螺栓設計：僅受軸向載荷的工況下，預緊力應該怎么設計

oilpig

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大家好，請教關于螺栓預緊力的設計。
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如圖所示，工件在工作臺上以最大0.01m/s的速度往復運動。工件上用螺栓固定了一根鋼絲，鋼絲上需要產生的最大拉力為45N。由于體積限制，不能在工件的另一端加螺母進行固定。

我現在的問題是螺栓螺紋的預緊力應該怎么確認。一定的預緊力對于螺紋連接的可靠性和連接件的疲勞強度肯定是有利的。但是，我在資料里面只找到根據螺栓連接承受的徑向載荷來確定預緊力的方法。請問各位，有什么方法確定只受軸向載荷的預緊力呢？謝謝！

參考資料：西北工業大學的第九版的《機械設計》
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709079691

  橫向載荷X螺紋升角是什么？

水水5

機械設計課本里螺栓的預緊力工況是軸向載荷啊~以壓力容器的法蘭為例講解的。西北工業大學 第七版 濮良貴主編   72頁  
緊螺栓連接計算，雖然沒有直接給出預緊力的計算方法，但是給出了預緊力和殘余預緊力、工作拉力之間的關系。與螺栓及被連接材料的相對剛度有關。
( k0 y$ k; b. X: X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載荷，所以也要考慮扭轉產生的剪切情況。
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oilpig

709079691 發表于 2015-6-16 09:03
* A. ^! D# n2 W9 Z0 a* {橫向載荷X螺紋升角是什么？

準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 發表于 2015-6-16 09:14
機械設計課本里螺栓的預緊力工況是軸向載荷啊~以壓力容器的法蘭為例講解的。西北工業大學 第七版 濮良貴主編 ...

% b7 K" b- \' d& p0 a, A$ d我理解的預緊力主要是防止連接件相對滑移。對于我這種基本只受與螺栓連接方向一致的載荷的工況，是不是預緊力主要就是防止鋼絲來回拉動，使得螺紋連接松掉？
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! w$ h" K5 I" l, O  H" Z0 R那么設計思路是不是就是這樣的，

7 X9 |2 M: B0 c$ a9 ~1. 直接根據工況確定殘余預緊力，查的資料，對于工作載荷不穩定時，殘余預緊力=（0.6～1.0）工作拉力
2. 由殘余預緊力+工作拉力確定螺栓總拉力
# X9 k+ k+ G6 ~, B3. 由總拉力，螺栓材料，性能等級確定螺栓的直徑
, }' V9 {* G1 G$ }' v4.檢驗設計
0 u2 o6 z7 \! f& t8 [4 q     4.1 根據螺栓及連接件的材料確定相對剛度，借此算出總拉力變動范圍（怎樣判斷變動范圍是不是適合自己的應用？）
     4.2 反算出預緊力，對其進行檢驗，不能超過上限
     4.3 對其進行靜強度計算，校核螺栓的疲勞強度
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水水5

oilpig 發表于 2015-6-16 10:12
我理解的預緊力主要是防止連接件相對滑移。對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 ...

7 _5 v9 D) q2 M6 C0 }2 t同意
速度很低，疲勞就不用校核了吧
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曾經的自我

按照樓主的說法，這樣一個結構，如果真的要算預緊力，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去套用公式。
那預緊力就很簡單，碳素鋼0.6*屈服強度*螺栓危險截面積。然后按照上面公式去套用，根據材料等來選擇螺栓的相對剛度，結合你螺栓的工作拉力45N，去驗證是否合理安全。當然，疲勞也可以按后面的公式計算。
* e  f6 p) N% n7 Y5 @" H計算其實很簡單，不必想的過于復雜，什么橫向受力，扭轉等，如果這些還考慮，那不可能有結果的。
另外，根據這個情況，我覺得根部不需要去計算什么預緊力，原因如下：
; m! J; S$ w) a. _, K: d6 S4 a1.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，夠低了，它的預緊力就是600N左右吧，那么螺栓總拉力極端情況采食645N，這個應力的變化太小了，以至于工作拉力對預緊力產生不了什么影響的，所以沒有必要去算；
2.工作拉力能計算，但是怎么控制和實現，你不可能去采用負載的拉力測量設備，而最常見的是扭矩扳手，這里就有一個扭矩的測量問題，簡化點就是T=kFd，就是扭矩=扭矩系數*預緊力*直徑。k想精確得到必須去測量，不同批次螺栓，不同的墊圈，k差異很大，達到什么程度，舉例說，M10以上的螺栓，你可以在網上查到扭矩的推薦值，但按這個值去做，很多螺栓可能斷掉，除了螺栓質量問題，就是扭矩系數的差異了。實際很多重要部位的螺栓，特別是規格大的，高強度的，都要有扭矩要求，甚至要測量每批螺栓的扭矩系數和螺栓質量。做不到這些，談控制扭矩和預緊力沒有太大意義。最多只能將預緊力控制到一定范圍，這個范圍可能很大。對于很小規格的螺栓， 我個人認為是測不出這個數據的，也沒有人回測。
" _% @; d; V* b建議選用比計算稍大的螺栓，使得無論怎么預緊都比工作拉力大很多就行了
' ^9 U5 G% n! C這樣就不會斷，也不會松，當然也沒有疲勞問題

幸會幸會

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

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oilpig

曾經的自我 發表于 2015-6-19 12:38
按照樓主的說法，這樣一個結構，如果真的要算預緊力，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 ...

- S5 ]5 M  u) ]/ @; g. K% q你好，感謝你的回答。我有幾個疑問：

  w  p6 ?6 @( K* m, A( ?1. 通過閱讀書籍，我認為首先應該根據工作載荷和連接緊密型的要求算出殘余預緊力；然后根據材料的相對剛度和殘余預緊力計算出預緊力。你回復里的“0.5*屈服極限*危險截面積”應該是作為校驗當前預緊力是否合適的。
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2. “選用比計算稍大的螺栓，使得無論怎么預緊都比工作拉力大很多就行了”，前半句代表靜強度計算，涉及到螺紋連接件的許用拉應力和螺栓總拉力，確實能保證不會斷；后半句說明殘余預緊力始終遠大于0，確實保證不會宋。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？請賜教！

oilpig

幸會幸會 發表于 2015-6-19 12:47
受軸向變載的螺栓應力幅是主要影響因素，除靜強度外，要特別校核螺栓變載應力幅要小于許用應力幅。許用應力 ...

" `! R+ l7 ?7 _" a你好，感謝的你回復。我在做疲勞強度的校核。

我在計算螺栓的最大應力計算安全系數時遇到了問題。其中有一個參數叫做有效應力集中系數，我在查資料的時候發現都是“公稱直徑12mm的普通螺紋的拉壓有效應力集中系數”。但是我設計的螺紋的公稱直徑為2mm，不知道能不能采用相關的系數，或者需要去其他地方找資料？