螺栓预紧力的选择和螺栓强度校核
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，但仍然存在著极大 的隐患。从**角度来说，螺栓所联 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**性能有密切联 系的。而做为在装配过程中*重要的 螺栓规格及预紧力的选择，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，零件就会损环。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。
1.螺栓预紧力的选择
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；预紧的目得到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。
1.1合理选择预紧力
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，对於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仲变形，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，对於批量生产的产品是非常不科学的。对於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
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螺栓直径d(mml
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M5
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M6
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M8
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M12
|
M16
|
M20
|
M2A
|
M30
|
M36
|
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标准扳手长度Llmml
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75
|
90
|
120
|
180
|
2A0
|
300
|
360
|
450
|
540
|
|
施加力F0[N)
|
40
|
48
|
65
|
100
|
130
|
170
|
200
|
250
|
300
|
1.2常用规格螺栓的扭矩值
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。
对於设计人员来说，该连接处的预紧力需要多大，才能既达到零件的工作要求，又不大於螺栓的**应力，这就需要计算出该处所需的应力*小值，以此数值 来选择合适的螺栓紧固件。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*小预紧力。
表2常用规格螺栓的紧固扭矩值
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直径规格 （mm）
|
应力截面积
As(mm²)
|
性能等级（GB/T3098.1-2010)
|
|
4.8
|
5.8
|
6.8
|
8.8
|
9.8
|
10.9
|
12.9
|
|
RPf/MPa(mm²]
|
RP0.2/MPa(mm²)
|
|
340
|
430
|
480
|
D≤16:640
D>16; 660
|
720
|
940
|
1100
|
|
粗牙螺纹
|
|
M8
|
36.6
|
13.9
|
17.2
|
19.6
|
26.2
|
29.5
|
38.5
|
45
|
|
M10
|
58
|
27.6
|
341
|
38.9
|
51.9
|
58.4
|
76.3
|
89.3
|
|
M12
|
84.3
|
48.1
|
59.4
|
67.9
|
90.6
|
101.9
|
133.1
|
155.7
|
|
M14
|
115
|
76.6
|
94.6
|
108.1
|
144.2
|
162.2
|
211.8
|
247.9
|
|
M16
|
157
|
119.5
|
147.7
|
168.8
|
225
|
253.2
|
330.5
|
386.8
|
|
细牙螺纹
|
|
M8*1
|
39.2
|
14.9
|
18.4
|
21
|
28
|
31.6
|
41.2
|
48.2
|
|
M10*1
|
64.5
|
30.7
|
37.9
|
43.3
|
57.7
|
65
|
84.8
|
99.3
|
|
M10*1.25
|
61.2
|
29.1
|
35.9
|
41.1
|
54.8
|
61.6
|
80.5
|
94.2
|
|
M12*1.25
|
92.1
|
52.6
|
61.9
|
74.2
|
99
|
111.4
|
145.4.
|
170.2
|
|
M12*1.5
|
88.1
|
50.3
|
62.1
|
71
|
94.7
|
106.5
|
139.1
|
162.8
|
|
M14*1.5
|
125
|
83.3
|
102.9
|
117.6
|
156.8
|
176.4
|
230.3
|
269.5
|
|
M16*1.5
|
167
|
127.1
|
157.1
|
179.5
|
239.4
|
269.3
|
351.6
|
411.4
|
2.螺栓规格的合理选择
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， 其连接品质决定著总成装配件的可靠性。由於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，选择合适的螺栓规格，非常重 要。对於螺纹紧固件来说，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。
3.强度计算
3.1手册中的螺栓连接
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**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。
3.2 VDI2230标准的螺栓连接的强度计算
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，适用於高强度螺栓 的强度校核，使用该标准校核*大载荷 下的工作应力。
VDI2230标准在用於校核螺栓强 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。
4.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，近几年频繁发生由於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择设计也是非常严格的，但是也发生由於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，相对於《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。
螺栓预紧力的选择和螺栓强度校核