拉力连接中的受拉螺栓

根据受拉螺栓受力状态，其强度计算分述如下：

（1）松螺栓联接

松螺栓联接装配时，螺母不需要拧紧，螺栓不受预紧力作用。例如，拉杆、起重吊钩等的螺纹联接。现以起重吊钩的螺纹联接为例，说明松螺栓联接的强度计算。

如图4.17 所示，当承受工作载荷F 时螺栓所受的工作拉力为F，则螺栓危险截面的拉伸强度条件为

图4.17　起重吊钩的松螺栓联接

式中　F——工作拉力，N；

　　　d1——螺栓危险截面的直径，mm；

　　　[σ]——螺栓材料的许用拉应力，MPa。

（2）紧螺栓联接强度计算

1）仅受预紧力的紧螺栓联接

螺栓拧紧后，螺栓除受预紧力F0 的拉伸而产生拉伸应力σ 外，还受因螺栓摩擦力矩T1的作用而产生的扭转剪应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态。

螺栓危险截面的拉伸应力为

螺栓危险截面的扭转剪应力为

对于M10—M48 的普通螺纹钢制螺栓，可取=1.04～1.08，tan λ≈0.05，由此化简得≈0.5σ。根据第四强度理论，可求出当量应力σe 为

因此，螺栓螺纹部分的强度条件为

设计公式为

式中　[σ]——紧螺栓联接的许用拉应力，MPa。

由此可知，紧螺栓联接的强度也可按纯拉伸计算，但考虑摩擦力矩T1 的影响，需将预紧力增大30%。

2）承受横向外载荷的紧螺栓联接

图4.18　承受横向载荷的普通螺栓联接

如图4.18 所示为普通螺栓联接。被联接件承受垂直于螺杆轴线的横向载荷FR。处于拧紧状态时，螺栓仅受预紧力的作用，而且预紧力不受工作载荷的影响。由于预紧力的作用，将在被联接件的接合面间产生摩擦力F0·f（f 为接合面间的摩擦系数，见表4.3）来抵抗横向工作载荷。预紧力F0 的大小，根据接合面不产生滑移的条件确定，即

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若考虑联接的可靠性及接合面的数目m，则式（4.13）可写为

式中　Kf——可靠性系数，取Kf=1.1～1.3。

表4.3　联接接合面的摩擦系数f

续表

这种靠摩擦力来抵抗工作载荷的紧螺栓联接，要求有几倍于横向外载荷的预紧力，会使螺栓的结构笨重、尺寸大。此外，在冲击、振动或变载荷作用下，由于摩擦系数的变化，将使联接的可靠性下降，甚至出现松脱。因此，设计时可考虑采用减载零件（销、套筒或键）来承担横向工作载荷（见图4.19），而螺栓只是保证联接，预紧力就不必太大。

图4.19　承受横向载荷的减载零件

3）承受轴向静载荷的紧螺栓联接

这种受力形式的紧螺栓联接应用最广，也是最重要的一种（如汽缸盖与汽缸体之间的螺栓联接）。这种紧螺栓联接承受轴线工作载荷后，由于螺栓和被联接件的弹性变形，螺栓所受到的总拉力F∑并不等于预紧力F0 与工作载荷F 之和，还与螺栓的刚度C1 和被联接件的刚度C2 有关。

根据螺栓和被联接件的受力与变形关系，在轴向载荷F 作用下，被联接件间的压力由F0减小至F1。F1 称为残余预紧力。此时，螺栓所受到的总拉力F∑等于工作载荷F 与残余预紧力F1 之和，即

为保证联接的紧密性，防止联接受载后接合面间出现缝隙，应使F1>0。表4.4 为残余预紧力F1 的推荐值。

表4.4　残余预紧力F1 的推荐值

考虑到螺栓的刚度C1 和被联接件的刚度C2 的影响，残余预紧力与预紧力和工作载荷之间的关系为

螺栓受到的总拉力为

式中，KC=称为螺栓的相对刚度，与螺栓及被联接件的材料、结构、尺寸和垫片有关，其值为0～1。若被联接件的刚度C2 很大，螺栓的刚度C1 很小（如细长或中空螺栓），则螺栓的相对刚度趋于零，螺栓所受的总拉力增加很少；反之，螺栓的相对刚度较大时，则工作载荷作用后，将使螺栓所受的总拉力有较大的增加。为了降低螺栓的受力，提高螺栓的承载能力，应使KC 值尽量小些。可通过计算或实验测定。一般设计时，可根据垫片材料不同使用下表4.5中的推荐值。

表4.5　KC 的推荐值

设计时，考虑到螺栓在总拉力作用下可能需要补充拧紧，故仿前将总拉力增加30%以考虑扭转切应力的影响。于是，螺栓危险截面的拉伸强度条件为

设计公式为

式中各符号的意义及单位与前述相同。