用扭矩Mmax停止点联接的抗疲劳性能好Mmin理论上螺栓的重复使用不受限制最大许用扭矩率l缺点X％角贴紧
8、扭矩转ΔM扭矩率M用1操作较复杂，成本高ΔФ许大最需要昂贵的评测器材转角测量开始/扭矩率开始计
