n发动机关键部件常用高强度螺栓等级为8.8,10.9,12.9，少数用 11.9。
螺栓的设计与计算 刘国庆
预紧力概念
n螺纹联接是用螺纹紧固件把两个或更多的被联接件夹紧在一起,以便抵抗各种外载 荷, 而被联接件不分离, 不滑移, 或者接合面不洩漏。在施加外载荷之前,需拧紧螺纹 紧固件,以加紧被联接件。称拧紧螺纹紧固件为预紧,称该力为预紧力。
15000 15000
屈服点控制 M8
15000 15000
n螺栓伸长法 l机械测定伸长法 l超声波测定伸长法
n液压拉伸法 n加热膨胀法 n手动预紧法
其它控制方法
螺栓在拧紧过程中被拉长
超声波信号的传播时间和螺栓的预紧力成正比
螺栓的设计与计算 刘国庆
扭矩+转角法螺栓计算程序
n计算程序参照AVL螺栓计算方法编制 n软件平台EXCEL n程序目的
n铝合金螺栓：铝合金螺栓主要和镁制被联接件配套使用
n和镁制被联接件之间不存在接触腐蚀 n高温下也能保持较大的预紧力 n较小的最小拧紧深度使得联接结构变得更紧凑
螺栓的设计与计算 刘国庆
调质钢 双相微合金钢
铝合金螺栓
螺栓模具工艺
n较好的模具钢和先进的表面涂层 n采用多重加固工艺 n通过应用分体模具使得冷墩带肩的
能较准确控制预紧力
扭矩 – 转角关系图
Mmax
Mmin
螺栓材料完全被利用 联接的抗疲劳性能好
M1
贴紧扭矩
l缺点 操作较复杂，成本高
转角开始测量
对拧紧工具要求较高
螺栓重复使用受到限制
没有可能对拧紧结果进行事后复检
最大许用扭矩
Фmin
Фmax
转角Ф
扭矩(Nm)
转角（ｏ）
螺栓的设计与计算 刘国庆
预紧力(kN)
螺栓等级
n螺栓性能等级标号由两部分数字组成，分别表示螺栓材料公 称抗拉强度值和屈强比值。一般螺栓用“X.Y”表示强度。 X*100=螺栓抗拉强度，X*100*（Y/10）=螺栓屈服强度。
例：性能等级10.9级高强度螺栓，其材料经过热处理后，能达到： 1、螺栓材质公称抗拉强度达100*10＝1000MPa级； 2、螺栓材质的屈强比值为0.9； 3、螺栓材质的公称屈服强度达1000×0.9=900MPa级
n螺栓性能等级含义是国际通用标准，相同性能等级的螺栓， 不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选 性能等级。
n钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、 9.8、10.9、12.9等10余个等级。8.8级及以上螺栓材质为低碳 合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺 栓，其余通称为普通螺栓。
n可应用的拧紧工艺 l扭矩控制法 l扭矩转角控制法 l屈服点控制法 l客户制定的特殊控制法
n可确定的参数 l螺栓头端面摩擦扭矩 l螺纹摩擦扭矩 l总扭矩 l转角 l预紧力
实验台的测量单元 轴向轴承
螺纹间摩擦力矩 测量传感器
预紧力测量传感器
螺栓头端面摩擦 力矩测量传感器
螺栓的设计与计算 刘国庆
螺纹联接试验台
nC)转角紧固关系公式
转角与伸长量成正比
螺栓的设计与计算 刘国庆
螺纹摩擦影响因子
代号标示具体意义
螺栓的设计与计算 刘国庆
扭矩控制法
n广泛被应用常规法,适合多数非关键部位螺纹联接 扭矩M
l优点
Msoll
操作简单，成本低
拧紧工具相对便宜(如力矩扳手或冲击扳手)
扭矩容易被测量和控制
M1
扭矩事后易复检 l缺点
螺栓的设计与计算
螺栓的设计与计算 刘国庆
目录
n基本知识
n拧紧工艺
n计算与校核
n加工与制造
n相关试验
螺栓的设计与计算 刘国庆
注：材料内容来自KMAX培训材料，AVL提供相关材料和网络资源
螺纹联接件
n螺纹联接件按用途可分为很多种，常见的有螺栓、螺柱、 螺母、 螺钉。
六角头螺栓
双头螺柱
六角螺母
六角开槽螺母
n装配系数аA
n散差ΔFm ΔFm=FMmax-FMmin
拧紧工艺 扭矩法拧紧
装配系数аA
1.4-1.6 1.6-1.8
散差ΔFm
注释
±17-23% 扭矩通过测量在拧紧过程中的装配力FM来确定
±23-28% 扭矩以估计的摩擦系数为基础来确定
转角法拧紧
1.2-1.4
±9-17% 以经验来确定起始扭矩及转角
受摩擦因数偏差影响大,获得预紧力离散度大 扭矩M 螺栓材料利用率低
Msoll
Mmax Mmin
贴紧扭矩
Фmin
Фmax
转角开始测量
扭矩 – 转角关系图
转角Ф
最大许用转角
螺栓的设计与计算 刘国庆
扭矩 – 预紧力关系图
预紧力Fv
扭矩－转角控制法
n汽车工业标准装配工艺之一,适合关键零部件紧固 扭矩M l优点
屈服点拧紧
1.2-1.4
±9-17% 预紧力的离散度由每一批螺栓的屈服点的离散度来确定
n实例
拧紧工具
拧紧工艺 选用螺栓(8.8) 夹紧长度20mm 最小预紧力（N) 最大预紧力（N)
螺栓的设计与计算 刘国庆
扭矩控制 M12 15000 37500
扭矩控制 M16 15000 60000
扭矩－转角控制 M8
n螺栓计算 l光杆部分刚度和塑性变形部分刚度串联
n螺栓座计算 l夹紧部分简化杆件刚度串联
螺栓的设计与计算 刘国庆
螺栓计算与校核实例：连杆螺栓
n边界条件: l建议螺栓：M8x1 (10.9) l螺栓材料: C70钢
螺栓的设计与计算 刘国庆
螺栓基本信息计算
n输入任务基本信息 n输入螺栓基本参数 n输入螺栓其他间接信息 n第一个检测门 n根据需要调整参数 （一般不需要调整） n参照黄色区域第一行数据
ββ
k
P/2
Байду номын сангаас
P/2
P
S
e
d d2 d1
ψ
螺栓的设计与计算 刘国庆
n螺栓联接相关参数 l公称直径(大径）D l螺距P l有效直径（中径）D2 l小径D3 l螺栓有效直径L l螺纹长度B l螺纹牙侧角 β l螺纹升角ψ l螺母头厚度m l光孔直径D0
n螺栓型号实例
例：M 10 X 1.5(8.8) 表示 螺栓公称直径：D＝10mm 螺栓螺距： P＝1.5mm 螺栓等级： 8.8级
根据理论公式A,B,C进行计算，使得螺栓相对塑性变形量范围控制在目标值内（0.4～0.6％, 对比较短的螺栓如飞轮螺栓，该值为~2%)。
n螺栓拧紧后状态总伸长量可以按两种思路来算，两者相等可以求得相应转角范围。
l按屈服变形前后方式来算
螺栓伸长量＝屈服前的线性变形量+屈服后的塑性变形量
n按拧紧方式来算
紧固件成为可能
螺栓的设计与计算 刘国庆
螺栓加工方法
n通过冷墩加工替代切削加工 l优点 提高生产力，节省材料 l缺点 墩出件的成形精度受限制，解决办法 采用附加的滚压工序
带有精压配合槽的弹性杆连杆螺栓 精压工艺
螺栓的设计与计算 刘国庆
摩擦系数试验台
n应用范围 l可测定与螺纹联接预紧相关的参数 l测定螺纹摩擦因数和螺栓头端面摩擦因数
螺栓伸长量＝扭矩部分的线性变形量+转角部分变形量
螺栓的设计与计算 刘国庆
螺栓和螺栓座刚度计算
n精确计算。通过有限元计算得到。 n简化计算。
l柱形杆件刚度 l杆件串联
E×A C=
L 11 1
=+ C C1 C2
C········杆件刚度 A ·······杆件横截面面积 L ·······杆件长度 E ·······杆件材料弹性模量
选择归整扭矩 n参照黄色区域第二行数据
选择归整转角满足相对塑性变形率在0.4-0.6%附近。
螺栓的设计与计算 刘国庆
即可获得准确的预紧力
连杆螺栓校核
螺栓的设计与计算 刘国庆
螺栓制造工艺
材料选择
模具工艺
螺栓的设计与计算 刘国庆
加工方法
螺栓材料选择
n传统的线材：非常适合冷墩加工
l它具有很好的可塑性，线材本身强度小 l 螺栓需要热处理才能满足强度要求 l但热处理时由于螺栓相互碰撞导致螺纹易缺口，对于
被测试螺栓
l螺母形状的限制
l加载后预紧力的损失值
内六角螺栓联接预紧力的测定 被联接件
测力传感器
螺母替代件
螺栓的设计与计算 刘国庆
万能试验机
n应用范围 l测定螺栓和被联接件材料受静载或动载的性能值 l测定螺栓和被联接件的疲劳强度 l螺栓偏斜拉伸试验
n可测定值 l抗拉强度 l抗压强度 l疲劳强度 l抗弯强度
l计算螺栓预紧力 l计算拧紧扭矩和拧紧转角
程序主体控制区
预紧力与扭矩关系图输出 区
螺栓的设计与计算 刘国庆
计算过程信息区 发放版本隐藏
预紧力与扭矩关系图生成 关键点输出区
n计算分成两步（扭矩+转角）
程序原理
l计算初始扭矩值。
根据理论公式A进行计算，使螺栓达到30~50%（理论公式B中的γ）屈服。
l计算后期需加转角。
n可测定值 l弹性区和塑性区的预紧力 l螺栓拧紧过程的动态测量 l预紧力测量不受任何螺栓和 l螺母形状的限制 l加载后预紧力的损失值
内六角螺栓联接预紧力的测定
螺栓的设计与计算 刘国庆
振动试验台
n应用范围
l测试与评估联接件的各种松动状况
n可测定值
l弹性区和塑性区的预紧力
l螺栓拧紧过程的动态测量 l预紧力测量不受任何螺栓和
不同缸盖螺栓的疲劳强度
螺栓的设计与计算 刘国庆