拧紧力矩与预紧力

家用电器厂在生产某型产品时，经常出现批头、电批套筒或风批套筒被打 断的现象。原

因是一些重要零部件如发热管、R型弹簧等的固定都需要用很大的 扭力矩来旋紧螺钉，而批头、电批套筒或风批套筒的极限扭力矩不能达到螺钉拧 紧的拧紧力矩要求，致使其超过能够承受的最大拧紧力矩而折断。但是，螺钉的 拧紧力矩到底需要多大？目前尚没有一个确切的或者令人信服的标准来衡量。

那么，有没有办法给定螺钉比较准确的标准值呢？答案是肯定的。 下面以某产品弹性元件固定螺钉 PM5< 10为例，来计算它的拧紧力矩。

2、螺纹联接的拧紧力矩

我们知道，在螺栓联接中，只有适当的预紧力才能保证螺栓可靠联接。而 预紧力则是通

过控制施加于螺钉的拧紧力矩或转角来间接实现的。 但是，螺栓轴

力与拧紧力矩之间的对应关系严重地受到摩擦条件的影响。摩擦一方面是螺纹自 锁防松的必要条件，另一方面摩擦消耗大量拧紧力矩（能量）从而影响螺栓轴 力。

拧紧时，扳手或电批（风批）力矩 T用于克服螺纹副的螺纹阻力矩 Ti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= T i+ T2=KFO d （ N -mm）

d 螺纹公称直径 （mm ）

FO――预紧力（N）

K――拧紧力矩系数 （无量纲）

其中，K值与螺纹中径、螺纹升角、螺纹当量摩擦系数、螺母与被联接件 支承面间的摩

擦系数有关。而这些参数的取值都比较复杂。要准确地计算出 K

值，就要通过针对性的试验，同时测得预紧力和紧固扭矩才能间接获得拧紧力矩 系数K值。一般情况下，在各种条件下的 K值，可参考下表中的数据。

拧紧力矩系数K K值 摩擦表面状态 有润滑 无润滑 精加工表面 一般加工表面 表面氧化 镀锌 干燥加工表面 0.10 0.13〜0.15 0.12 0.18〜0.21 0.24 0.20 0.18 — 0.22 0.26~0.30 本例中，因为没有具体的实验参数，K按上表取值。由于螺钉拧紧在发热 盘铝合金基材上，铝合金的硬度较低，摩擦力较大。故按干燥加工表面无润滑取 值，贝U K值的取值范围是0.26〜0.30，取最小值K=0.26。

螺纹联接的预紧力

螺纹联接预紧力的大小，要根据螺钉组受力和联接的工作要求决定。设计 时首先要保证所需的预紧力，又不应使联接的结构尺寸过大。一般规定拧紧后螺 纹联接件的预紧力不得大于其材料屈服强度 os的80%。对于一般联接用的钢制 螺栓，推荐的预紧力限值如下：

碳素钢螺钉 F0 = (0.6~0.7 ) os As (N) 合金钢螺钉 F0 = (0.5~0.6 ) os As (N) 式中os ――螺钉材料的屈服强度

(MPa)

弹性元件固定螺钉是PM5X 10，材料是SWRCH18A，类似于国产20#优 质碳素结构

钢，性能等级若按 4.8级取值，其公称屈服强度 os =320Mpa。

A s ------- 螺纹公称应力截面积 mm2。

式中d2 -------------- 外螺纹中径 mm

d3——螺纹的计算直径，d =d -H/6，其中H为螺纹原始三角形高 度mm。 d1 ---------- 外螺纹小径 mm

查GB196-81《普通螺纹基本尺寸》， PM5X 10螺钉的外螺纹小径 di

=4.134mm , 中径d2 =4.480mm，螺距p=0.8mm，螺纹原始三角形高度 H=0.866025404p=0.6928203232mm ，

所以，d =di -H/6=4.134-0.6928203232/6=4.01852994613mm 由此，螺纹的公称应力截面积 As为

。

F0 = (0.6~0.7 ) os As = (0.6~0.7 ) X320X14.174=2721.408 〜3174.976 (N),取最小值 F0 =2721.408 (N)

PM5 X0螺纹的拧紧力矩：

T=KF。d

=0.26 2721.408 >5 =3537.3 (Nmm)

〜3.5373( Nm)

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。螺纹牙型的剪应力及 弯应力按如下公式进行校核：

X

剪应力占

KJ Dbz

弯应力：

3Fw2h K Dbz £

式中Fw——最大轴向外荷载，本例中即预紧力 F0 (N)

D ----- 内螺纹大径(mm) b ——螺纹牙根部宽度(mm) kz——载荷不均匀系数

对于本例外螺纹为钢，内螺纹为铝合金的螺纹联接, 故

=6p/d=0.96。

b=0.87p=0.87 X.8=0.696mm

d/p=5/0.8=6.25 V 8，

h——螺纹牙的工作高度，为螺纹原始三角形高度 H的5/8，即

h-5H/8-^ X0.866025404p-0.54126587^p^0.443mm z 螺纹牙数。本例中，螺钉长度=10mm，弹簧垫圈、平垫片及 R 型弹簧的总厚度

4mm，螺纹的旋合长度是10-4=6mm。螺距p=0.8mm，螺纹的 牙数z=6/0.8=7.5，取z=7。[注：螺纹在铝合金中的拧入深度即旋合长度应为

（1.5〜2.5）d，照此计算，本例中旋合长度应为 9〜15mm，而实际长度是6mm , 似太短]。

T [口 ---- 婢纹牙型的剪切许用应力・Mga. [!]=-* n 2]——螺纹牙型的抗弯许用应力，Mgao [o]=^fl n n――材料的安全系数。对于在交变载荷作用下的弹性元件（反复加 热一一冷却过

程中产生的载荷），其固定螺丝也受交变载荷的影响， 其安全系数 n=1.2〜2.0，取较大值，则n=2.0。

YL113能够查到的性能参数是：抗拉强度 ob > 230Mpa伸长率1%。无 疲劳极限和剪

切强度。一般伸长率要控制在 0.5%以内，os按前/2取值（因拉 压力试验机上没有用于拉伸试验的夹具，所以 os按此取值），约为115Mpa。

从铝合金基材上截取一块试样，制作成三块截面为5.0 >5.0mm的试件（第 一次试验的

试件截面尺寸是10.0 X5.0mm，因拉压力试验机的最大压力达不到试 件剪切所需的荷重而将截面减小）在拉压力试验机上做剪切试验，得到 YL113 的平均剪切强度 T为107.2Mpa。于是： [T]=工二竺？6.8 Mpa 11 2 [u]=Lr=111=57.5 Mpa Il 2*0 2721.408 K JI Dbz 0,96 x3,14x5 x0,696 x7 =37,001 MpaW[f] Mpa 3Fwh

3x2721,408x0.443 0.96x3.14X5X0.6962X7 K nDb2 2z =70.767 Mpa^[c ]= 575 Mpa 上述计算说明，按螺钉的材料计算的预紧力紧固螺纹时（此时的拧紧力矩 即为3.5373N

-m），螺纹牙型承受的剪切应力小于许用剪切压力，即在这种情 况下，螺纹牙型的剪切强度是足够的。 但螺纹的弯应力远超其抗弯许用应力， 其 抗弯应力严重不足！因此，需按螺纹牙型的许用弯应力计算螺钉的预紧力。即：

F异洛沏 3h

际:^小0血二皿CN) 3x0.443 他(N) 由此推出螺钉在螺纹许用弯应力下的拧紧力矩应为：

T=KFod =KF w d

=0.26 >2211.2 >5 =2874.56

(N -mm)

〜2.88( Nm) < 3.5373( N m)

以上按螺钉材料的疲劳强度、铝合金上螺纹牙型的抗弯许用应力计算出螺 钉的拧紧力

矩，分别是 3.5373N -m和2.88N m，应取最小值2.88N m。

SOP上规定的弹性元件的扭矩范围是 2.07〜2.52N m，小于上述计算值 2.88N m，似

嫌小。

家用电器统一使用 HIOS CL-6500PS电批，其扭矩范围是0.3〜1.6 N m， 显然小于

2.07〜2.52N m。所以在打R型弹簧螺丝的工位不能使用 HIOS CL-6500PS电批。选用好帮手 PRO-T55LB风批，其扭矩范围0.7〜6.5 N m， 可以满足使用要求。

3、影响螺钉拧紧力矩的其它因素

除了风批的扭矩范围要满足螺钉的拧紧力矩外，批头能够承受的扭矩及螺 钉头部的形状对螺钉拧紧力矩的影响也非常重要，不可忽视。

本例中，批头的最大扭矩应不小于 3.0 N m。前期我们没有注意到这个因 素，用普通批

头，结果出现了很多批头被打断的现象。

固定弹性元件的螺钉是十字槽盘头螺钉，螺钉头部的十字槽能够承受的扭 矩较小，在如

此大的扭矩下，容易将十字槽打滑槽。这就是为什么我们有许多螺 钉滑槽的原因。如果产品结构允许，建议将十字槽加深，或采用十字槽六角头螺 钉，用风批套筒固定，可以有效地避免滑槽的产生。

如果必须按螺钉材料的强度确定拧紧力矩，因为铝合金基材上螺纹的抗弯 应力不够，就

必须增加螺钉的长度以增加其旋合长度， 即增加参与紧固的螺纹牙 数，以达到分散发热盘上螺纹牙受力的目的，从而降低螺纹牙承受的弯应力。

4、温度对螺纹联接预紧力的影响

在高温下工作的螺纹联接，还要考虑温差载荷、螺钉和被联接件机械性能 的变化、应力

松弛等因素的影响。当螺钉和被联接件的线膨胀系数不同， 或工作 温度不同，或者两者不同时，由于热变形不一致而使螺钉受到额外的温差载荷。 家用电器在频繁地加热-冷却过程中，螺钉因温差载荷的影响会产生松动，从而

使联接的紧固作用减小。因此，在设计时必须使剩余预紧力始终大于所要求的值， 以保证联接的紧固与紧密。

5、总结

一般情况下，螺栓的拧紧力矩与预紧力可参考国标快速查找（如附表）。 但是，对于安全性能要求很高的家用电器， 就要准确地确定出螺钉的拧紧力矩与 预紧力的关系，其关键任务就是要获得准确的拧紧力矩系数 K的值。而要取得

准确的K值，就必须对每一种具体的螺钉进行 拧紧力矩一一预紧力”试验。在获 得准确的K值后，才能放心地确定生产装配过程中需要的拧紧力矩值，而不是 仅凭手 感觉”的方法来确定螺钉是否拧紧，因为手动拧紧螺钉时产生的拧紧力矩 大小因人而异，靠感觉不能准确地判断螺钉的松紧。

附表：螺栓标准拧紧力矩及预紧力速查表

礬栓 直径 M2 也.5 DIN267性龍等级（螺栓艇度等级） 3.6 5.6 3.8 1,0.9 12,9 H (mfn) Fv(hl) 貼(Nm) Fv(N) 255 昭5 阳何） 粘（丽） Fv(N) 0.15 6 3b 0,2 710 1, 310 1,700 0.3 a 11 0, 99 1.5 幅0— FT(N) ltn (Hm) Fv(M帕g 1J70 Z.180 3 J 50 £ 250 5,750 0.5 D.1 山即 咒5 835 1, 550 2,250 3, DOO 0.35 0.33 1.3 2 3 ) 1,415 &5 5 1,050 1,400 1,350 3川仄 LIS 1,9 2 9 4. g 8. T L.q M3 113. E U 630 S5O U100 0.3T 0,57 0.85 1.7 3,800 5,100 2.2 3.4 0.館 2,250 1.4 2.8 Z贩 4, 8UO M5 +创1〕 M6 9.3 I? 5 7,7 ly 6., TOO 5.1 収quu & 9 Z 550 4,650 2.9 4,200 7 L750 4.8 6,750 12 12,400 9, DOO ie.f50o 10 25 sJTluo 13,20024, 300 11, 15 500 28,400 iU 18 43 15 36 四月雨粗略计算得出的，仅作参考。

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