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1、 扭矩与拧紧技术原理 一拧紧的基本概念 拧任何机体均是由多种零件连接即组装起来的而零件的连接有多种 采用螺栓连接就是其中最常用的一种而欲采用螺栓连接就必须应用拧紧 因而这拧紧也就成了装配工作中应用得极为广泛的概念 零件采用螺栓连接的目的就是要使两被连接体紧密贴合并为承受一定的动 载荷还需要两被连接体间具备足够的压紧力以确保被连接零件的可靠连 接和正常工作这样就要求作为连接用的螺栓在拧紧后要具有足够的轴向 预紧力即轴向拉应力然而这些力的施加也都是依靠拧紧来实现的 因而我们很有必要了解一些有关拧紧的基本概念 一螺栓拧紧的基本概念 1拧紧过程中各量的变化 在螺栓拧紧时总体的受力情况是螺栓受拉连接件受
2、压但在拧紧 的整个过程中受力的大小是不同的见图 1 屈服 大体上分为下述几个阶段 F T 在开始拧紧时由于螺栓未靠座故压紧力 F 为零 断 T 但由于存在摩擦力故扭矩 T 保持在一个较小的数值 裂 当靠座后 Z 点 真正的拧紧才开始压紧力 F 和拧 F 矩 T 随转角 A 的增加而迅速上升 A Z 达到屈服点螺栓开始朔性变形转角增加较大而压 图 1 紧力和扭矩却增加较小甚至不变 再继续拧紧力矩 T 和压紧力 F 下降直至螺栓产生断裂 2力矩率 力矩率 R 所表示的是力矩增量T 对转角A 的比值见图 2 即 RT A 1 T T T A A A 图 2 图 3 硬性连接的 R 值高软性连接的 R
3、 值低 R 值与螺栓的长度连接中各件之间 的摩擦以及连接件垫圈的弹性有关摩擦系数的变化是影响力矩率的主要 因素此外再加上垫圈密封垫片等引起的弹性变化装配线上同样螺纹 连接之间的力矩率变化可能超过百分之百这样力矩转角的曲线就可能 落在图 3 斜线中的任何位置 F 0 01 3摩擦与力矩对压紧力的影响 02 从图 4 中可见同一力矩 T 值而由于摩擦系 数 值的不同压紧力 F 可能相差很大所 03 以摩擦系数 对压紧力 F 的影响是非常大 04 的这里的摩擦系数主要是指螺纹接触面 05 螺栓与被连接件支撑面间的摩擦系数 T 图 4 装配工作按精度等级分为三类 安全等级 质量等级 客户定义等级 测量
4、拧紧 效果 T 我们能够测量的是扭矩 T 张力 剪切力 剪切力 F F F F 抗张力 我们想要得到的是夹紧力 F 张力 螺拴与连接件的关系 螺拴和连接的变形 螺栓连接的变形关系 轴向工作载荷的影响 通过螺纹产生夹紧力把连接件夹紧 旋转螺母或螺丝使螺杆受力伸长 螺杆伸长产生的夹紧力把连接件夹紧 我们需要的是连接件中的夹紧力 施加的扭矩并不象夹紧力那么简单 力 F 力臂 L 扭矩 M 螺栓旋转的越多得到的扭矩越大 但是 夹紧力 10 90 的扭矩被摩擦力消耗 螺纹副中 的摩 擦了 40 只有 10 的扭矩转化为夹紧力 螺栓头下表面的 摩擦力 50 夹紧力与摩擦力的关系 夹紧力与摩擦力的关系 通常
5、的情况 通常的情况 螺栓头下摩擦力 螺纹副中摩擦力 螺栓头下摩擦力 螺纹副中摩擦力 10 50 40 10 50 40 在螺栓头支承面下加润滑油 在螺栓头支承面下加润滑油 螺栓头下摩擦力 螺纹副中摩擦力 夹紧力 螺栓头下摩擦力 螺纹副中摩擦力 夹紧力 15 45 40 15 45 40 螺纹副中有缺陷如杂质磕碰等 螺纹副中有缺陷如杂质磕碰等 螺栓头下摩擦力 螺纹副中摩擦力 螺栓头下摩擦力 螺纹副中摩擦力 5 50 45 5 50 45 一定要确保施加的扭矩达到最小需要扭矩 一定要确保施加的扭矩达到最小需要扭矩 夹紧力一定要高于外部载荷 安全余量载荷的影响因素 振动 摩擦力的变化 连接件尺寸变化
6、 拧紧精度 施加的扭矩不要超过使用极限 螺栓连接件的特性 施加的扭矩过大会使螺 扭矩夹紧力 栓过度伸长 屈服强度极限 抗拉强 度极限 安全余量取决于 拧紧精度 材料等级 旋转转角 螺栓连接件的特性 抗拉强度屈服特性 应力 Nmm2 抗拉强度 失效 抗拉应力 85 1008 800 Nmm2 50 屈服应力 弹性区域 80008 640 Nmm2 拉伸度 螺栓标识系统 生产商 第一个数 1100 的最小抗拉 强度 Nmm2 1008 800 Nmm2 第二个数 屈服强度与最小抗拉 强度之间的关系 08 80 两数相乘得出屈服应力 800 08 640 Nmm2 公制螺纹 弹性变软会影响夹紧力 T
7、ime 材料弹性松弛 变软 会使夹紧力衰减 内部分析 平均加载 80 屈服 如我们恰巧看到螺纹与支承面连接表面我们注意此处压痕 非常高因为螺栓伸长远端出现屈服以及这些区域出现崩溃 而使夹紧力减少 二螺栓拧紧的方法 拧紧实际上就是要使两被连接体间具备足够的压紧力反映到被拧紧的螺 栓上就是它的轴向预紧力即轴向拉应力而不论是两被连接体间的压紧 力还是螺栓上的轴向预紧力在工作现场均很难检测也就很难予以直接控 制因而人们采取了下述几种方法予以间接控制 1 扭矩控制法 T 扭矩控制法是最开始同时也是最简单的控制方法它是当拧紧扭矩达到某一 设定的控制值 Tc 时立即停止拧紧的控制方法它是基于当螺纹连接时螺
8、栓轴向预紧力 F 与拧紧时所施加的拧紧扭矩 T 成正比的关系它们之间的关系 可用 T K F 2 来表示其中 K 为扭矩系数其值大小主要由接触面之间螺纹牙之间的摩擦 阻力 F 来决定在实际应用中 K 值的大小常用下列公式计算 K 0161p0585d 025 D D 3 2 e i 其中 p 为螺纹的螺距 为综合摩擦系数 d2 为螺纹的中径 D 为支承面的有效外径 D 为支承面的内径 e i 螺栓和工件设计完成后 pd D D 均为确定值而 值随加工情况的不 2 e i 同而不同所以在拧紧时主要影响 K 值波动的因素是综合摩擦系数 有试验证明一般情况下 K 值大约在 0204 之间然而有的甚至
9、可能在 0105 之间故摩擦阻力的变化对所获得的螺栓轴向预紧力影响较大相 同的扭矩拧紧两个不同摩擦阻力的连接时所获得的螺栓轴向预紧力相差很 大摩擦系数 对螺栓轴向预紧力的影响参见图 4 另外由于连接体的弹性系数不同表面加工方法和处理方法的不同对扭 矩系数 K 也有很大的影响 对于上述各方面因素对扭矩系数 K 的影响为给大家一个较为明确的印象下 面把德国工程师协会 VDI 拧紧试验报告列于表 1 分析表 1 可知当拧紧扭矩 T 的误差为0时螺栓轴向预紧力的误差最大可 以达到272因此试图用扭矩控制法来保证高精度的螺栓拧紧是不现 实的想法 此外由于测量方法的不同测量时环境温度的不同等对扭矩系数 K
10、 也有很 大的影响从而更加增大了 F 的离散度 日本住友金属工业公司通过试验说明 了环境温度每增加 1其扭矩系数 K 就下降 031 表 1 不同扭矩系数值对 F 与 T 的精度的影响 注所用螺栓 M1016DIN931 109 级表面处理磷化锌涂油螺母 M10 DIN931 氧化处理 Rt 为粗糙度参数 有试验表明在拧紧发动机缸盖的螺栓时用相同的扭矩拧紧其螺栓轴向 预紧力的数值相差最大可能达一倍扭矩控制法的优点是控制系统简单 易于用扭矩传感器或高精度的扭矩扳手来检查拧紧的质量其缺点是螺栓 轴向预紧力的控制精度不高不能充分利用材料的潜力 拧紧曲线 目标扭矩 螺栓屈服点 目标扭矩 螺栓屈服点 扭矩上限扭矩上限 合格窗口 合格窗口 扭矩下限扭矩下限 扭矩斜度 连接率 扭矩开始扭矩开始 比较缓慢比较缓慢 力 矩 紧 角度上限 角度上限 夹 角度下限角度下限 扭 弹性区 塑性区 角度 弹性区 塑性区 拧紧方法 扭矩控制拧紧过程 扭矩控制拧紧过程 目标扭矩 目标扭矩 扭矩上限扭矩上限 扭矩下限扭矩下限 扭矩开始扭矩开始 比较缓慢比较缓慢 T kdP 力 T kd
