提高螺栓连接预紧力的方法

A. 影响螺栓连接强度的主要因素有哪些可以采用哪些措施提高螺栓连接强度

影响连接疲劳强度的因素很多，如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙间、载荷分布、应力幅度、机械性能，而螺栓连接的强度又主要取决于螺栓的强度。

1、减小应力集中的影响

螺栓的螺纹牙根，螺纹收尾和螺纹头部与螺纹杆的过渡圆角等处都产生应力集中。为了减小应力集中可采用较大的过渡圆角和卸载结构或将螺纹收尾改为退刀槽等。

2、避免附加弯曲应力

除因制造和安装上的误差以及被连接部分的变形等原因可引起附加弯曲应力外，被连接件。螺栓头部和螺母等的支承面倾斜，螺纹孔不正也会引起弯曲应力。

3、采用合理的制造工艺

采用冷镦头部和滚压螺纹的螺栓。

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常见问题

1、保证载荷，楔负载不合格。

如果保证载荷指标达不到要求，由于预紧力和工作载荷的作用，可能产生塑性变形，从而降低预紧力，使连接松动。

楔负载不合格，在较大的工作载荷，特别是冲击载荷的作用下或支撑面受偏载作用时，出现断裂或掉头，造成连接失效，甚至出现安全事故。

2、硬度不合格。

在安装和使用中要按照性能等级确定工作载荷和安装扭矩，针对特定的材料，硬度应控制在一个合理的水平，高的硬度可能降低产品的耐疲劳性能，一些企业为了提高螺丝产品的强度，硬度控制在较高的水平，造成部分产品超标。

3、脱碳层超标。

脱碳层也是A类项目，由于脱碳，使得垫圈零件表面硬度和强度大大降低严重影响紧固件的表面接触强度和疲劳寿命特别对螺纹部位的害更为突出。造成脱碳的主要原因是原材料脱碳、材料改制过程中脱碳和产品热处理过程中脱碳。

B. 螺栓连接中的预紧力指什么

螺栓预紧力是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关。

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。

(2)提高螺栓连接预紧力的方法扩展阅读

控制螺丝预紧力的方法

方法1：通过拧紧力矩控制预紧力

拧紧力与螺栓预紧力呈线性关系在，控制了拧紧力矩的大小，就可以通过实验或理论计算的方法得到预紧力值。但在实际中，由于受摩擦系数和几何参数偏差的影响。

在一定的拧紧力矩下，预紧力变化比较大，故通过拧紧力矩来控制螺栓预紧力的精度不高，其误差约为±25%，大可达±40%一般来说，控制区拧紧力矩精度较高的工具是测力矩扳手和限力扳手。

方法2：通过螺母转角控制预紧力

根据需要的预紧力计算出螺母转角拧紧时量出螺母转角就可以达到控制预紧力的目的。测量螺母转角简单的方法是刻一条零线，按鲁母转过几方的数量来测量螺母角，螺母转角的测量精度可控制在10°-15°内。

方法3：通过螺栓伸长量控制预紧力

由于螺栓的伸长量只和螺栓的应力有关，可以排除摩擦系数、接触变形、被连接件变形等可变因素的影响。所以通过通过螺栓伸长量控制预紧力可以获得很高的精度，此种方法被广泛应用于重要场合螺栓连接的预紧力控制。

方法4：通过液压拉伸器控制预紧力

使用液压拉伸器给螺栓施加拉紧力，使螺栓伸长，然后旋合螺母,待卸下载荷,由于螺栓收缩就可在连接中产生和拉力相等的预紧力。此种方法可以提高预紧力的控制精度。

液压拉伸器给螺栓施加预紧力时没有摩擦力，故该方法适用于任何尺寸的螺栓，而且可以给一组螺栓同时施加预紧力，均匀压紧螺母和垫片，不致出现倾斜而影响预紧力的精确控制。

方法5：利用力矩转角控制预紧力

利用拧紧力矩与转角的关系控制预紧力就是给螺栓施以一定的力矩，然后使螺母转过一定的角度，检查后的力矩与转角是否满足应有关系，以避免预紧不足或预紧过度。

控制预紧力的力矩转角法为首先用拧紧力矩控制拧紧过程，直到拧紧力矩值达到足够保证螺母、螺栓和被连接件真正贴紧为止，这时方能开始测量螺母转角。

然后用螺母转角和拧紧力矩同时控制拧紧过程。此种方法是利用拧紧力矩和螺母转角给出的信息，可精确控制螺栓的预紧力，并能发现安装过程中可能出现的拧紧不足或拧紧过度现象。

C. 螺栓预紧的方法

常用的螺栓预紧方式有扭矩法和延伸法。扭矩法通常采用力矩扳手将螺帽拧紧,是预紧螺栓最通用的方法,由于它简单、方便、易用,使用非常广泛。但由于摩擦系数不稳定,预紧力准确性较差,并且使联接螺栓受到额外的扭矩和弯矩作用,因此,近几年延伸法在工业生产中得到了较多的应用。

D. 螺纹连接中举出几种控制拧紧力的方法

控制螺栓的预紧力有两种方法：拉力控制法和扭矩控制法。

拉力控制法是使用液压拉伸器将螺栓拉伸到一定的长度再轻松地拧紧螺母，此时螺栓发生弹性变形而产生预紧力。

扭矩控制法是使用拧紧机、电动扭矩扳手、气动扭矩扳手、液压扭矩扳手、手动扭矩扳手来控制螺栓的预紧力。

E. 螺纹联接预紧的目的及预紧方法

螺纹联接预紧的目的:增强联接的刚性、紧密性和防松性能，保证连接的正常工作，还可以提高螺栓的疲劳强度
预紧的方法就是拧紧力大些，使螺纹连接在承受工作载荷之前受到预紧力的作用

F. 受轴向载荷的紧螺栓联接，在工作载荷F和残余预紧力不变的情况下，要提高螺栓强度，可以采取的措施

弹性垫圈，一般用于防松，其原理有二，一是倒刺，二是开始松动后仍由弹垫保持一定的预紧力，防止快速松脱。提高不了强度，或者更坏些。软质垫片，不代表更差，它们更易于变形，弥补基面的微观不平，更有利于均载，可视为提高强度；软质材料降低了刚性，在受冲击载荷时，有削减峰值载荷的效果，变相的提高了强度。。。

G. 提高螺栓联接强度的措施

大多数情况下，受拉螺栓联接的强度决定于螺栓的强度。影响螺栓强度的因素很多，有材料、结构、尺寸参数、制造和装配工艺等等。下面介绍一些提高螺栓强度的常见措施。
1.
改善螺纹牙间的载荷分布
采用普通螺母时，轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的，如图15.13a所示，从螺母支承面算起，第一圈受载最大，以后各圈递减。理论分析和试验证明，旋合圈数越多，载荷分布不均的程度也越显着，到第8～10圈以后，螺纹几乎不受载荷。所以，采用圈数多的厚螺母，并不能提高联接强度。若采用图15.13b的悬置（受拉）螺母，则螺母锥形悬置段与螺栓杆均为拉伸变形，有助于减少螺母与栓杆的螺矩变化差，从而使载荷分布比较均匀。图15.13c为环槽螺母，其作用和悬置螺母相似。
图15.13
2.
避免或减小附加应力
由于设计、制造或安装上的疏忽，有可能使螺栓受到附加弯曲应力（图15.14），这对螺栓疲劳强度的影响很大，应设法避免。例如，在铸件或锻件等未加工表面上安装螺栓时，常采用凸台或沉头座等结构，经切削加工后可获得平整的支承面（图15.15）。
图15.14
图15.15
3.
减小应力集中
螺纹的牙根、螺栓头部与栓杆交接处，都有应力集中，是产生断裂的危险部位。其中螺纹牙根的应力集中对螺栓的疲劳强度影响很大。可采取增大螺纹牙根的圆角半径、在螺栓头过渡部分加大圆角（图15.16a）或切制卸载槽（图15.16b、c）等措施来减小应力集中。
图15.16
4.
减小应力幅
螺栓的最大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度越高。在工作载荷和剩余预紧力不变的情况下，减小螺栓刚度或增大被联接件的刚度都能达到减小应力幅的目的（见图15.17），但预紧力则应增大。
图15.17
减小螺栓刚度的措施有：适当增大螺栓的长度；部分减小栓杆直径或作成中空的结构即柔性螺栓。在螺母下面安装弹性元件（图15.18），也能起到柔性螺栓的效果。柔性螺栓受力时变形量大，吸收能量作用强，也适于承受冲击和振动。
图15.18
为了增大被联接系统的刚度，不宜用刚度小的垫片。图15.19所示的密封连接以用密封圈为佳。
图15.19
5.
改善制造工艺
制造工艺对螺栓的疲劳强度有很大影响。对于高强度钢制螺栓，更为显着。采用辗制螺纹时，由于冷作硬化的作用，表层有残余压应力，金属流线合理，螺栓疲劳强度比车削的高。
碳氮共渗、氮化、喷丸处理都能提高螺栓疲劳强度。

H. 提高螺纹连接强度的措施有哪些

一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅

受轴向变载荷的紧螺栓连接，在最大应力不变的条件下，应力幅越小，螺栓连接的疲劳强度越高。为此，在保证工作拉力 F 和总拉力 F Q 不变的条件下，可采取适当减小螺栓刚度、增大被连接件刚度及增大预紧力的方法，都能达到减小应力幅（图 3-29 ），提高螺栓连接疲劳强度的目的。

图 3 － 29 降低螺栓应力幅的措施

图3－30 腰状杆螺栓与空心螺栓图3－31 弹性元件

减小螺栓刚度的措施有：适当增加螺栓的长度，或采用腰状杆螺栓或空心螺栓（图 3-30 ）。或在螺母下面安装上弹性元件（图 3-31 ）。

为了增大被连接件的刚度，可以不用垫片或采用刚度较大的垫片。对于有紧密性要求的连接，从增大被连接件刚度的角度来看，不应采用较软的气缸垫片。此时以采用刚度较大的金属垫片或密封环较好。图 3-32 是气缸密封元件的示意图。

二、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象

螺纹连接受载时，螺栓受拉伸，螺母受压缩，故螺栓的螺距增大，而螺母的螺距减小，如图 3-33 所示。由图 3-34 可知，靠近支承面的螺纹受载最大，以后各圈螺纹的载荷依次递减。因此，采用螺纹牙圈数过多的加厚螺母，并不能提高连接的强度。

（ a ）软垫片密封 （ b ）密封环

图 3－32气缸密封元件

为了改善螺纹牙间载荷不均的情况，可以采用下述方法：

1 悬置螺母（图 3 — 35 a ），使螺栓和螺母同时受拉，以减小螺距差；

2 环槽螺母（图 3 — 35b ）或内斜螺母（图 3 — 35c ），使螺纹牙受力位置由上而下逐渐外移，而载荷将向上移，从而使各圈螺纹受载趋于均匀；图 3 — 35d 所示为同时兼有悬置螺母、环槽螺母和内斜螺母的作用。

3 采用钢丝螺套亦可起到均载作用，故可显着提高螺纹连接的疲劳强度（图3—36）

图3－33 旋合螺纹的变形示意图 图3－34旋合螺纹间的载荷分布

（ a ）悬置螺母 （ b ）环槽螺母 （ c ）内斜螺母 （ d ）

图 3 － 35 均载螺母结构

r = 0.2 d

（a）加大圆角 （b）卸载槽

图 3 － 37 圆角和卸载结构

三、减小应力集中的影响

螺纹的牙根、螺纹的收尾、螺栓头和螺栓杆的过渡处都要产生应力集中。为了减小应力集中，可以采用较大的圆角和卸载结构（图 3 — 37 ）或将螺纹的收尾改为退刀槽等。但应注意，采用一些特殊结构会使制造成本增高。

四、避免附加弯曲应力

由于制造和装配误差或设计不当，易使螺栓产生附加弯曲应力，如图 3 — 39c 所示的钩头螺栓连接，螺栓在偏心载荷作用下将引起附加弯曲应力，若取 e ≈ d 1 时，弯曲应力为拉应力的 8 倍，这将严重降低螺栓的强度。因此，应尽量避免使用钩头螺栓。此外，螺母与螺栓头部支承面的粗糙不平或偏斜，也会引起附加弯曲应力。为减小附加弯曲应力，应从结构、制造及装配等方面采取措施。如在铸、煅件等粗糙表面上安装螺栓时，应制成球面垫圈（图 3 — 38 ）、凸台或沉头座（图 3 － 40 ）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（图 3 － 41 ）等。

（ a ） （ b ） （ c ）

图 3 － 38 球面垫圈 图 3 － 39 螺栓承受偏心载荷

（a）凸台 （b）沉头座

图 3 － 40 凸台与沉头座 图 3 － 41 斜面垫圈

五、采用合理的制造工艺方法

螺栓的制造工艺对疲劳强度有重要的影响。例如，采用冷镦螺栓头部和辗压螺纹的工艺方法，可以显着提高螺栓的疲劳强度。这是因为除可降低应力集中外，冷镦和辗压工艺使材料纤维未被切断，金属流线走向合理（图 3 — 42 ），而且有冷作硬化的效果，并使表层留有残余应力。因而较切削螺纹疲劳强度提高约 30% 。同时，这种无切削工艺本身还可以节省材料和提高生产率等。

此外，在工艺上采用氰化、氮化、喷丸等处理，都可提高螺纹连接件疲劳强度。

图 3 － 42 冷镦与滚压加工