提高螺栓連接預緊力的方法

A. 影響螺栓連接強度的主要因素有哪些可以採用哪些措施提高螺栓連接強度

影響連接疲勞強度的因素很多，如材料、結構、尺寸、工藝、螺紋牙間、載荷分布、應力幅度、機械性能，而螺栓連接的強度又主要取決於螺栓的強度。

1、減小應力集中的影響

螺栓的螺紋牙根，螺紋收尾和螺紋頭部與螺紋桿的過渡圓角等處都產生應力集中。為了減小應力集中可採用較大的過渡圓角和卸載結構或將螺紋收尾改為退刀槽等。

2、避免附加彎曲應力

除因製造和安裝上的誤差以及被連接部分的變形等原因可引起附加彎曲應力外，被連接件。螺栓頭部和螺母等的支承面傾斜，螺紋孔不正也會引起彎曲應力。

3、採用合理的製造工藝

採用冷鐓頭部和滾壓螺紋的螺栓。

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常見問題

1、保證載荷，楔負載不合格。

如果保證載荷指標達不到要求，由於預緊力和工作載荷的作用，可能產生塑性變形，從而降低預緊力，使連接松動。

楔負載不合格，在較大的工作載荷，特別是沖擊載荷的作用下或支撐面受偏載作用時，出現斷裂或掉頭，造成連接失效，甚至出現安全事故。

2、硬度不合格。

在安裝和使用中要按照性能等級確定工作載荷和安裝扭矩，針對特定的材料，硬度應控制在一個合理的水平，高的硬度可能降低產品的耐疲勞性能，一些企業為了提高螺絲產品的強度，硬度控制在較高的水平，造成部分產品超標。

3、脫碳層超標。

脫碳層也是A類項目，由於脫碳，使得墊圈零件表面硬度和強度大大降低嚴重影響緊固件的表面接觸強度和疲勞壽命特別對螺紋部位的害更為突出。造成脫碳的主要原因是原材料脫碳、材料改制過程中脫碳和產品熱處理過程中脫碳。

B. 螺栓連接中的預緊力指什麼

螺栓預緊力是在擰螺栓過程中擰緊力矩作用下的螺栓與被聯接件之間產生的沿螺栓軸心線方向的預緊力。對於一個特定的螺栓而言，其預緊力的大小與螺栓的擰緊力矩、螺栓與螺母之間的摩擦力、螺母與被聯接件之間的摩擦力相關。

預緊力的大小，除了受限於螺釘材料的強度外，還受限於被聯接件的材料強度。當內外螺紋的材料相同時，只校核外螺紋強度即可。對於旋合長度較短、非標准螺紋零件構成的聯接、內外螺紋材料的強度相差較大的受軸向載荷的螺紋聯接，還應校核螺紋牙的強度。

如某型產品彈性元件的固定，因螺釘連接的基材是壓鑄鋁合金YL113，其強度遠低於優質碳素結構鋼20的強度，就應校核鋁合金上螺紋牙型的強度，主要是螺紋材料的剪應力及彎應力。

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控制螺絲預緊力的方法

方法1：通過擰緊力矩控制預緊力

擰緊力與螺栓預緊力呈線性關系在，控制了擰緊力矩的大小，就可以通過實驗或理論計算的方法得到預緊力值。但在實際中，由於受摩擦系數和幾何參數偏差的影響。

在一定的擰緊力矩下，預緊力變化比較大，故通過擰緊力矩來控制螺栓預緊力的精度不高，其誤差約為±25%，大可達±40%一般來說，控制區擰緊力矩精度較高的工具是測力矩扳手和限力扳手。

方法2：通過螺母轉角控制預緊力

根據需要的預緊力計算出螺母轉角擰緊時量出螺母轉角就可以達到控制預緊力的目的。測量螺母轉角簡單的方法是刻一條零線，按魯母轉過幾方的數量來測量螺母角，螺母轉角的測量精度可控制在10°-15°內。

方法3：通過螺栓伸長量控制預緊力

由於螺栓的伸長量只和螺栓的應力有關，可以排除摩擦系數、接觸變形、被連接件變形等可變因素的影響。所以通過通過螺栓伸長量控制預緊力可以獲得很高的精度，此種方法被廣泛應用於重要場合螺栓連接的預緊力控制。

方法4：通過液壓拉伸器控制預緊力

使用液壓拉伸器給螺栓施加拉緊力，使螺栓伸長，然後旋合螺母,待卸下載荷,由於螺栓收縮就可在連接中產生和拉力相等的預緊力。此種方法可以提高預緊力的控制精度。

液壓拉伸器給螺栓施加預緊力時沒有摩擦力，故該方法適用於任何尺寸的螺栓，而且可以給一組螺栓同時施加預緊力，均勻壓緊螺母和墊片，不致出現傾斜而影響預緊力的精確控制。

方法5：利用力矩轉角控制預緊力

利用擰緊力矩與轉角的關系控制預緊力就是給螺栓施以一定的力矩，然後使螺母轉過一定的角度，檢查後的力矩與轉角是否滿足應有關系，以避免預緊不足或預緊過度。

控制預緊力的力矩轉角法為首先用擰緊力矩控制擰緊過程，直到擰緊力矩值達到足夠保證螺母、螺栓和被連接件真正貼緊為止，這時方能開始測量螺母轉角。

然後用螺母轉角和擰緊力矩同時控制擰緊過程。此種方法是利用擰緊力矩和螺母轉角給出的信息，可精確控制螺栓的預緊力，並能發現安裝過程中可能出現的擰緊不足或擰緊過度現象。

C. 螺栓預緊的方法

常用的螺栓預緊方式有扭矩法和延伸法。扭矩法通常採用力矩扳手將螺帽擰緊,是預緊螺栓最通用的方法,由於它簡單、方便、易用,使用非常廣泛。但由於摩擦系數不穩定,預緊力准確性較差,並且使聯接螺栓受到額外的扭矩和彎矩作用,因此,近幾年延伸法在工業生產中得到了較多的應用。

D. 螺紋連接中舉出幾種控制擰緊力的方法

控制螺栓的預緊力有兩種方法：拉力控製法和扭矩控製法。

拉力控製法是使用液壓拉伸器將螺栓拉伸到一定的長度再輕松地擰緊螺母，此時螺栓發生彈性變形而產生預緊力。

扭矩控製法是使用擰緊機、電動扭矩扳手、氣動扭矩扳手、液壓扭矩扳手、手動扭矩扳手來控制螺栓的預緊力。

E. 螺紋聯接預緊的目的及預緊方法

螺紋聯接預緊的目的:增強聯接的剛性、緊密性和防松性能，保證連接的正常工作，還可以提高螺栓的疲勞強度
預緊的方法就是擰緊力大些，使螺紋連接在承受工作載荷之前受到預緊力的作用

F. 受軸向載荷的緊螺栓聯接，在工作載荷F和殘余預緊力不變的情況下，要提高螺栓強度，可以採取的措施

彈性墊圈，一般用於防松，其原理有二，一是倒刺，二是開始松動後仍由彈墊保持一定的預緊力，防止快速松脫。提高不了強度，或者更壞些。軟質墊片，不代表更差，它們更易於變形，彌補基面的微觀不平，更有利於均載，可視為提高強度；軟質材料降低了剛性，在受沖擊載荷時，有削減峰值載荷的效果，變相的提高了強度。。。

G. 提高螺栓聯接強度的措施

大多數情況下，受拉螺栓聯接的強度決定於螺栓的強度。影響螺栓強度的因素很多，有材料、結構、尺寸參數、製造和裝配工藝等等。下面介紹一些提高螺栓強度的常見措施。
1.
改善螺紋牙間的載荷分布
採用普通螺母時，軸向載荷在旋合螺紋各圈間的分布是不均勻的，如圖15.13a所示，從螺母支承面算起，第一圈受載最大，以後各圈遞減。理論分析和試驗證明，旋合圈數越多，載荷分布不均的程度也越顯著，到第8～10圈以後，螺紋幾乎不受載荷。所以，採用圈數多的厚螺母，並不能提高聯接強度。若採用圖15.13b的懸置（受拉）螺母，則螺母錐形懸置段與螺栓桿均為拉伸變形，有助於減少螺母與栓桿的螺矩變化差，從而使載荷分布比較均勻。圖15.13c為環槽螺母，其作用和懸置螺母相似。
圖15.13
2.
避免或減小附加應力
由於設計、製造或安裝上的疏忽，有可能使螺栓受到附加彎曲應力（圖15.14），這對螺栓疲勞強度的影響很大，應設法避免。例如，在鑄件或鍛件等未加工表面上安裝螺栓時，常採用凸台或沉頭座等結構，經切削加工後可獲得平整的支承面（圖15.15）。
圖15.14
圖15.15
3.
減小應力集中
螺紋的牙根、螺栓頭部與栓桿交接處，都有應力集中，是產生斷裂的危險部位。其中螺紋牙根的應力集中對螺栓的疲勞強度影響很大。可採取增大螺紋牙根的圓角半徑、在螺栓頭過渡部分加大圓角（圖15.16a）或切制卸載槽（圖15.16b、c）等措施來減小應力集中。
圖15.16
4.
減小應力幅
螺栓的最大應力一定時，應力幅越小，疲勞強度越高。在工作載荷和剩餘預緊力不變的情況下，減小螺栓剛度或增大被聯接件的剛度都能達到減小應力幅的目的（見圖15.17），但預緊力則應增大。
圖15.17
減小螺栓剛度的措施有：適當增大螺栓的長度；部分減小栓桿直徑或作成中空的結構即柔性螺栓。在螺母下面安裝彈性元件（圖15.18），也能起到柔性螺栓的效果。柔性螺栓受力時變形量大，吸收能量作用強，也適於承受沖擊和振動。
圖15.18
為了增大被聯接系統的剛度，不宜用剛度小的墊片。圖15.19所示的密封連接以用密封圈為佳。
圖15.19
5.
改善製造工藝
製造工藝對螺栓的疲勞強度有很大影響。對於高強度鋼制螺栓，更為顯著。採用輾制螺紋時，由於冷作硬化的作用，表層有殘余壓應力，金屬流線合理，螺栓疲勞強度比車削的高。
碳氮共滲、氮化、噴丸處理都能提高螺栓疲勞強度。

H. 提高螺紋連接強度的措施有哪些

一、降低影響螺栓疲勞強度的應力幅

受軸向變載荷的緊螺栓連接，在最大應力不變的條件下，應力幅越小，螺栓連接的疲勞強度越高。為此，在保證工作拉力 F 和總拉力 F Q 不變的條件下，可採取適當減小螺栓剛度、增大被連接件剛度及增大預緊力的方法，都能達到減小應力幅（圖 3-29 ），提高螺栓連接疲勞強度的目的。

圖 3 － 29 降低螺栓應力幅的措施

圖3－30 腰狀桿螺栓與空心螺栓圖3－31 彈性元件

減小螺栓剛度的措施有：適當增加螺栓的長度，或採用腰狀桿螺栓或空心螺栓（圖 3-30 ）。或在螺母下面安裝上彈性元件（圖 3-31 ）。

為了增大被連接件的剛度，可以不用墊片或採用剛度較大的墊片。對於有緊密性要求的連接，從增大被連接件剛度的角度來看，不應採用較軟的氣缸墊片。此時以採用剛度較大的金屬墊片或密封環較好。圖 3-32 是氣缸密封元件的示意圖。

二、改善螺紋牙上載荷分布不均的現象

螺紋連接受載時，螺栓受拉伸，螺母受壓縮，故螺栓的螺距增大，而螺母的螺距減小，如圖 3-33 所示。由圖 3-34 可知，靠近支承面的螺紋受載最大，以後各圈螺紋的載荷依次遞減。因此，採用螺紋牙圈數過多的加厚螺母，並不能提高連接的強度。

（ a ）軟墊片密封 （ b ）密封環

圖 3－32氣缸密封元件

為了改善螺紋牙間載荷不均的情況，可以採用下述方法：

1 懸置螺母（圖 3 — 35 a ），使螺栓和螺母同時受拉，以減小螺距差；

2 環槽螺母（圖 3 — 35b ）或內斜螺母（圖 3 — 35c ），使螺紋牙受力位置由上而下逐漸外移，而載荷將向上移，從而使各圈螺紋受載趨於均勻；圖 3 — 35d 所示為同時兼有懸置螺母、環槽螺母和內斜螺母的作用。

3 採用鋼絲螺套亦可起到均載作用，故可顯著提高螺紋連接的疲勞強度（圖3—36）

圖3－33 旋合螺紋的變形示意圖 圖3－34旋合螺紋間的載荷分布

（ a ）懸置螺母 （ b ）環槽螺母 （ c ）內斜螺母 （ d ）

圖 3 － 35 均載螺母結構

r = 0.2 d

（a）加大圓角 （b）卸載槽

圖 3 － 37 圓角和卸載結構

三、減小應力集中的影響

螺紋的牙根、螺紋的收尾、螺栓頭和螺栓桿的過渡處都要產生應力集中。為了減小應力集中，可以採用較大的圓角和卸載結構（圖 3 — 37 ）或將螺紋的收尾改為退刀槽等。但應注意，採用一些特殊結構會使製造成本增高。

四、避免附加彎曲應力

由於製造和裝配誤差或設計不當，易使螺栓產生附加彎曲應力，如圖 3 — 39c 所示的鉤頭螺栓連接，螺栓在偏心載荷作用下將引起附加彎曲應力，若取 e ≈ d 1 時，彎曲應力為拉應力的 8 倍，這將嚴重降低螺栓的強度。因此，應盡量避免使用鉤頭螺栓。此外，螺母與螺栓頭部支承面的粗糙不平或偏斜，也會引起附加彎曲應力。為減小附加彎曲應力，應從結構、製造及裝配等方面採取措施。如在鑄、煅件等粗糙表面上安裝螺栓時，應製成球面墊圈（圖 3 — 38 ）、凸台或沉頭座（圖 3 － 40 ）。當支承面為傾斜表面時，應採用斜面墊圈（圖 3 － 41 ）等。

（ a ） （ b ） （ c ）

圖 3 － 38 球面墊圈 圖 3 － 39 螺栓承受偏心載荷

（a）凸台 （b）沉頭座

圖 3 － 40 凸台與沉頭座 圖 3 － 41 斜面墊圈

五、採用合理的製造工藝方法

螺栓的製造工藝對疲勞強度有重要的影響。例如，採用冷鐓螺栓頭部和輾壓螺紋的工藝方法，可以顯著提高螺栓的疲勞強度。這是因為除可降低應力集中外，冷鐓和輾壓工藝使材料纖維未被切斷，金屬流線走向合理（圖 3 — 42 ），而且有冷作硬化的效果，並使表層留有殘余應力。因而較切削螺紋疲勞強度提高約 30% 。同時，這種無切削工藝本身還可以節省材料和提高生產率等。

此外，在工藝上採用氰化、氮化、噴丸等處理，都可提高螺紋連接件疲勞強度。

圖 3 － 42 冷鐓與滾壓加工