仿真笔记——螺栓的拧紧力矩标准、预紧力的选用和螺栓强度校核都在这里了（建议收藏）

CAE仿真学社

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拧紧力矩和破坏扭力是两个概念，拧紧力(矩)是指螺丝拧入工件的建议值；破坏扭力(即破坏扭矩)指将螺丝拧断的最小值(详见紧固件的破坏扭矩标准GB3098.13)，很显然，拧紧力矩是少于破坏扭矩的。

普通螺栓拧紧力矩：

公制螺栓扭紧力矩：Q/STB 12.521.5-2000

范围:本标准适用于机械性能10.9级,规格从M6-M39的螺栓的扭紧力矩,对于使用尼龙垫圈、密封垫圈、其它非金属垫圈的螺栓,本标准不适用。

注:对于设计图纸有明确力矩要求的,应按图纸要求执行。

螺栓预紧力的选用和螺栓强度校核

螺栓作为连接件,使用十分广泛, 其在机车车辆、航太航空、风电机组上的使用环境大多是高强度高应力, 而在乘用车主要部件的使用环境大多是低应力卨周期,但仍然存在着极大 的隐患。从安全角度来说,螺栓所连接的部件都是很昂贵的。所以,螺栓失效时,损坏的不仅仅是它们本身,而是 整个产品。

螺栓连接作为汽车装配上的重要应用,据有关资料介绍,根据发动机上的螺纹紧固件通常在1500-2000 颗左右,品种更是高达100个以上,规格也是从M6-M30不等,而其中大约 100颗是与车辆的安全性能有密切联系的。而作为在装配过程中最重要的螺栓规格及预紧力的选用,存在理论 上的不足和认识的误区。

不论螺纹紧件作为连接或密封作用,还是需要装配的子零件,都有一定的屈服极限。在装配过程中,如果预紧力过大,使零件的变形量超过零件的屈服强度,零件就会损坏。故装配件要长时间稳定有效工作,设计人员必须对螺栓预紧力进行规范设计。

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螺栓预紧力的选用

螺栓作为重要的连接件,在总成件安装时必须拧紧,在连接承受工作载荷之前,预先受到力的作用,这个预加的力就是预紧力；预紧的目的是为了增强连接的可靠性和紧密性,防止总成安装件在工作时候,受到力的作用,各连接件之间出现缝隙或相对滑移,所以在总成件的设计中,必须对预紧力的大小进行规范设计。

合理选预紧力  

 

在专业的螺栓紧固装配中,一般都配有标准扳手,不同的直径规格的螺栓使用不同长度的扳手。扳手长度为螺栓直径的15倍左右,在这个基础上使用专业的力学工具可以体现准确的拧紧力矩,达到量化的预紧力,对于一些关键件和重要件尤为重要。一旦使用大规格长扳手拧紧小规格的螺栓,往往会造成拉过紧,破坏零件本 身使整个连接构件失效。

在拧紧螺母时,两个或者多个零件被压紧,零件自身被压缩,就像弹簧的压缩变形一样,在螺母和螺栓与装配件之间的接触表面零件自身会产生很大的力,这个力会使得螺栓发生拉伸变形,经计算该应力是简单的轴向拉力的1.3倍,螺栓产生的拉应力超过材料的强度极限时,螺栓就被拉断了。仅仅按操作者的经验进行螺栓的紧固,对于批量生产的产品是非常不科学的。对于于长扳手拧紧小螺栓时,更应该注意预紧力的大小,避免发生过度预紧的现象。

使用标准扳手时,施加力大小可参照表1。

表1常用规格螺栓扳手长度及施加力参考值：

常用规格螺栓扭矩值  

 

表2列出部分常用规格螺栓不同性能等级所对应的紧固扭矩值。

对于设计人员来说,该连接处的预紧力需要多大,才能既达到零件的工作要求,又不大于螺栓的安全应力,这就需要计算出该处所需的应力最小值,以此数值来选用合适的螺栓紧固件。施加於螺栓紧固件上的预紧力,上限值取决於螺栓紧固 件的屈服强度,下限值取决於满足工作需要所需提供的最小预紧力。

常用规格螺栓的紧固扭矩值：

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螺栓规格的合理选用

机车车辆、机械装备、汽车的装配是实现总成件,尤其是大型总成装配件生产的重要环节,零部件之间的连接通常通过螺栓来实现,特别是关键部位的螺栓, 其连接品质决定着总成装配件的可靠性。由于螺栓施加预紧力的数值影响了螺纹的连接品质,在保证采用合适预紧力装配的前提下,选用合适的螺栓规格,非常重要。对于螺纹紧固件来说,它们的性能参数都是在一定的范围内变化的,所以基本是有参考值的,因此计算出该紧固连接处的螺栓规格在性能上,是否达到工作强度要求,是设计人员必须考虑的。

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强度计算

手册中螺栓连接  

 

现行的汽车行业螺栓强度分析基本都是基於(机械设计手册)的理论计算，由於安全系数要求有较高的强度馀量，所选螺栓强度会远远高於所需强度，进行计算时，首先是根据连接的类型、装配情况、载荷状态等条件，确定螺栓的受力，然後按相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径或校核其强度。

螺栓连接装配时,其螺栓危险截面的拉伸强度条件为:

其中F2为螺栓总拉力,F0为螺栓预紧力,其中：

为螺栓相对钢度,取值为0.2-0.3。

VDI2230标准的螺栓连接强度计算  

 

VDI2230《高强度螺栓连接的系统 计算强度校核 》标准，在德国及其它国家已获得广泛应用，适用于高强度螺栓 的强度校核，使用该标准校核最大载荷下的工作应力。

VDI2230标准在用于校核螺栓强 度方面，更加注重螺栓本身的各段尺寸，并将预紧力引起的螺栓扭转应力，以及螺纹摩擦系数精细的考虑在内，相对於《机械设计手册》粗放大的相对刚度系数,该标准有效的降低了强度浪费。

结论：

螺纹紧固件在机车车辆、航太航空、风电机组和汽车上的运用是普遍的,但是对高强度螺栓重视程度远远不够，近几年频繁发生由于螺栓断裂引发的事故，可以看出螺栓虽小，但位置关键,各大公司,特别是国际品牌对高强度螺栓的选用设计也是非常严格的，但是也发生由于螺栓强度不足发生事故, 应该引起我们对设计过程的关注。德国VDI-2230《高强度螺栓连接的系统计算强度校核》标准，相对于《机械设计手册》的计算方式,更注重强度的有效利用，计算中考虑了温度、截面变化和 摩擦系数等细节方面，为螺栓的强度校核提供了更加贴近事实的支援。

来源：CAE仿真学社