螺栓的预紧力与夹紧力:概念、区别及实例分析

在工程和建筑领域,螺栓起着至关重要的作用,其预紧力和夹紧力是确保连接可靠性的核心参数。但在实际应用中,人们常对这两个概念的理解和应用存在偏差。

今天,螺丝君和大家一起来探讨、澄清这两个概念,并解释它们在实际应用中的重要性,同时通过M8×25的10.9级螺栓的实例进行具体分析。

预紧力是螺栓在拧紧过程中产生的内部拉伸力,它与拧紧力矩、螺栓材质及摩擦力等因素相关。预紧力的计算通常需要考虑螺栓材料的屈服强度、安全系数及其公称截面积等因素。

夹紧力是螺栓预紧后在连接部件间产生的压缩力,它确保部件间有充足的接触面积以传递载荷。夹紧力的大小受预紧力和连接结构影响。

夹紧力虽然源自预紧力,但它们之间并非完全相同。夹紧力的大小不仅受预紧力影响,还与连接部件的几何结构和材料属性有关。

在无外部载荷的情况下,螺栓的预紧力是通过其在紧固过程中的弹性变形而储存的内部拉伸力,该力完全转化为对被连接部件施加的夹紧力。因此,在无外载作用时,螺栓的预紧力等同于作用在连接部件上的夹紧力。

螺栓的预紧力与夹紧力:概念、区别及实例分析

当螺栓和连接件承受载荷时,它们会发生弹性变形。如果外部载荷在螺栓材料的弹性极限之内,螺栓的变形会吸收部分载荷,避免其全部叠加到预紧力上。因此,尽管螺栓承受的总载荷可能超过预紧力与外部载荷之和,但连接件感受到的夹紧力(即实际压力)可能会有所减少。

螺栓的预紧力与夹紧力:概念、区别及实例分析

在外部载荷低于螺栓预紧力的情况下,螺栓不会发生显著形变,预紧力维持不变,但夹紧力会有所降低。相反,如果外部载荷超过螺栓的预紧力,螺栓会进一步拉伸,可能导致连接件分离并丧失夹紧力。在这种情况下,螺栓与连接件之间的连接稳定性会受到威胁。

若外部载荷大大超过螺栓的预紧力,夹紧力可能会降至零,使得连接件之间失去接触力,造成分离。此时,维持连接的主要力量不再是螺栓的预紧力,而是外部施加的载荷。因此,螺栓连接设计时必须考虑最大可能的外部载荷,以确保连接的完整性和功能性。

在实际应用中,预紧力和夹紧力经常被混淆,主要原因有:

预紧力的测量依赖于螺栓伸长量的准确测定,而夹紧力的直接测量则更为复杂。

为了简化设计流程,有时可能会忽略预紧力和夹紧力之间的细微差别。

一些工程技术人员可能未能充分理解这两个概念之间的区别。

明确区分这两个参数对于提升螺栓连接的安全性、经济性和性能至关重要。

错误的预紧力设定可能导致连接失效,甚至可能引发安全事故。例如,过高的预紧力可能导致螺栓断裂。

适当的预紧力有助于延长螺栓的使用寿命,减少维护成本,从而提高经济效益。

准确的预紧力和夹紧力可以提升连接的整体性能,包括减少振动和噪音,增强稳定性。

因此,工程师和技术人员需要对这两个概念有清晰的认识,并在设计和应用螺栓连接时,准确应用以确保结构的可靠性和安全性。

为了更具体地展示预紧力和夹紧力的区别,螺丝君以一个常见的螺栓规格——M8×25的10.9级螺栓为例,分析不同工况下夹紧力和预紧力的差异:

考察规格:

螺栓直径D=8mm,长度L=25mm;材质为10.9级钢,屈服强度=1090MPa。

其中:

A为螺栓截面积 π×D/4 = 50.27mm

安全系数 n 取0.8;

则 Fp = 50.27×1090/0.8 = 68600N;

此时夹紧力 Fc = Fp = 68600N。

总载荷 Ftotal = 外部载荷 F+预紧力

Fp = 20000+68600=88600N

假设弹性模量 E = 210GPa,通过简化弹簧计算式获得变形量 δ = Ftotal/AE = 0.1mm;

由于变形引入了0.1mm松弛,夹紧力降低为Fc = 68600-20000 = 48600N。

预紧力不变,Fp=68600N;

但夹紧力下降,Fc=68600-30000=38600N。

连接可能失效,预紧力和夹紧力难以确定。

总结下来就是:

无外部载荷:螺栓的预紧力完全转化为夹紧力,此时两者数值相等。

外部载荷在弹性范围内:螺栓的变形吸收部分载荷,夹紧力可能减少,但总载荷可能超过预紧力与外部载荷之和。

外部载荷低于预紧力:螺栓不发生显著形变,预紧力维持不变,但夹紧力降低。

外部载荷超过预紧力:螺栓进一步拉伸,可能导致连接件分离并丧失夹紧力,威胁连接稳定性。

外部载荷远大于预紧力:夹紧力可能降至零,连接件失去接触力,造成分离,此时外部载荷成为维持连接的主要力量。

在设计和计算螺栓连接时,需要考虑多种因素,如材料特性、环境因素等,以确保连接的可靠性:

- 预紧扭矩:选择合适的预紧扭矩,以确保达到所需的预紧力。

- 摩擦系数:考虑连接面之间的摩擦系数,因为它会影响夹紧力的大小。

- 材料特性:被连接部件的材料特性也会影响夹紧力,如弹性模量和屈服强度。

- 环境因素:环境温度、湿度等也会影响螺栓的预紧力和夹紧力。

L.S.ENGINEER  Experience and Summary

通过M8×25的10.9级螺栓的实例分析,我们可以看到预紧力和夹紧力在数值上可能存在差异。预紧力是螺栓材料能够承受的最大力,而夹紧力是实际作用在被连接部件上的力。在设计和使用螺栓连接时,必须充分考虑这两种力之间的区别和联系,以及它们对整个结构稳定性和安全性的影响。

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