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1、第19卷第3期湖北工学院学报2004年6月Vol.19No.3JournalofHubeiPolytechnicUniversityJun.2004[文章编号]1003-4684(2004)06-0135-03高强度螺栓的预紧力及疲劳寿命朱若燕,李厚民(湖北工学院机械工程学院,湖北武汉430068)[摘要]分析了工程上常用的高强度螺栓的疲劳寿命与施加的预紧力之间的关系,找出施加预紧力的最佳范围.[关键词]高强螺栓;联接件;预紧力;疲劳寿命[中图分类号]TH114[文献标识码]:A高强度螺栓是指强度较高使机械或构件尺寸和fZ,结果
2、使初始预紧力FM减少了FZ(见图2(b)).结构能减小或简化的螺栓,其抗拉强度一般在700MPa以上.有时也将抗拉强度达到900MPa的才称为高强度螺栓.由于高强度螺栓能大量生产,质量稳定,有足够的强度和韧性,材料费用较便宜,在经济[1]上较为合理,所以,工程应用很广泛.高强度螺栓联接是由单个或多个联接两个或更多零件的一个可分开的被联接体.螺栓及其所受的载荷必须能够确定,以便产生的连接能够充分满足预定的功能并承受工作载荷.螺栓联接在装配时都必须拧紧,并施加预紧力.预紧的目的在于增加联接的可靠性和紧密性.在轴承盖的联接中,若承受往复活塞发动机的振动,
3、这种螺栓的预紧力必须调整得更高,以保证在其内力作用下不会出现结合面单侧分离或打滑,这两种都会由于螺栓联接的自动卸开或疲劳失效而引起破坏.所以预紧力施加的范围会直接影响到螺栓联接的强度和寿命,本文就分析预紧力与强度的关系,进而找出能够提高高强度螺栓[2疲劳寿命的最佳预紧力范围.1预紧力计算1.1受力分析在图1所示的装配过程中,螺栓受预紧力FM后发生弹性伸长fSM,同时被夹紧零件压紧在一起,压缩变形fPM,如图2(a)完成装配后,由于被联接在拧紧的过程中,承受的初始预紧力FM取决件的粗糙表面出现嵌入现象(尤其是在交变载荷作于拧紧方法和条件,分散
4、值在FMmin和FMmax之间,用下),弹性伸长变量fSM+fPM减少了一个嵌入量如图2(c)所示.[收稿日期]2004-03-01[作者简介]朱若燕(1956-),女,江西泰和人,湖北工学院副教授,研究方向:疲劳强度.136湖北工学院学报2004年第3期A=FMmax/FMmin.(1)式中A为分散因素的测量值是拧紧系数.2预紧力与寿命的关系如果是用FMmin夹紧某一连接件,并且由于出现嵌入情况而发生FMmin减少了FZ,在最坏的情况如图4所示,如果FA是随时间而变的交变载下,有效夹紧力FK就等于剩余预
5、紧力FV.荷,并且改变量在上极限值FAO、下极限值FAU之间1.2确定螺栓连接的最小预紧力变化,那么可求得螺栓中力的振幅在工作中,承受预紧力FV的螺栓连接,还承受FSAm=(FAO-FAU)/2,由于工作载荷FB的轴向分力FA的作用,而FA在螺并且伴随的平均力为栓中引起附加载荷FSA,从而使夹紧力FK减少了FSM=FV+(FAO-FAU)/2.FPA,所以还剩下剩余预紧力FKR.附加载荷FSA与所以,螺栓的最大强度又可以表达为[3]工作载荷的轴向分力FA成正比.如图3所示.FSmax=FV+FSA.因为按照力FSA和螺纹的螺栓心部截面积AS
6、计算而得的螺栓可连续承受的应力幅是最小的,所以必须尽量使得分配给螺栓的载荷部分要尽可能小.因为FSA=FA(是比例系数),FA=FSA+FPA,所以FPA=(1-)FA.螺栓的变形线较平,而被联接件的变形线较陡,螺栓的剩余预紧力FSA变得更小(见图4).实际上,应力求剩余预紧力FKR=FV-FPA=FV-(1-)FA.FV大,若螺栓的强度一定,减小螺栓中力的幅值有在螺栓连接设计方法中,剩余预紧力FKR至少助于提高螺栓寿命.在选择螺栓联接件的材料时,还要保证螺栓连接所需要夹紧力FKerf,因此可以考虑从螺栓和被联接件的变形刚度出发,螺栓F
7、KRFKerf.选用变形较大的材料,而被联接件选用刚性较好的以此类推,可以确定螺栓最小的预紧力材料,这样可以使螺栓的变形线较平,而被联接件的FVerf=FKerf+FPA=FKerf+(1-)FAFV.变形线较陡,应力的幅值变小,如图5中虚线所示.螺栓的最小的预紧力FVerf要比剩余预紧力FV小,由此可以计算联接件最小预紧力FMmin=FVerf+FV=FKerf+(1-)FA+FZ.考虑到夹紧力在拧紧过程中的分散,螺栓联接的最大初始预紧力必须设计为FMmax=AFMmin=A(FKerf+(1-)FA+FZ).这样就确定了螺栓直
8、径、强度级别和螺纹摩擦系数等参数,所以高强度螺栓的轴向预紧力3预紧力的施加与控制FSPFMmax.这里FSP表示用于选
