螺栓预紧力计算及拧紧扭矩确定方法

螺栓在机械设备中起到了连接和固定的作用，它们通过将各个部件紧密地固定在一起，确保设备的结构稳固，从而保障设备的正常运行。在机械设备中，螺栓通常用于连接重要部件，如齿轮箱、发动机、底盘等，以确保它们在运行过程中不会出现松动或脱落，保持设备的稳定性和安全性。

在轨道列车中，螺栓的力矩设置更是至关重要。轨道列车作为运载大量乘客的公共交通工具，其安全性和可靠性是至关重要的。正确设置螺栓的力矩可以确保车辆各部件的紧固状态良好，防止在列车运行过程中由于螺栓松动或失效而引发的事故或故障。尤其是在齿轮箱等关键部件的紧固中，正确的力矩设置可以保证传动系统的稳定性，防止因螺栓松动而导致的齿轮啮合不良或轴承故障，从而确保列车的安全运行。

因此，轨道列车螺栓力矩的重要性不言而喻，它直接关系到列车的运行安全和乘客的出行体验。适当设置螺栓的力矩，定期检查和维护螺栓的紧固状态，是确保轨道列车安全运行的重要措施之一。

确定螺栓预紧的力矩的要数是：设计要求，材料和尺寸，实际情况，使用经验。

设计要求：

在机械设备中，螺栓起着连接和固定部件的重要作用。设计工程师在设计过程中会根据设备的功能和工作环境确定螺栓的预紧力矩。这个预紧力矩范围通常由设计要求和标准规范确定。设计工程师会考虑到连接部件的材料、尺寸、工作条件以及安全性等因素，然后根据这些因素来确定每个螺栓连接点所需的预紧力矩范围。这些设计要求的制定是为了确保螺栓连接的可靠性和稳定性，以及整个设备的安全运行。因此，在确定螺栓的预紧力矩时，需要严格遵循设计要求和标准规范，以确保连接的质量和性能。

材料和尺寸：

在确定螺栓的预紧力矩时，首先需要考虑螺栓和连接部件的材料、尺寸和表面状态。不同材料和尺寸的螺栓对预紧力矩的需求可能不同。材料的强度和硬度会影响螺栓的承载能力，而螺栓的尺寸则会影响其扭转性能。此外，连接部件的表面状态也会影响螺栓与工件之间的摩擦力，进而影响预紧力矩的确定。因此，在确定预紧力矩时，必须综合考虑这些因素，确保螺栓连接的可靠性和稳定性。

实际情况：

在实际情况下，需要考虑到安装环境和工作条件的各种因素，例如振动、温度变化等因素。这些因素可能会对螺栓的预紧力矩选择产生影响。例如，在高振动环境下，需要增加螺栓的预紧力矩以确保连接的牢固性；而在温度变化较大的情况下，需考虑热胀冷缩对螺栓的影响，可能需要根据温度变化调整预紧力矩。因此，实际情况的考虑对于确定螺栓的预紧力矩至关重要，以确保连接的安全可靠。

使用经验：

根据经验和实际情况确定适当的预紧力矩是至关重要的。通常，针对特定类型的连接，可以参考以往的经验和一些常规的预紧力矩值。这些值是根据工程师的经验积累和相关标准制定的，可以作为选择预紧力矩的参考，但需要结合实际情况进行调整，以确保连接的安全可靠。

常规的轨道列车齿轮箱在装配过程的案例：

以GB/T 5781-2000标准8.8级M10普通牙距螺栓去紧固法兰盖到箱体时的力矩选择是

8.8级M10螺栓的预紧力（拧紧扭矩）可以通过以下公式计算：

其中：

T 是拧紧扭矩（单位：牛顿米）

K 是螺栓摩擦系数

D 是螺栓的公称直径（单位：米）

F 是预紧力（单位：牛顿）

通常情况下，K 可以取0.15到0.20之间的数值，取决于螺栓和螺母的材料、表面处理情况以及润滑情况等因素。

预紧力 F 可以通过以下公式计算：

推导过程：首先根据预紧力 F 和摩擦系数 K，可以得到拧紧扭矩 T的表达式为T=K×D×F。然后根据拧紧扭矩的定义，可以将拧紧扭矩表示为力矩的形式，即T=F×r其中 r 是螺栓的臂长（即螺栓头到螺纹处的距离）。将这两个表达式联立，即可得到预紧力 F 的表达式为

根据您提供的公式和数据，假设摩擦系数K=0.15,螺栓的公称直径D=10MM,预紧力F=4000N，代入公式计算;

T=K×D×F

T=0.15×0.01M×4000N

T=60 N×M

因此，最终的拧紧力矩为60Nm

根据连接件的要求和设计规范，确定预紧力，通常在螺栓的屈服强度的60%至80%之间。

60Nm×80%=48Nm    

60Nm×60%=36Nm

球墨铸铁螺孔的承受能力，通常是400至600MPa。综合考虑螺栓和螺孔的强度特性，我们可以确定合适的螺栓力矩。根据通常的工程实践，力矩的预紧值可控制在螺栓屈服强度的60%至80%之间。

因此，针对8.8级M10螺栓和球墨铸铁螺孔的情况因此碳钢的8.8级M10普通螺牙的螺栓力矩在36Nm~48Nm之间。

具体在操作时工程师会锁定一个相对固定的装配螺栓锁紧力矩。主要是为了方便质量管控，以及法兰盖上的6~8个螺栓以同时的力矩受力。因此批量生产当中此规格的螺栓数值是在36Nm~48Nm之间，都是可以确保部件是连接可靠的。

螺纹连接的受力分析

研究螺纹连接的受力模型，需要引入古典摩擦定律：阿蒙顿-库伦定律。也就是我们所熟知的公式：f=μN。

其中：

f---摩擦力；μ---摩擦系数；N---支撑力或者正压力。

阿蒙顿-库伦定律告诉我们：

· 摩擦力与法向载荷成正比；

· 摩擦因数与接触面积无关;

· 摩擦因数与滑动速度无关;

· 静摩擦因数大于动摩擦因数。

上图F为全反力：接触面给物体的摩擦力f与支持力N的合力称为全反力F。F与截面面法线方向N的夹角则称为摩擦角ρ。

因此tanρ=f/N=μN/N=μ，所以ρ=arctanμ。由公式可以看出：摩擦角只决定于摩擦因数。

为什么要引入摩擦角的概念，是因为受力模型分析的时候，会涉及到此角度。

如下图为一个外螺纹的示意图，而螺栓拧紧的过程我们可以将这个复杂的问题简化为我们更为熟悉和容易接受的斜面推物块的问题。

螺栓螺纹可等效为一个绕螺杆圆柱，其中斜面与水平面之间夹角为β，也就是所谓的螺纹升角。螺纹展开就是一个斜面，因此可将螺栓看作斜面，将螺母看作滑块。螺栓的拧紧过程实际上就是通过对螺母施加一个使其能够沿斜面向上滑动的力，从而得到一个力W，这个W就是我们想要的螺栓轴向预紧力。

如果我们用简图将螺纹的受力模型画出来的话，就需要将螺母的支撑面等效为长为πd2的水平面，其中d2大家应该知道为螺纹的中径，那么螺栓与螺母的螺纹面就等效为斜面，螺栓则可以等效为斜面上的滑块，螺栓的预紧力等效为滑块重力，拧紧螺母相当向左推动重物下的三角块。因此我们可以得到下面的受力分析图：