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螺钉联接的扭力与预紧力的关系


(原创)螺钉联接的扭力与预紧力的关系
2010-08-29 10:46:05| 分类: 我的论文 | 标签:螺纹 螺钉 力矩 拧紧 联接 |举报|字号 订阅

1、引言 家用电器厂在生产某型产品时,经常出现批头、电批套筒或风批套筒被打 断的现象。原因是一些重要零部件如发热管、R 型弹簧等的固定都需要用很大的 扭力矩来旋紧螺钉, 而批头、 电批套筒或风

批套筒的极限扭力矩不能达到螺钉拧 紧的拧紧力矩要求,致使其超过能够承受的最大拧紧力矩而折断。但是,螺钉的 拧紧力矩到底需要多大?目前尚没有一个确切的或者令人信服的标准来衡量。

那么,有没有办法给定螺钉比较准确的标准值呢?答案是肯定的。

下面以某产品弹性元件固定螺钉 PM5×10 为例,来计算它的拧紧力矩。

2、螺纹联接的拧紧力矩

我们知道,在螺栓联接中,只有适当的预紧力才能保证螺栓可靠联接。而 预紧力则是通过控制施加于螺钉的拧紧力矩或转角来间接实现的。但是,螺栓轴 力与拧紧力矩之间的对应关系严重地受到摩擦条件的影响。 摩擦一方面是螺纹自 锁防松的必要条件,另一方面摩擦消耗大量拧紧力矩(能量)从而影响螺栓轴 力。

拧紧时,扳手或电批(风批)力矩 T 用于克服螺纹副的螺纹阻力矩 T1 及螺 母与被联接件(或垫圈)支承面间的端面摩擦力矩 T2。即

T= T1+ T2=KF0 d ( N· mm) d——螺纹公称直径 (mm)

F0——预紧力 (N)

K——拧紧力矩系数 (无量纲)

其中,K 值与螺纹中径、螺纹升角、螺纹当量摩擦系数、螺母与被联接件 支承面间的摩擦系数有关。而这些参数的取值都比较复杂。要准确地计算出 K 值, 就要通过针对性的试验, 同时测得预紧力和紧固扭矩才能间接获得拧紧力矩 系数 K 值。一般情况下,在各种条件下的 K 值,可参考下表中的数据。

拧紧力矩系数 K

K 摩擦表面状态 有润滑 精加工表面 一般加工表面 表面氧化 镀锌 干燥加工表面 0.10 0.13~0.15 0.20 0.18 —— 无润滑 0.12 0.18~0.21 0.24 0.22 0.26~0.30



本例中,因为没有具体的实验参数,K 按上表取值。由于螺钉拧紧在发热 盘铝合金基材上,铝合金的硬度较低,摩擦力较大。故按干燥加工表面无润滑取 值,则 K 值的取值范围是 0.26~0.30,取最小值 K=0.26。

螺纹联接的预紧力

螺纹联接预紧力的大小,要根据螺钉组受力和联接的工作要求决定。设计 时首先要保证所需的预紧力, 又不应使联接的结构尺寸过大。一般规定拧紧后螺 纹联接件的预紧力不得大于其材料屈服强度 σs 的 80%。对于一般联接用的钢制 螺栓,推荐的预紧力限值如下: 碳素钢螺钉 F0 =(0.6~0.7)σs As (N)

合金钢螺钉 F0 =(0.5~0.6)σs As (N)

式中 σs ——螺钉材料的屈服强度 (MPa)

弹性元件固定螺钉是 PM5×10, 材料是 SWRCH18A, 类似于国产 20# 优质碳素结构钢,性能等级若按 4.8 级取值,其公称屈服强度 σs =320Mpa。

As ——螺纹公称应力截面积 mm2 。

式中 d2 ——外螺纹中径 mm

d3 ——螺纹的计算直径,d3 =d1 -H/6 ,其中 H 为螺纹原 始三角形高度 mm。

d1 ——外螺纹小径 mm

查 GB196-81 《普通螺纹基本尺寸》 , PM5×10 螺钉的外螺纹小径 d1 =4.134mm, 中径 d2 =4.480mm,螺距 p=0.8mm,螺纹原始三角形高 度 H=0.866025404p=0.6928203232mm,

所以,d3 =d1 -H/6=4.134-0.6928203232/6=4.01852994613mm。

由此,螺纹的公称应力截面积 As 为

F0 = (0.6~0.7) σs As = (0.6~0.7) ×320×14.174=2721.408~ 3174.976(N),取最小值 F0 =2721.408(N)

PM5×10 螺纹的拧紧力矩:

T=KF0 d

=0.26×2721.408×5

=3537.3(N· mm)

≈3.5373(N· m)

预紧力的大小,除了受限于螺钉材料的强度外,还受限于被联接件的材料 强度。当内外螺纹的材料相同时,只校核外螺纹强度即可。对于旋合长度较短、 非标准螺纹零件构成的联接、 内外螺纹材料的强度相差较大的受轴向载荷的螺纹 联接,还应校核螺纹牙的强度。如某型产品弹性元件的固定,因螺钉连接的基材 是压铸铝合金 YL113,其强度远低于优质碳素结构钢 20 的强度,就应校核铝 合金上螺纹牙型的强度, 主要是螺纹材料的剪应力及弯应力。螺纹牙型的剪应力 及弯应力按如下公式进行校核:

式中 Fw ——最大轴向外荷载,本例中即预紧力 F0 (N)

D——内螺纹大径(mm)

b——螺纹牙根部宽度(mm) b=0.87p=0.87×0.8=0.696mm

kz——载荷不均匀系数

对于本例外螺纹为钢,内螺纹为铝合金的螺纹联接, d/p=5/0.8=6.25 <8,故 =6p/d=0.96。

h——螺纹牙的工作高度,为螺纹原始三角形高度 H 的 5/8,即

z——螺纹牙数。本例中,螺钉长度=10mm,弹簧垫圈、平垫 片及 R 型弹簧的总厚度 4mm,螺纹的旋合长度是 10-4=6mm。螺距 p=0.8mm,螺纹的牙数 z=6/0.8=7.5,取 z=7。[注:螺纹在铝合金中的拧 入深度即旋合长度应为(1.5~2.5)d,照此计算,本例中旋合长度应为 9~ 15mm,而实际长度是 6mm,似太短]。

n——材料的安全系数。对于在交变载荷作用下的弹性元件(反 复加热——冷却过程中产生的载荷),其固定螺丝也受交变载荷的影响,其安 全系数 n=1.2~2.0,取较大值,则 n=2.0。

YL113 能够查到的性能参数是:抗拉强度 σb ≥230Mpa,伸长率 1%。 无疲劳极限和剪切强度。 一般伸长率要控制在 0.5%以内, σs 按 σb/2 取值 (因 拉压力试验机上没有用于拉伸试验的夹具, 所以 σs 按此取值) , 约为 115Mpa。

从铝合金基材上截取一块试样,制作成三块截面为 5.0×5.0mm 的试件 (第一次试验的试件截面尺寸是 10.0×5.0mm, 因拉压力试验机的最大压力达 不到试件剪切所需的荷重而将截面减小)在拉压力试验机上做剪切试验,得到 YL113 的平均剪切强度 τj 为 107.2Mpa。于是:

上述计算说明,按螺钉的材料计算的预紧力紧固螺纹时(此时的拧紧力矩 即为 3.5373N· m),螺纹牙型承受的剪切应力小于许用剪切压力,即在这种 情况下,螺纹牙型的剪切强度是足够的。但螺纹的弯应力远超其抗弯许用应力, 其抗弯应力严重不足! 因此, 需按螺纹牙型的许用弯应力计算螺钉的预紧力。 即:

由此推出螺钉在螺纹许用弯应力下的拧紧力矩应为:

T=KF0 d

= KFw d

=0.26×2211.2×5

=2874.56(N· mm)

≈2.88(N· m)≤3.5373(N· m)

以上按螺钉材料的疲劳强度、铝合金上螺纹牙型的抗弯许用应力计算出螺 钉的拧紧力矩,分别是 3.5373N· m 和 2.88N· m,应取最小值 2.88N· m。

SOP 上规定的弹性元件的扭矩范围是 2.07~2.52N· m ,小于上述计算 值 2.88N· m,似嫌小。

家用电器统一使用 HIOS CL-6500PS 电批,其扭矩范围是 0.3~1.6 N· m, 显然小于 2.07~2.52N· m。所以在打 R 型弹簧螺丝的工位不能使用 HIOS CL-6500PS 电批。 选用好帮手 PRO-T55LB 风批, 其扭矩范围 0.7~ 6.5 N· m,可以满足使用要求。

3、 影响螺钉拧紧力矩的其它因素

除了风批的扭矩范围要满足螺钉的拧紧力矩外,批头能够承受的扭矩及螺 钉头部的形状对螺钉拧紧力矩的影响也非常重要,不可忽视。 本例中,批头的最大扭矩应不小于 3.0 N· m。前期我们没有注意到这个因 素,用普通批头,结果出现了很多批头被打断的现象。

固定弹性元件的螺钉是十字槽盘头螺钉,螺钉头部的十字槽能够承受的扭 矩较小,在如此大的扭矩下,容易将十字槽打滑槽。这就是为什么我们有许多螺 钉滑槽的原因。如果产品结构允许,建议将十字槽加深,或采用十字槽六角头螺 钉,用风批套筒固定,可以有效地避免滑槽的产生。

如果必须按螺钉材料的强度确定拧紧力矩,因为铝合金基材上螺纹的抗弯 应力不够, 就必须增加螺钉的长度以增加其旋合长度,即增加参与紧固的螺纹牙 数,以达到分散发热盘上螺纹牙受力的目的,从而降低螺纹牙承受的弯应力。 4、温度对螺纹联接预紧力的影响

在高温下工作的螺纹联接,还要考虑温差载荷、螺钉和被联接件机械性能 的变化、应力松弛等因素的影响。当螺钉和被联接件的线膨胀系数不同,或工作 温度不同,或者两者不同时,由于热变形不一致而使螺钉受到额外的温差载荷。 家用电器在频繁地加热-冷却过程中,螺钉因温差载荷的影响会产生松动,从而 使联接的紧固作用减小。 因此, 在设计时必须使剩余预紧力始终大于所要求的值, 以保证联接的紧固与紧密。 5、总结

一般情况下,螺栓的拧紧力矩与预紧力可参考国标快速查找(如附表)。 但是, 对于安全性能要求很高的家用电器,就要准确地确定出螺钉的拧紧力矩与 预紧力的关系,其关键任务就是要获得准确的拧紧力矩系数 K 的值。而要取得 准确的 K 值,就必须对每一种具体的螺钉进行“拧紧力矩——预紧力”试验。在 获得准确的 K 值后,才能放心地确定生产装配过程中需要的拧紧力矩值,而不 是仅凭手“感觉”的方法来确定螺钉是否拧紧,因为手动拧紧螺钉时产生的拧紧 力矩大小因人而异,靠感觉不能准确地判断螺钉的松紧。

附表:螺栓标准拧紧力矩及预紧力速查表

注:本文只是提出了获得螺钉拧紧力矩与预紧力之间关系的方法,文中的 计算数值只是四月雨粗略计算得出的,仅作参考。


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