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摘要：本文主要针对普通螺纹联接的预紧力、防松问题进行分析研究，从而得出可靠的确定用螺栓联接体的预紧力和防松方法。
关键词：螺纹；螺纹联接；预紧力；防松
The Pre-stressing Force and Loosening Prevention of Screw Thread Coupling
Chen Xin Hua
(Sinacom Engineering & Manufacturing Group, Shanghai, 201108)
ABSTRACT: The analysis of the pre-stressing force and the problem about preventing loosening to common coupling bolts is carried out in this paper. From this passage we can find the way of how to determining the value of bolts’ pre-stressing force, also we can know the method of preventing bolts loosening.
KEYWORDS: Screw thread, Coupling bolt, Pre-stressing force, Prevent loosening
中图分类号：TH131.3 文献标识码： A
1 前言
当今世界，随着微电子、信息工程、网络、航空航天、太空等领域的新兴技术崛起和发展，引起传统技术领域内如机械制造业的剧烈变化，并对最基本的机械零件之一——紧固件的发展也产生了深远的影响。螺栓）螺母体联接，作为最常用的紧固件之一，在这些新兴技术不断发展的冲击下，顺应着时代的潮流，其机械连接、紧固的安全性方面要求更高，并不断地更新和发展。
众所周知，螺栓螺母体联接是紧固件连接中最基本、最常见的一种结构形式，有着构造简单、成本低、连接可靠、制造装拆方便等诸多优点，在现代工业中被广泛應用。常见的螺栓联接一般都是紧螺栓联接，即安装时需要将螺栓螺母拧紧，只有极个别机械结构如飞机操纵拉杆的铰链螺栓联接等是松螺栓联接。机械结构在紧螺栓联接时，必须考虑螺栓的预紧力和防松动这些问题，这两方面的问题都直接关系到设备的正常运行和安全性，绝不容小视。
目前，一般机械设计行业中，对于预紧力的计算，并未给出具体的指导性意见。此外，对于机械设备的重要结构部件，如主机、齿轮箱、高弹性联轴器等，希望设计方能给出螺栓联接的预紧力。本文旨在给出一个比较可行的、比较合理的螺栓螺母体联接预紧力选取标准和方法，供各位设计人员参考。
2 螺纹联接的预紧
2.1 螺纹的定义
在圆柱体或近似圆柱体外表面或内表面形成的截面相同的线圈突出部分称为螺纹牙，具有螺纹牙的柱体整体称为螺纹。当螺纹牙在柱体外表面时称为外螺纹；当螺纹牙在柱体内表面时称为内螺纹。
2.2 预紧的目的
螺纹联接的实质就是内外螺纹相互配合，靠结合面磨擦力工作状况。预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对于连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接尤为必要。当然，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致螺纹体破坏，以致连接失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。
2.3 预紧力QP的确定
普通螺栓的连接，在螺母拧紧时会受到两种应力：一种是由预紧力引起的拉伸应力（包括当有外力作用螺纹联接体时补加到螺纹部分的拉伸应力）；另一种是由螺纹力矩引起的扭转剪应力。有关文献计算表明，当预紧应力σP达到螺栓屈服极限σs的0.78倍时，螺栓的外螺纹沟底开始破坏。也就是说，选取σP时首先必须满足的第一个前提条件是σP＜0.78σs；其次，在保证连接的可靠性前提下，为了能充分发挥螺栓连接的潜力，我们应当尽量选取较高值。在实际应用中，还有许多影响σP选取的因素，如：外力，受拉螺栓还是受剪螺栓，螺栓是否承受变载荷，对连接有无密封要求，螺纹精度等级，装配工装和安装方法的精确程度，连接所在部位是否便于安装等等。这些因素都是预紧力指标的确定应该考虑的重要因素。对于受拉（应用最多）螺栓连接，有这样一组结论提供给我们来比较准确地选取σP值：
·在一般机械上，σP=（0.5～0.7）σS；
安全性和连接要求高可选取σP=0.5σS，
·在航空航天机械上，σP≈0.35σS；
·在特殊连接如高强度螺栓摩擦连接，σP≈0.75σS。
一般机械结构连接，钢螺栓所用的预紧力在考虑上述因素的基础上可以参考表一的数据来选择。
表一 一般机械连接用钢螺栓的预紧力
对于重要的螺栓连接和安全要求高的螺纹联接，设计人员在产品装配图样中应标明预紧力或拧紧力矩数值。产品安装时要采取措施严格控制。
2.4 拧紧力矩
在螺纹连接体中，施加在螺母上的拧紧力
矩Tf等于螺母与被连接件或垫圈支承面间的摩
擦力矩与螺纹副的摩擦力矩之和。经有关文献计算简化后得到同时适用于粗牙和细牙螺纹的数学表达式，如下：
Tf=0.12×σs×As×d
式中，σs——螺栓屈服极限；
As——螺栓螺纹有效截面面积；
d——螺纹的公称直径。
在实践中，一般采用指针式扭力扳手或数值式扭力扳手来安装螺纹连接体，通过控制拧紧力矩来实现控制预紧力，这种方法简单、极易实施，而且成本也低。ISO标准中有给出公制螺纹用扭矩扳手拧紧时需要的的拧紧力矩指示值，这些数值是按照上面给出的拧紧力矩计算公式得出的，如表二所示。一些技术力量强大的制造设备公司都用自己的一套标准对重要螺纹连接选取连接螺栓的拧紧力矩。如专业从事高弹性联轴器及传动轴产品的开发和生产的德国VULKAN和CENTA公司，会对用户提供相应产品螺栓联接的预紧力矩。本文表三所示的，就是CENTA公司给出的螺栓联接的拧紧力矩值。通过对表三所示的数值进行演算和验证，发现其Tf值也是基本按照前面给出的拧紧力矩计算公式得来的，只是在选用σs的值时，是按照ISO标准中相应螺栓的机械性能等级规定的最小屈服强度（σs或σ0.2）来选取的，并留有8%的安全余量。这是不难理解的。因为高弹性联轴器除了有效地传递扭矩外，还要吸收振动（尤其是扭转振动产生的交变扭矩），补偿轴向和径向位移。而表三所示的拧紧力矩值明确允许有±5%的误差，这是由于连接件和被连接件的表面质量（包括粗糙度、螺纹精度、润滑、镀层等）和拧紧速度等有所差别而造成的。这±5%的许用误差给用户增加了可操作性。VULKAN公司也同样在他们的产品说明书中给出了螺栓拧紧力矩一览表，通过与CENTA公司提供的拧紧力矩值对比,发现与CENTA公司给出的拧紧力矩值差别微小，都在同一个数量级范围内。多年来设计的工程实践经验证明，VULKAN和CENTA公司给出的拧紧力矩值，对于高弹性联轴器的工作的可靠性是有足够保证的。因此，本文在这里向各位设计人员郑重推荐选用表三给出的拧紧力矩值作为设计的依据。同样，对于主机、齿轮箱等重要机械设备，其底脚螺栓拧紧力矩也可按表三来选取。对于重要设备的联接螺栓，一般都选用的性能等级为8.8级（相应地，与其相配的螺母性能等级选取8级）。如果选用的螺栓性能等级小于8.8级，则可按表二所示，再留有8%的余量来选取。当然，机械设备中特殊的机械连接也必须特殊对待。
表二 ISO公制螺纹的机螺钉类、螺柱和螺母用扭矩扳手
表三 CENTA公司螺栓拧紧力矩一览表
3 螺栓连接的防松
机械结构中的螺纹连接在如下的工作环境如变载荷、振动和冲击作用下，以及工作温度变化很大时可能松动。螺纹连接松动后会引起预紧力减小甚至丧失，从而无法保证连接的紧密性，造成连接件过早产生疲劳破坏，连接失效，最后导致发生故障。
3.1 松动原理
一般说来，以扭矩Tf拧紧的螺纹联接体，只要作用在螺母或螺栓头上的松动扭矩不大于0.8Tf，就不会发生松动。但实际上，螺母即使不回转松动，预紧力也会下降；螺母即使不受松动扭矩作用，也可能会发生松动回转。
3.1.1 支承面压陷引起的松动
螺栓头或螺母支承面的接触压强大时，被联接件的表面与螺栓头或螺母支承面接触处有环状压陷。继续使用过程中，由于塑性形变继续发生，紧固长度内的螺栓的拉伸力减小，螺母不回转，联接的预紧力也会降低。
3.1.2 螺母自动回转引起的松动
在变载、振动和冲击作用下，螺纹副的摩擦系数急剧降低，且螺纹副和螺母支承面处的摩擦力会瞬时消失，螺纹副无法满足自锁条件而使螺纹副间产生相对滑动，导致螺母回转，多次重复以后就会产生松动。
3.2 防松方法
（1）采用细牙螺纹 与粗牙螺纹相比，细牙螺纹的升角小，相对的摩擦系数也小，自锁条件相比较粗牙螺纹有可能得到保证。
（2）弹性垫圈GB93-87在螺纹连接体之间放置弹性垫圈，这是最常见的防松方法，利用弹性垫圈上下端面变形产生摩擦力作用螺栓头或螺母支承面，达到一定的防松效果。
（3）双螺母 用两个等高螺母，先用拧紧力矩的80%拧紧下面的螺母，再用100%的拧紧力矩拧紧上面的螺母。这样，在螺栓螺母旋合的部分保持了牢固的压紧，螺纹联接体就不易松动。
（4）非金属嵌件锁紧螺母 螺母体上接近螺栓伸出端处嵌入尼龙环，其内径等于螺纹小径，环上不制螺纹。当螺母拧上螺栓后，尼龙环的弹性形成一个紧箍螺栓的高弹性横向压紧。
以上几种方法都是目前比较可靠、值得推荐的防松方法，还有其他许多方法如用止动垫圈、串连钢丝、冲点铆接、钎焊、开口销和开槽螺母等都是比较可靠的防松方法，只不过使用条件有些限制，但在特定的环境下都是不错的选择。
4 结束语
本文将理论与实践经验相结合，对普通螺纹的螺栓预紧力和防松问题进行了简单的归纳总结，意在为目前尚无统一的螺栓预紧力选取规范的机械行业提供一个比较可靠的参考标准。但本文提供的数据仅限于普通螺纹的螺栓、螺柱等常规紧固件连接，特殊连接的预紧力的计算和拧紧力矩的选取标准还有待于进一步研究和探讨。
参考文献
[1]螺纹联接的理論与计算，山本晃著，郭可谦等译，上海科学技术文献出版社，1984年1月
[2]紧固件连接设计手册，《紧固件连接设计手册》编写委员会，国防工业出版社，1990年12月
关键词：螺纹；螺纹联接；预紧力；防松
The Pre-stressing Force and Loosening Prevention of Screw Thread Coupling
Chen Xin Hua
(Sinacom Engineering & Manufacturing Group, Shanghai, 201108)
ABSTRACT: The analysis of the pre-stressing force and the problem about preventing loosening to common coupling bolts is carried out in this paper. From this passage we can find the way of how to determining the value of bolts’ pre-stressing force, also we can know the method of preventing bolts loosening.
KEYWORDS: Screw thread, Coupling bolt, Pre-stressing force, Prevent loosening
中图分类号：TH131.3 文献标识码： A
1 前言
当今世界，随着微电子、信息工程、网络、航空航天、太空等领域的新兴技术崛起和发展，引起传统技术领域内如机械制造业的剧烈变化，并对最基本的机械零件之一——紧固件的发展也产生了深远的影响。螺栓）螺母体联接，作为最常用的紧固件之一，在这些新兴技术不断发展的冲击下，顺应着时代的潮流，其机械连接、紧固的安全性方面要求更高，并不断地更新和发展。
众所周知，螺栓螺母体联接是紧固件连接中最基本、最常见的一种结构形式，有着构造简单、成本低、连接可靠、制造装拆方便等诸多优点，在现代工业中被广泛應用。常见的螺栓联接一般都是紧螺栓联接，即安装时需要将螺栓螺母拧紧，只有极个别机械结构如飞机操纵拉杆的铰链螺栓联接等是松螺栓联接。机械结构在紧螺栓联接时，必须考虑螺栓的预紧力和防松动这些问题，这两方面的问题都直接关系到设备的正常运行和安全性，绝不容小视。
目前，一般机械设计行业中，对于预紧力的计算，并未给出具体的指导性意见。此外，对于机械设备的重要结构部件，如主机、齿轮箱、高弹性联轴器等，希望设计方能给出螺栓联接的预紧力。本文旨在给出一个比较可行的、比较合理的螺栓螺母体联接预紧力选取标准和方法，供各位设计人员参考。
2 螺纹联接的预紧
2.1 螺纹的定义
在圆柱体或近似圆柱体外表面或内表面形成的截面相同的线圈突出部分称为螺纹牙，具有螺纹牙的柱体整体称为螺纹。当螺纹牙在柱体外表面时称为外螺纹；当螺纹牙在柱体内表面时称为内螺纹。
2.2 预紧的目的
螺纹联接的实质就是内外螺纹相互配合，靠结合面磨擦力工作状况。预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对于连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接尤为必要。当然，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致螺纹体破坏，以致连接失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。
2.3 预紧力QP的确定
普通螺栓的连接，在螺母拧紧时会受到两种应力：一种是由预紧力引起的拉伸应力（包括当有外力作用螺纹联接体时补加到螺纹部分的拉伸应力）；另一种是由螺纹力矩引起的扭转剪应力。有关文献计算表明，当预紧应力σP达到螺栓屈服极限σs的0.78倍时，螺栓的外螺纹沟底开始破坏。也就是说，选取σP时首先必须满足的第一个前提条件是σP＜0.78σs；其次，在保证连接的可靠性前提下，为了能充分发挥螺栓连接的潜力，我们应当尽量选取较高值。在实际应用中，还有许多影响σP选取的因素，如：外力，受拉螺栓还是受剪螺栓，螺栓是否承受变载荷，对连接有无密封要求，螺纹精度等级，装配工装和安装方法的精确程度，连接所在部位是否便于安装等等。这些因素都是预紧力指标的确定应该考虑的重要因素。对于受拉（应用最多）螺栓连接，有这样一组结论提供给我们来比较准确地选取σP值：
·在一般机械上，σP=（0.5～0.7）σS；
安全性和连接要求高可选取σP=0.5σS，
·在航空航天机械上，σP≈0.35σS；
·在特殊连接如高强度螺栓摩擦连接，σP≈0.75σS。
一般机械结构连接，钢螺栓所用的预紧力在考虑上述因素的基础上可以参考表一的数据来选择。
表一 一般机械连接用钢螺栓的预紧力
对于重要的螺栓连接和安全要求高的螺纹联接，设计人员在产品装配图样中应标明预紧力或拧紧力矩数值。产品安装时要采取措施严格控制。
2.4 拧紧力矩
在螺纹连接体中，施加在螺母上的拧紧力
矩Tf等于螺母与被连接件或垫圈支承面间的摩
擦力矩与螺纹副的摩擦力矩之和。经有关文献计算简化后得到同时适用于粗牙和细牙螺纹的数学表达式，如下：
Tf=0.12×σs×As×d
式中，σs——螺栓屈服极限；
As——螺栓螺纹有效截面面积；
d——螺纹的公称直径。
在实践中，一般采用指针式扭力扳手或数值式扭力扳手来安装螺纹连接体，通过控制拧紧力矩来实现控制预紧力，这种方法简单、极易实施，而且成本也低。ISO标准中有给出公制螺纹用扭矩扳手拧紧时需要的的拧紧力矩指示值，这些数值是按照上面给出的拧紧力矩计算公式得出的，如表二所示。一些技术力量强大的制造设备公司都用自己的一套标准对重要螺纹连接选取连接螺栓的拧紧力矩。如专业从事高弹性联轴器及传动轴产品的开发和生产的德国VULKAN和CENTA公司，会对用户提供相应产品螺栓联接的预紧力矩。本文表三所示的，就是CENTA公司给出的螺栓联接的拧紧力矩值。通过对表三所示的数值进行演算和验证，发现其Tf值也是基本按照前面给出的拧紧力矩计算公式得来的，只是在选用σs的值时，是按照ISO标准中相应螺栓的机械性能等级规定的最小屈服强度（σs或σ0.2）来选取的，并留有8%的安全余量。这是不难理解的。因为高弹性联轴器除了有效地传递扭矩外，还要吸收振动（尤其是扭转振动产生的交变扭矩），补偿轴向和径向位移。而表三所示的拧紧力矩值明确允许有±5%的误差，这是由于连接件和被连接件的表面质量（包括粗糙度、螺纹精度、润滑、镀层等）和拧紧速度等有所差别而造成的。这±5%的许用误差给用户增加了可操作性。VULKAN公司也同样在他们的产品说明书中给出了螺栓拧紧力矩一览表，通过与CENTA公司提供的拧紧力矩值对比,发现与CENTA公司给出的拧紧力矩值差别微小，都在同一个数量级范围内。多年来设计的工程实践经验证明，VULKAN和CENTA公司给出的拧紧力矩值，对于高弹性联轴器的工作的可靠性是有足够保证的。因此，本文在这里向各位设计人员郑重推荐选用表三给出的拧紧力矩值作为设计的依据。同样，对于主机、齿轮箱等重要机械设备，其底脚螺栓拧紧力矩也可按表三来选取。对于重要设备的联接螺栓，一般都选用的性能等级为8.8级（相应地，与其相配的螺母性能等级选取8级）。如果选用的螺栓性能等级小于8.8级，则可按表二所示，再留有8%的余量来选取。当然，机械设备中特殊的机械连接也必须特殊对待。
表二 ISO公制螺纹的机螺钉类、螺柱和螺母用扭矩扳手
表三 CENTA公司螺栓拧紧力矩一览表
3 螺栓连接的防松
机械结构中的螺纹连接在如下的工作环境如变载荷、振动和冲击作用下，以及工作温度变化很大时可能松动。螺纹连接松动后会引起预紧力减小甚至丧失，从而无法保证连接的紧密性，造成连接件过早产生疲劳破坏，连接失效，最后导致发生故障。
3.1 松动原理
一般说来，以扭矩Tf拧紧的螺纹联接体，只要作用在螺母或螺栓头上的松动扭矩不大于0.8Tf，就不会发生松动。但实际上，螺母即使不回转松动，预紧力也会下降；螺母即使不受松动扭矩作用，也可能会发生松动回转。
3.1.1 支承面压陷引起的松动
螺栓头或螺母支承面的接触压强大时，被联接件的表面与螺栓头或螺母支承面接触处有环状压陷。继续使用过程中，由于塑性形变继续发生，紧固长度内的螺栓的拉伸力减小，螺母不回转，联接的预紧力也会降低。
3.1.2 螺母自动回转引起的松动
在变载、振动和冲击作用下，螺纹副的摩擦系数急剧降低，且螺纹副和螺母支承面处的摩擦力会瞬时消失，螺纹副无法满足自锁条件而使螺纹副间产生相对滑动，导致螺母回转，多次重复以后就会产生松动。
3.2 防松方法
（1）采用细牙螺纹 与粗牙螺纹相比，细牙螺纹的升角小，相对的摩擦系数也小，自锁条件相比较粗牙螺纹有可能得到保证。
（2）弹性垫圈GB93-87在螺纹连接体之间放置弹性垫圈，这是最常见的防松方法，利用弹性垫圈上下端面变形产生摩擦力作用螺栓头或螺母支承面，达到一定的防松效果。
（3）双螺母 用两个等高螺母，先用拧紧力矩的80%拧紧下面的螺母，再用100%的拧紧力矩拧紧上面的螺母。这样，在螺栓螺母旋合的部分保持了牢固的压紧，螺纹联接体就不易松动。
（4）非金属嵌件锁紧螺母 螺母体上接近螺栓伸出端处嵌入尼龙环，其内径等于螺纹小径，环上不制螺纹。当螺母拧上螺栓后，尼龙环的弹性形成一个紧箍螺栓的高弹性横向压紧。
以上几种方法都是目前比较可靠、值得推荐的防松方法，还有其他许多方法如用止动垫圈、串连钢丝、冲点铆接、钎焊、开口销和开槽螺母等都是比较可靠的防松方法，只不过使用条件有些限制，但在特定的环境下都是不错的选择。
4 结束语
本文将理论与实践经验相结合，对普通螺纹的螺栓预紧力和防松问题进行了简单的归纳总结，意在为目前尚无统一的螺栓预紧力选取规范的机械行业提供一个比较可靠的参考标准。但本文提供的数据仅限于普通螺纹的螺栓、螺柱等常规紧固件连接，特殊连接的预紧力的计算和拧紧力矩的选取标准还有待于进一步研究和探讨。
参考文献
[1]螺纹联接的理論与计算，山本晃著，郭可谦等译，上海科学技术文献出版社，1984年1月
[2]紧固件连接设计手册，《紧固件连接设计手册》编写委员会，国防工业出版社，1990年12月