螺栓設(shè)計(jì)：僅受軸向載荷的工況下，預(yù)緊力應(yīng)該怎么設(shè)計(jì)

oilpig

大家好，請(qǐng)教關(guān)于螺栓預(yù)緊力的設(shè)計(jì)。

如圖所示，工件在工作臺(tái)上以最大0.01m/s的速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工件上用螺栓固定了一根鋼絲，鋼絲上需要產(chǎn)生的最大拉力為45N。由于體積限制，不能在工件的另一端加螺母進(jìn)行固定。

8 U  E4 P% n4 Y' Y8 c2 G我現(xiàn)在的問題是螺栓螺紋的預(yù)緊力應(yīng)該怎么確認(rèn)。一定的預(yù)緊力對(duì)于螺紋連接的可靠性和連接件的疲勞強(qiáng)度肯定是有利的。但是，我在資料里面只找到根據(jù)螺栓連接承受的徑向載荷來確定預(yù)緊力的方法。請(qǐng)問各位，有什么方法確定只受軸向載荷的預(yù)緊力呢？謝謝！
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參考資料：西北工業(yè)大學(xué)的第九版的《機(jī)械設(shè)計(jì)》

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  橫向載荷X螺紋升角是什么？

水水5

機(jī)械設(shè)計(jì)課本里螺栓的預(yù)緊力工況是軸向載荷啊~以壓力容器的法蘭為例講解的。西北工業(yè)大學(xué) 第七版 濮良貴主編   72頁(yè)  
0 q0 H% s" E+ A) G  Q' S6 l緊螺栓連接計(jì)算，雖然沒有直接給出預(yù)緊力的計(jì)算方法，但是給出了預(yù)緊力和殘余預(yù)緊力、工作拉力之間的關(guān)系。與螺栓及被連接材料的相對(duì)剛度有關(guān)。
: r( ^! W1 V- s" Z; I6 `" V: j雖然你的螺栓在工作中只承受軸向拉力，但是擰緊的過程中是扭轉(zhuǎn)載荷，所以也要考慮扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切情況。

oilpig

709079691 發(fā)表于 2015-6-16 09:03
' f; W2 |) u' f橫向載荷X螺紋升角是什么？

; @7 H* k8 x( d) f準(zhǔn)備選用較小公稱直徑的粗牙螺紋。以公稱直徑1mm，螺距0.25為例。螺紋升角為4.55°

oilpig

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水水5 發(fā)表于 2015-6-16 09:14
機(jī)械設(shè)計(jì)課本里螺栓的預(yù)緊力工況是軸向載荷啊~以壓力容器的法蘭為例講解的。西北工業(yè)大學(xué) 第七版 濮良貴主編 ...

我理解的預(yù)緊力主要是防止連接件相對(duì)滑移。對(duì)于我這種基本只受與螺栓連接方向一致的載荷的工況，是不是預(yù)緊力主要就是防止鋼絲來回拉動(dòng)，使得螺紋連接松掉？

那么設(shè)計(jì)思路是不是就是這樣的，
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6 Z9 [/ O' @$ }$ A! a$ _; f& `1. 直接根據(jù)工況確定殘余預(yù)緊力，查的資料，對(duì)于工作載荷不穩(wěn)定時(shí)，殘余預(yù)緊力=（0.6～1.0）工作拉力
2. 由殘余預(yù)緊力+工作拉力確定螺栓總拉力
3. 由總拉力，螺栓材料，性能等級(jí)確定螺栓的直徑
4.檢驗(yàn)設(shè)計(jì)
0 e% i5 H3 V* Z$ z$ n- Z     4.1 根據(jù)螺栓及連接件的材料確定相對(duì)剛度，借此算出總拉力變動(dòng)范圍（怎樣判斷變動(dòng)范圍是不是適合自己的應(yīng)用？）
     4.2 反算出預(yù)緊力，對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，不能超過上限
     4.3 對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，校核螺栓的疲勞強(qiáng)度

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水水5

oilpig 發(fā)表于 2015-6-16 10:12
$ P$ V; {# H9 j0 \; L我理解的預(yù)緊力主要是防止連接件相對(duì)滑移。對(duì)于我這種基本只受與螺栓連接方向一致的載荷的工況，是不是預(yù) ...

; }) e: K+ `! P4 j同意
速度很低，疲勞就不用校核了吧
' c0 d4 {" d6 O4 l- ^$ Z5 g. O; {

曾經(jīng)的自我

按照樓主的說法，這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，如果真的要算預(yù)緊力，那你就可以按照書里面承受軸向載荷和工作拉力的這一節(jié)去套用公式。
那預(yù)緊力就很簡(jiǎn)單，碳素鋼0.6*屈服強(qiáng)度*螺栓危險(xiǎn)截面積。然后按照上面公式去套用，根據(jù)材料等來選擇螺栓的相對(duì)剛度，結(jié)合你螺栓的工作拉力45N，去驗(yàn)證是否合理安全。當(dāng)然，疲勞也可以按后面的公式計(jì)算。
計(jì)算其實(shí)很簡(jiǎn)單，不必想的過于復(fù)雜，什么橫向受力，扭轉(zhuǎn)等，如果這些還考慮，那不可能有結(jié)果的。
0 Q5 o+ ], P& b另外，根據(jù)這個(gè)情況，我覺得根部不需要去計(jì)算什么預(yù)緊力，原因如下：
1.工作拉力才45N，那你想用多大的螺栓，加入M2吧，夠小的了，鋼絲繩怎么連接都是問題了，4.8級(jí)，夠低了，它的預(yù)緊力就是600N左右吧，那么螺栓總拉力極端情況采食645N，這個(gè)應(yīng)力的變化太小了，以至于工作拉力對(duì)預(yù)緊力產(chǎn)生不了什么影響的，所以沒有必要去算；
2.工作拉力能計(jì)算，但是怎么控制和實(shí)現(xiàn)，你不可能去采用負(fù)載的拉力測(cè)量設(shè)備，而最常見的是扭矩扳手，這里就有一個(gè)扭矩的測(cè)量問題，簡(jiǎn)化點(diǎn)就是T=kFd，就是扭矩=扭矩系數(shù)*預(yù)緊力*直徑。k想精確得到必須去測(cè)量，不同批次螺栓，不同的墊圈，k差異很大，達(dá)到什么程度，舉例說，M10以上的螺栓，你可以在網(wǎng)上查到扭矩的推薦值，但按這個(gè)值去做，很多螺栓可能斷掉，除了螺栓質(zhì)量問題，就是扭矩系數(shù)的差異了。實(shí)際很多重要部位的螺栓，特別是規(guī)格大的，高強(qiáng)度的，都要有扭矩要求，甚至要測(cè)量每批螺栓的扭矩系數(shù)和螺栓質(zhì)量。做不到這些，談控制扭矩和預(yù)緊力沒有太大意義。最多只能將預(yù)緊力控制到一定范圍，這個(gè)范圍可能很大。對(duì)于很小規(guī)格的螺栓， 我個(gè)人認(rèn)為是測(cè)不出這個(gè)數(shù)據(jù)的，也沒有人回測(cè)。
5 {* h; b7 f) f) {# n! l: C1 [建議選用比計(jì)算稍大的螺栓，使得無(wú)論怎么預(yù)緊都比工作拉力大很多就行了
  L  |, U# |7 k, D4 |; p. ]  o這樣就不會(huì)斷，也不會(huì)松，當(dāng)然也沒有疲勞問題

幸會(huì)幸會(huì)

受軸向變載的螺栓應(yīng)力幅是主要影響因素，除靜強(qiáng)度外，要特別校核螺栓變載應(yīng)力幅要小于許用應(yīng)力幅。許用應(yīng)力幅得根據(jù)具體的螺栓尺寸、材料和制造工藝來確定了，下圖可參考一下
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oilpig

曾經(jīng)的自我 發(fā)表于 2015-6-19 12:38
按照樓主的說法，這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，如果真的要算預(yù)緊力，那你就可以按照書里面承受軸向載荷和工作拉力的這一節(jié) ...

你好，感謝你的回答。我有幾個(gè)疑問：

0 J& t, B, [' ]/ H1. 通過閱讀書籍，我認(rèn)為首先應(yīng)該根據(jù)工作載荷和連接緊密型的要求算出殘余預(yù)緊力；然后根據(jù)材料的相對(duì)剛度和殘余預(yù)緊力計(jì)算出預(yù)緊力。你回復(fù)里的“0.5*屈服極限*危險(xiǎn)截面積”應(yīng)該是作為校驗(yàn)當(dāng)前預(yù)緊力是否合適的。
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9 @# ^3 C- i; r9 p$ V$ @* d2. “選用比計(jì)算稍大的螺栓，使得無(wú)論怎么預(yù)緊都比工作拉力大很多就行了”，前半句代表靜強(qiáng)度計(jì)算，涉及到螺紋連接件的許用拉應(yīng)力和螺栓總拉力，確實(shí)能保證不會(huì)斷；后半句說明殘余預(yù)緊力始終遠(yuǎn)大于0，確實(shí)保證不會(huì)宋。但是我不太理解這怎么保證受軸向變載荷的連接沒有疲勞問題了？請(qǐng)賜教！

oilpig

幸會(huì)幸會(huì) 發(fā)表于 2015-6-19 12:47
: ~1 S& c$ J! P1 G) [+ R3 N受軸向變載的螺栓應(yīng)力幅是主要影響因素，除靜強(qiáng)度外，要特別校核螺栓變載應(yīng)力幅要小于許用應(yīng)力幅。許用應(yīng)力 ...

你好，感謝的你回復(fù)。我在做疲勞強(qiáng)度的校核。
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我在計(jì)算螺栓的最大應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)時(shí)遇到了問題。其中有一個(gè)參數(shù)叫做有效應(yīng)力集中系數(shù)，我在查資料的時(shí)候發(fā)現(xiàn)都是“公稱直徑12mm的普通螺紋的拉壓有效應(yīng)力集中系數(shù)”。但是我設(shè)計(jì)的螺紋的公稱直徑為2mm，不知道能不能采用相關(guān)的系數(shù)，或者需要去其他地方找資料？