螺栓预紧力计算：为什么螺栓预紧力损失会导致高振动汽车应用中的接头疲劳？

快速回答:

螺栓预紧力是在拧紧过程中在紧固件中产生的拉力。它会压缩被连接的零件，并防止它们因振动和施加的载荷而分离。随着预紧力的降低，连接件将在每个加载循环中开始移动和打开。因此，循环载荷将更多地影响螺栓，这将增加其应力水平并导致疲劳失效。螺栓预紧力计算可能有助于确定在施加特定扭矩时产生的夹紧力。有许多因素会影响该过程并导致显著的差异。CNRL 生产用于发动机、底盘、变速器和其他应用的汽车紧固件。汽车行业的生产系统已通过认证 IATF 16949 标准。

预紧力是汽车连接件中隐藏的力量，为什么？

机械连接件的功能是依靠紧固件对连接表面的拉力，即使在任何载荷作用于连接件之前，这种拉力也会压缩它们。

在系统工作过程中，振动、驾驶时的冲击、发动机运动以及扭矩的变化都会作用于连接件。当预紧力足够时，大部分载荷作用在连接件的压缩部件上，而不是作用在螺栓上。

这很重要，因为疲劳高度依赖于应力范围。正确预紧的连接件可保持螺栓上的附加循环应力较低。

失去预紧力会发生什么？

这个过程是相当可预测的。随着预紧力的降低，连接件之间的夹紧力会减小。因此，当受到动态载荷时，界面表面可能会滑动甚至分离。

更大的载荷以拉力或弯曲的形式作用于螺栓。这会导致应力水平增加，从而导致疲劳或开裂。

这在发动机支架、动力总成组件、悬架部件、排气系统和底盘连接等区域尤为重要。

什么是螺栓预紧力?

它是拧紧螺栓后在螺栓中产生的轴向拉力。这种拉力会使螺栓稍微伸长。发生的另一个现象是，两个连接的表面会被螺栓压缩。

这种压缩会产生称为夹紧力的载荷。在简单加载的连接件中，预紧力和夹紧力的大小相等，方向相反。

为什么预紧力会影响疲劳

足够的预紧力可确保连接件界面被压缩。这样，就不会发生分离，并且组件之间的摩擦将承担大部分外部施加的载荷。

如果预紧力太低，连接件将在每个循环中开始打开和关闭。螺栓承受的载荷将显著增加。

连接件的振动是预紧力降低的原因之一。横向运动可能导致连接件界面和螺纹的旋转松动。

螺栓预紧力如何计算？

一个基本的 螺栓预紧力公式 使用拧紧扭矩、螺栓直径和一个螺母系数：

Fi = T / (K × d)

其中，Fi 是估计的预紧力，T 是拧紧扭矩，K 是螺母系数，d 是标称螺栓直径。

例如，考虑一个 M12 10.9 级螺栓，目标预紧力为 50 kN。使用 0.20 的螺母系数：

T = K × d × Fi

T = 0.20 × 0.012 × 50,000 = 120 N·m

因此，在假设条件下，120 N·m 将估计约 50 kN 的预紧力。

为什么计算只是一个估计值

扭矩不能直接测量螺栓张力。施加的扭矩大部分被螺纹和轴承摩擦消耗。

螺母系数会随着润滑、电镀和表面光洁度的变化而变化。研究指出，即使仔细控制扭矩，这些变化也会导致显著的预紧力误差。

对于关键连接件，工程师可能会使用角度控制或直接张力测量。更详细的连接件计算还可以考虑螺纹几何形状、摩擦和连接件刚度。

哪些预紧力错误会导致连接问题？

预紧力不足和过量都会造成问题。正确的值取决于紧固件、连接件设计和服务条件。

预紧力太小

预紧力不足会降低连接件之间的摩擦力。振动然后可能导致运动、松动和螺栓中更高的循环应力。结果可能是疲劳失效、连接件分离或密封组件中的泄漏。

预紧力太大

过量的预紧力可能使螺栓超出其预期的应力范围。它还可能损坏螺纹或使连接的零件变形。使用更高强度的螺栓并不能自动解决问题。连接件仍必须围绕正确的预紧力和载荷条件进行设计。

摩擦和装配条件

一个常见的错误是在不考虑紧固件实际表面条件的情况下应用通用的扭矩值。

例如，在润滑的紧固件上使用干扭矩值可能会产生比预期高得多的预紧力。这就是为什么扭矩规格应与指定的紧固件和装配条件相匹配。

CNRL 螺栓扭矩图表指南 提供了有关扭矩规格的更多信息。

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更多详情

CNRL 如何支持一致的汽车紧固件性能？

计算出的预紧力仅在紧固件的尺寸、 材料, 抗拉强度和表面条件符合设计要求时才有用。

CNRL 制造 汽车紧固件 用于车辆应用，包括螺栓和其他紧固件。其汽车生产涵盖 4.8 至 12.9 级的紧固件强度，提供各种直径和长度。

公司还持有 IATF 16949、ISO 14001 和 ISO 45001 认证。这些系统支持其制造运营中的受控生产和质量管理。

对于汽车应用，CNRL 可以在开发特定连接件的紧固件时，根据图纸、规格和应用要求进行工作。

正确的预紧力取决于比扭矩更重要的因素。紧固件等级、几何形状、摩擦、连接件刚度、振动和操作条件都起着作用。

接触 CNRL 的工程团队讨论预紧规范和特定应用的汽车紧固件要求。