紧固件在安装时，绝大多数螺纹螺纹连接都必须拧紧，使被连接件受到压缩，螺栓受到拉伸，这种在螺栓承受工作载荷之前受到的力称为预紧力。预紧的目的是为了提高连接的可靠性、紧密性和防松能力。 螺栓螺母的预紧力控制方法主要有：力矩法、螺栓螺母转角法、螺栓伸长量控制法、拉伸法（液压拉伸器拉伸）及其他特殊设计方法。本文主要介绍力矩法、螺栓螺母转角法以及液压拉伸器拉伸法。 力矩法 <<<< 适用范围 力矩法是最常用的螺栓、螺母预紧力的控制方法，预紧力的精度误差为±25%。但是这种方法费用低，对于预紧力精度要求不高的场合非常适用。同时，只要螺纹表面较好，没有影响拧紧力矩的毛刺，并且增加螺纹及其端面的润滑，预紧力的精度误差会明显降低。 计算 预紧力大小一般根据螺栓组的受力和连接的工况要求决定。一般只承受预紧力的螺栓连接，预紧力为材料屈服极限的75%设计，其他需要承受工作载荷的螺栓，其总拉力按照材料屈服极限的75%设计，通过下式折算出预紧力的数值: F0=F2- [Cb/(Cb+Cm)]F (4) 式中: F0为螺栓预紧力 F2为螺栓总拉力 F为螺栓工作拉力 Cb/(Cb+Cm)为螺栓的相对刚度，金属垫片或不用垫片时，取0.2~0.3； 铜皮石棉垫片时，取0.8；橡胶垫片时，取0.9。其中Cb为螺栓的刚度，Cm为被连接件的刚度。
计算出预紧力以后，就可以通过下式计算出螺栓螺母的拧紧力矩: Tt=Ts+Tw=KF0d (5) K=[1/(2d)](p/π+μs d2secα'+μwDw) (6) Ts=(F0/2)(P/π+μsd2secα') (7) Tw=(F0/2)μwDw (8) 接触的支承面为圆环形状时: Dw=2/3(dw3-dh3 )/(dw2-dh2 ) (9) 式中：Dw为支承面摩擦扭矩的等效直径 dk为接触的支承面内径 dw为接触的支承面外径 K为扭矩系数 P为螺距 Tt为紧固扭矩 Ts为螺纹部分扭矩 Tw为支承面部分扭矩 d为螺纹的公称直径 d2为螺纹的中径 α'为螺纹的牙侧角 μs为螺纹摩擦系数 μw为支承面摩擦系数
对于粗牙普通螺纹，无润滑的情况，粗略计算k一般取0.2，而在有润滑的情况下，若在螺纹部分涂上二硫化钼等，粗略计算k一般取0.12。根据上述公式(6）计算出 标准粗牙螺纹、细牙螺纹螺栓、螺母的螺纹摩擦系数μs、支撑面摩擦系数μw与扭矩系数的对照(见图1，摘自《GB/T 16823.2-1997标准》)，设计时根据不同的摩擦系数可以直接查出相应的扭矩系数。一般连接螺栓、螺母的拧紧扭矩在一般场合下也可以参照JB/T 5000.10- 2007选用，不必进行精确计算。  图1螺纹摩擦系数μs、支撑面摩擦系数μw与扭矩系数的对照表图
转角法 <<<< 目前，转角法在特别重要的螺栓连接系统中使用较为普遍，特别是 汽车和钢结构等行业。预紧力的精度较高，能够达到±15%以内。本法计算如下: 根据《材料力学》中的虎克定律，在弹性范围内，螺栓的伸长量与预紧力的关系按照下式计算: △l=F0L/EA (10) 式中: △l为在预紧力作用下螺栓伸长量，mm L为螺栓的有效长度，见式(11)，粗略计算时，取螺栓本身的长度，mm E为螺栓材料的弹性模量，MPa A为螺栓的截面积，mm² 其中，螺栓的有效长度L，如图2，根据《 美国机械工程师手册》计算如下:  图2螺栓的有效长度L
L=(dts/d)² (Ls+HB/2)+LJ-LS+HN/2 (11) 式中: dts为螺栓的应力直径，mm d为螺栓螺纹的公称直径，mm Ls为光杆长度，mm HB为螺栓头厚度，mm LJ为夹紧长度，mm HN为螺母厚度，mm 而螺栓螺母旋转360°时，上升或下降1个螺距p 的高度。因此，在预紧力的作用下，螺栓伸长△l时，螺栓螺母的旋转角度为: θ=360F0L/EAp (12) 目前，常用做法是，首先旋紧螺栓螺母，使其与被联接件密贴，拧紧扭矩为100 N.m，根据式(12)计算出旋转的角度。该方法获得的预紧力除了受联接系统的刚度影响外，不受联接件的加工误差、摩擦系数等影响，所以该方法控制预紧力的精度较高。 液压拉伸器法 <<<< 该方法通过液压拉伸器拉伸使螺栓伸长，拧紧螺母后，除去外力达到设计规定的预紧力要求。该方法在船用柴油机上的重要螺栓联接中普遍采用，如主轴承螺栓、气缸盖螺栓、连杆螺栓等，预紧力控制非常精确，可以达到±5%的精度。 目前，船用柴油机上的液压拉伸器的油压可以达到220MPa。设计液压拉伸器时，确定好油压后，关键是设计液压拉伸器的油缸活塞的面积，计算如下: A1=F0/P (13) 式中: A1为油缸活塞的面积，mm² P为液压拉伸器的油压，MPa 总结 <<<< 螺栓、螺母的设计过程中，应按照标准进行设计计算，确保这些紧固件的系列化、标准化程度，方便加工和安装。根据不同的使用场合，选取合适的控制预紧力的方法，通过计算，精确地控制预紧力。这样，才能实现与螺栓的完美匹配，实现最佳的防松效果。 
文章来源于网络，侵删。参考文献：《上海标准化》 王军
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发表于 2024-4-19 15:47:09
发表于 2024-4-20 07:11:14
