收稿日期：2017－12－09
摘要：日常生产中，往往会因为拧紧力矩没有控制好而导致螺纹松动或者滑牙的现象，造成一些不必要的安全、低效率问 题。螺纹的拧紧力矩主要由螺钉及联接件的材质和规格决定，针对螺钉和联接件的材质对所需的拧紧力矩展开理论分析，提出实践生产时拧紧力矩的选取原则。 关键词：拧紧力矩；螺钉；联接件；材质；理论分析中图分类号：TH131
文献标识码：A
文章编号：1009－9492(2018)06－0054－03
Theoretical Analysis of Tightening Torque of Screw Connected with
Different Material Connector
OU Huan-cai
（Guangdong Shunde Innovative Design Institute ，Foshan 528000，China ）
Abstract:Tightening torque is not controlled well will lead to the phenomenon of thread loose or sliding in the daily production ，and it
will create some unnecessary safety and inefficiencies.The tightening torque of the screw is mainly determined by the material and the specification of the screw and the coupling.In this paper ，theoretical analysis of tightening torque required for the material of screws and
connectors is carried out ，and the principle of selecting the tightening torque in practical production is suggested.Key words:tightening torque ；screw ；connector ；material ；theoretical analysis
螺钉与不同材质被联接件的拧紧力矩理论分析
区焕财
（广东顺德工业设计研究院//广东顺德创新设计研究院，广东佛山
528000）
DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2018.06.019
0引言
螺钉联接是设备装配中应用最为广泛的可拆卸连接之一，由于其结构简单、联接可靠、装卸方便等优点，在装配中举足轻重[1]。为了增强螺纹联接的刚性、可靠性以及防止受横向载荷螺钉联接的松动，螺纹联接在装配时需要施加合适的拧紧力矩来预紧，合适的拧紧力矩对生产安全、螺钉联接件及被联接件的寿命都是有益的[2]。
1螺纹拧紧力矩定义
螺钉插入被连接件，利用螺母或内螺纹拧紧使螺栓拉伸变形，这种弹性变形产生了轴向的拉力，将被夹零件挤压在一起，称为预紧力。螺纹拧紧力矩是指为了达到预紧力，螺栓或螺母所需要的力
矩。螺栓拧紧时的受力如图1所示。
2螺纹联接受力分析
当一个螺纹结合是在锁紧的情况下，螺栓头部和螺纹处的摩擦将影响螺栓预紧力的大小。一般来说在克服螺栓头和联接件表面摩擦时相当于50%的扭矩被消耗，30%到40%的扭矩损失是在克服螺纹处的摩擦力，仅剩10%的扭矩有效地作用于夹紧力上，如图2所示。
3拧紧力矩的确定
一般来说，拧紧力矩是通过拧紧扳手来施加的，而拧
图1
螺栓拧紧受力图
图2
螺纹联接受力分析图
支架搬运车紧扳手力矩T是用于克服螺纹副的螺纹阻力T1及螺母与被联接件（或垫圈）支承面间的端面摩擦力矩T2。
即T=T1+T2=KF0d
其中：d——螺纹公称直径，mm；
F0——预紧力，N；
K——拧紧力矩系数，无量纲。
K的取值较为复杂，根据螺钉的表面处理状态、润滑条件和支撑面材料，一般在0.1～0.3范围内变动，表1为参考值[3-6]。
影响螺纹拧紧力矩的因素主要有摩擦条件、螺钉规格、螺钉材料和联接件材质等。摩擦条件、螺钉规格和螺钉材料决定着螺钉适用的拧紧力矩标准，而联接件材质决定着联接件合适的或所能承受的拧紧力矩标准。玻璃微电极
还原炉
当内外螺纹的材质相同时，可以根据螺钉的材质和规格，直接查阅相关螺钉扭力推荐标准，如德标DIN267，进行拧紧装配。内外螺纹材质的强度相差较大的螺纹联接，还应该校核螺纹牙的强度，包括螺纹材料的剪应力和弯应力，其校核公式如下[7-8]：
剪应力τ=
F
W
K
zπDbz
≤[]τ
弯应力σw=
3F w h
K
zπDb2z
≤[]σ
其中：F w——预紧力F0，N；
D——内螺纹大径，mm；
b——螺纹牙根部宽度，mm，b=0.87p(p为螺距)；
kz——载荷不均匀系数；
h——螺纹牙的工作高度；
z——螺纹牙数；
[]τ—螺纹牙型的剪切许用应力，MPa，[]τ=τn；小学生文具盒
[]σ—螺纹牙型的抗弯许用应力，MPa，[]σ=σs
n；
n——材料的安全系数，n=1.2～2.0。
由上述公式可以反推出联接件的所能承受的最大拧紧力矩，与螺钉扭力推荐标准进行比较，为了避免扭力过大导致零件损坏，选取较小的作为拧紧力矩参考值进行装配。
4不同联接材质的拧紧力矩分析
投票箱制作以45#钢未调质（屈服强度取355）和ZL104（屈服强度取230）作为联接件材质进行分析，按照上述方法进行计算得出联接件的极限扭矩如表2、表3所示（此处拧紧力矩系数K取0.24；螺钉为12.9级钢制螺钉；载荷不均匀系数取0.96；材料安全系数取2，螺纹旋合长度取1.5d）[9-10]：
摩擦表面状态
精加工表面
一般加工表面表面氧化
镀锌
干燥粗加工表面
K值
有润滑
0.10
0.13～0.15
0.20
0.18
—
无润滑
0.12
0.18～0.21
0.24
0.22
0.26～0.30
表1拧紧力矩系数K
表245#未调质联接件拧紧力矩计算表
M1616212 1.09 1.7461766237.18365
表3ZL104联接件拧紧力矩计算表
由表2可以看出，45#未调质联接件的螺纹所能承受的极限力矩大于钢质螺钉的标准固定力矩，根据螺纹锁紧扭力的选择原则，应该选择联接件螺纹承受的极限力矩与螺钉标准固定力矩两者中的较小者。因此，当联接件的材质为45#未调质，用12.9级的钢质螺钉进行锁紧时，螺纹的锁紧力矩应该选取钢质螺钉的标准固定力矩作为参考值。
由表3可以看出，ZL104联接件的螺纹所能承受的极限力矩小于钢质螺钉的标准固定力矩，根据螺纹锁紧扭力的选择原则，应该选择联接件螺纹承受的极限力矩与螺钉标准固定力矩两者中的较小者。因此，当联接件的材质为ZL104，用12.9级的钢质螺钉进行锁紧时，螺纹的锁紧力矩应该选取联接件螺纹所能承受的极限力矩作为参考值。
对于其他材质规格的螺钉及被联接件进行螺纹锁紧时，拧紧力矩的选取如此类推。
5螺纹拧紧注意事项
在实际装配过程中，最常用的螺栓轴向预紧力的控制方法是通过转矩来间接地实现对轴向预紧力的控制。对于要求不高的装配，通常人工凭经验进行力矩的控制，对于装配条件有一定要求的，常用手动指针式扭力扳手或数显式扳手来完成力矩的控制。随着技术的进步，定转矩气扳机、电动智能拧紧机的应用也越来越多，在汽车、发动机、工程机械等行业正逐步推广使用。在实际的操作过程中，螺纹拧紧应注意以下问题。
（1）螺纹有公制和英制之分，紧固螺纹时应注意工具的选用，不同规格的螺钉头应选用相应规格的扳手。沉淀池
（2）安装螺钉时，注意螺钉头与贴合的表面之间应保持光洁、平整，螺孔内的异物、油脂等应清理干净。
（3）螺钉成组装配时，应根据被联接件的形状和螺钉的分布情况合理地分几次进行拧紧（一般为2～3次）。长方形布列的成组螺钉，拧紧时应该从中间开始，逐渐向两边对称地扩展，圆形或方形布列的成组螺钉，应对称拧紧。
（4）联接件在工作中有震动或冲击时，必须有可靠的防松装置，且要注意控制好同一结构中各个部位的力矩一致性。
（5）在螺钉拧紧的过程中，为了避免出现漏紧的问题，建议在螺钉拧紧到规定要求后，在相关的部位做标记，以确保不会出现漏紧或随意变动的问题。
6结束语
本文将理论与实践经验相结合，对螺钉的拧紧力矩选择原则进行了简单的总结，意在为目前尚无统一螺钉拧紧力矩选取标准的装配行业提供一个较为可靠的参考标准。但本文提供的数据仅限于普通螺钉的常规紧固连接，特殊
连接的预紧力计算和拧紧力矩的选择标准还有待进一步研究和探讨。
参考文献：
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机械与电气工程，2013，12（1）：102-105.
［2］张振华，应秉斌，矫明.螺栓拧紧力矩的确定方法及相关探讨［J］.化学工程及装备，2009（8）：105-107.
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材料工程，2005（11）：43-45.
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［7］孙训方.材料力学1［M］.北京：高等教育出版社，2002.
［8］孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学2［M］.北京：高等教育出版社，2002.
［9］GB/T3089-2008.紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱［S］.
［10］德国标准化学会.DIN267性能等级（螺栓强度等级）［S］.德国，2001.
作者简介：区焕财，男，1988年生，广东佛山人，硕士研究生。研究领域：机械及结构设计。
(编辑：向飞)
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