周期载荷作用下的预紧螺栓
螺纹联接复习试题
螺纹联接一、是非题N 1、受预紧力和轴向工作载荷的螺栓,其总拉力为预紧力与工作拉力之和。
N 2、在螺栓工作拉力与残余预紧力不变的情况下,增加螺栓和被联接件的刚度,可以收到提高螺栓疲劳强度的效果。
N 3、在螺栓工作拉力和剩余预紧力不变的情况下,增加螺栓的刚度和减少被联接件的刚度,都可以收到提高螺栓疲劳强度的效果。
N 4、联接受轴向载荷后,螺栓的总拉力等于预紧力与工作拉力之和。
N 5、为提高联接螺栓的疲劳强度,可以加大螺栓直径。
N 6、受横向载荷的普通螺栓所受的载荷是工作载荷加剩余预紧力。
N 7、在受轴向变载荷的螺栓联接中,为了提高螺栓的疲劳强度,可采用增大螺栓刚度的办法来实现。
N 8、受横向变载荷的普通螺栓中,螺栓所受力为静载荷。
Y 9、对受轴向载荷的普通螺栓联接适当预紧可以提高螺栓的抗疲劳强度。
N 10、铰制孔用螺栓适用于承受轴向载荷的联接。
Y 11、在λ相同的前提下,梯形螺纹较三角螺纹的传动效率高。
N 12、紧螺栓联接的螺栓强度公式中,1.3是安全系数。
Y 13、对于受轴向载荷的紧螺栓联接,当螺栓、被联接件刚度和预紧力都不变时,增大工作载荷,残余预紧力必然减小。
Y 14、振动冲击较大地方应采用机械防松。
N 15、细牙普通螺纹,牙细不耐磨,容易滑扣,所以自锁性能不如粗牙普通螺纹。
N 16、受交变横向载荷作用的普通螺栓联接,在正常工作时螺栓杆所受到的拉力不变。
N 17、受横向载荷普通螺栓连接,是靠螺栓受剪切和挤压平衡外载荷。
N 18、粗牙螺纹的螺距和升角较大,所以容易自锁。
N 19、在承受轴向变载荷的紧螺栓连接中,采用空心杆螺栓的作用是减轻连接的重量。
Y 20、对于受扭矩作用的螺栓组连接,螺栓布置得越远离螺栓组中心越好。
二、选择题1、采用凸台或沉头座作为螺栓头或螺母的支承面,是为了 A 。
A、避免螺栓受弯曲应力B、便于防止垫圈C、减少预紧力D、减少挤压应力2、通常螺纹联接采用 A 。
A、单线右旋三角形螺纹B、单线左旋三角形螺纹C、单线右旋梯形螺纹D、单线右旋矩形螺纹3、联接螺纹一般采用三角形螺纹是因为其 D 较好。
螺纹连接的预紧和防松
得: τ ≈ 0.5 σ 螺栓材料为塑性材料,受拉伸和扭剪复合应力作 用,由“第四强度理论”有:
计算应力:
c 2 3 2 2 3(0.5 )2
1.3
由此可见:受拉伸与扭剪复合应力作用的螺栓连接,可 以只按受拉伸应力来计算,但必须将拉应力加大30%, 以考虑剪应力的影响。
[
]
其中:Fa =F0
➢ 铰制孔用螺栓连接
• 剪切应力
F
4
d02m z
[ ]
F/2 F
d0——螺栓孔直径,mm;
F/2
[τ] ——许用切应力,MPa。
m----接合面数目;
z----螺栓个数。
• 挤压应力
F
p zd0 hmin [ p ]
F/2
h1
F
h2
h3
F/2
hmin——螺栓与孔壁间挤压面的最小高度
4 单个螺栓所受的轴向外载荷为: 螺栓所受轴向总载荷: Fa
Fa=FE+FR
F FE z
残余预紧力的确定:
1)工作载荷无变化: FR=(0.2~0.6)FE
2)工作载荷有变化: FR=(0.6~1)FE
3)有紧密性要求: FR=(1.5~1.8)FE
强度条件:
1.3Fa
d12 / 4
[
]
§10-7螺栓的材料和许用应力
限σb 比值的10倍。 σs =第一数字×第二数字×10 例:4.6级螺栓 σb=4×100=400MPa,σs=4×6×10=240MPa
3.螺纹连接的许用应力
见教材表10-6、10-7
本 次 课 重 点回顾
1. 螺纹连接的防松方法
2. 松螺栓强度条件
机械设计试题库(许xx最终版)
第二章1、不随时间变化或缓慢变化的载荷称为静载荷2、随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷称为变载荷3、计算载荷等于名义载荷乘以载荷系数K4、机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时,称为失效5、零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力6、根据名义载荷求得的应力称为名义应力7、计算应力中有时还要记入应力集中等因素第六章1、一个双线螺纹副,螺距为4mm,则螺杆相对螺母转过一圈时,它们沿轴向相对移动的距离应为4mm。
(×) 2、一个单线螺纹副,螺距为4mm,则螺杆相对螺母转过一圈时,它们沿轴向相对移动的距离应为4mm。
(√)3、三角形螺纹由于当量摩擦系数大,强度高,所以是常用的连接螺纹。
( √)4、设计外载荷是轴向变载荷的紧螺栓连接,除考虑螺栓的静强度外,还必须验算其疲劳强度。
(√) 5、对受轴向变载荷的普通螺栓连接适当增加预紧力可以提高螺栓的抗疲劳强度。
(√)6、普通螺栓连接的强度计算,主要是计算螺栓的剪切强度。
(×)7、受横向载荷的螺栓组连接中的螺栓必须采用有铰制孔的精配合螺栓。
(×)8、受轴向载荷的紧螺栓连接的螺栓所受的总拉力是预紧力与工作拉力之和(×)9、受翻转(倾覆)力矩作用的螺栓组连接中,螺栓的位置应尽量远离接合面的几何形心。
(√) 10、在受轴向变载荷的紧螺栓连接结构中,在两个被连接件之间加入橡胶垫片,可以提高螺栓疲劳强度。
(×) 11、在受轴向变载荷的紧螺栓连接中,使用柔性螺栓,其主要作用是降低螺栓的应力幅。
(√) 12、受轴向载荷的紧螺栓连接的螺栓所受的总拉力是剩余预紧力与工作拉力之和(√)13、控制螺栓预紧力的方法有哪几种?答:(1) 使用测力矩扳手,通过控制拧紧力矩来控制预紧力F'。
(2) 使用定力矩扳手,通过控制拧紧力矩来控制预紧力F'。
(3) 装配时通过测量被拧紧螺栓杆的伸长量来控制拧紧力矩,从而控制预紧力F'。
14、螺纹联接预紧的目的?答:提高联接刚度、提高防松能力、提高紧密性,对于受拉螺栓还可提高螺栓的疲劳强度,对于受剪螺栓有利于增大联接中的摩擦力。
螺栓预紧的作用
螺栓预紧的作用
螺栓预紧的作用主要表现在以下几个方面:
1.增强连接的可靠性和紧密性:螺栓连接在承受工作载荷之前,通过预紧力的作用,能够使连接件在受到外力的冲击或振动作用时,保持紧密连接,防止松动或变形。
2.控制连接的松动:在高振动环境下,螺栓预紧力可以限制螺栓的位移,防止螺栓在振动中松动,提高连接的可靠性。
3.增加接触应力:螺栓紧固后,随着受力面之间的接触压力的增大,可能形成互相依靠的接触区域,从而增加接触应力,使连接更加紧密。
4.产生摩擦力:由于螺栓和母材间的摩擦力随着预紧力的增大而增大,因此螺栓的紧固性也随之增强。
5.在连接受其它载荷时,预紧力可以增加连接的稳定性,避免螺栓由于载荷的作用而松动或破坏。
6.在高温环境下,由于膨胀系数的影响,螺栓和连接件会发生一定的形变,此时通过施加预紧力可以在一定程度上消除形变而保证连接的可靠性。
需要注意的是,螺栓预紧力不是越大越好,过高的预紧力不但浪费能源而且易导致螺栓和连接件的损坏。
因此,在实际使用中必须按照设计要求进行适当控制。
螺栓预紧力在飞机结构连接中的作用
螺栓预紧力在飞机结构连接中的作用在飞机结构中一些重要螺栓连接需要规定相应的预紧力,文章通过理论分析得出了螺栓预紧力与夹层刚度比、拧紧力矩、连接面摩擦力等因素的关系,从而确定了螺栓预紧力对保证连接结构结合的密封,增加螺栓的疲劳寿命、提高承剪连接接头的疲劳等方面的重要作用,也对飞机结构螺栓连接预紧力确定与控制提供了分类计算方法。
标签:预紧力;拧紧力矩;疲劳;刚度比飞机结构中螺栓连接使用非常广泛,一些重要螺栓的连接都规定了相应的拧紧力矩。
这是因为拧紧力矩对螺栓所产生的预紧力在保证结构的结合及提高疲劳特性等功能中起着至关重要的作用。
1 螺栓预紧力在保证结构结合中的作用保证结合的必要条件是结构件之间的结合不能分离。
要使结合在工作载荷下不分离,螺栓连接需要的预紧力与连接所受的工作载荷及螺栓与被连接件的刚度有关。
当螺母拧紧时,螺栓受到拉伸,被连接的夹层受到挤压。
随着螺母的不断拧紧,螺栓受到的拉力和夹层受到的压力越来越大。
正常情况下,螺栓受到的拉力和夹层受到的压力数值是相等的。
但由于螺栓和夹层的刚度不同,当连接受到工作载荷W时,螺栓继续被拉长Δλb,夹层由于螺栓伸长而使压缩小Δλj。
两者协调一致Δλb=Δλj。
此时连接所受的工作载荷与螺栓所受的载荷是不同的。
工作载荷不断增加,夹层的压缩不断缩小,当λj为零时,螺栓上所受的载荷P即为工作载荷W。
此时预紧作用消失,结合分离。
“结合分离”对应的工作载荷称为结合的分离载荷WF。
当工作载荷大于WF时结合分离,无论从密封还是从疲劳的要求都是不允许的,因此我们必须知道分离载荷WF与预紧力P0的关系:式(1)表示分离载荷WF大于预紧力P0,在预紧力一定时,刚度比越大,结合所能承受的分离载荷越大。
下面具体分析在结合分离以前,螺栓受到的载荷P与工作载荷W之间的关系。
当工作载荷小于分离载荷时,螺栓载荷等于预紧力与部分工作载荷之和。
对于某个具体的螺栓连接,螺栓刚度与夹层刚度比r是一定的,式(2)或式(3)表明P与W是线性关系,其变化率为r/(1+r)。
螺栓联接的预紧力与疲劳强度的讨论
螺栓联接的预紧力与疲劳强度的讨论轴向拉力作用下螺栓联接的失效多数为疲劳失效。
统计表明百分之九十以上螺栓失效都与应力集中作用产生的疲劳失效有关。
由于螺栓联接是一个多接触面的弹塑性接触问题,在重复加载作用下的应力应变关系十分复杂,并且影响疲劳强度的参素众多,因此,直接通过对螺纹的应力应变分析来计算螺栓联接的疲劳强度的实用意义不大。
通常的做法是先计算出外力与预紧力作用下螺栓中的平均应力与变化应力,然后对应力集中,尺寸效应等影响疲劳强度的参数进行综合考虑,再应用古德曼法则来计算螺栓联接的疲劳强度。
一般情况下联接件的有效刚度远大于螺栓刚度。
螺栓预紧力的存在,除了使零件之间产生紧密联接,增强联接的刚性之外,还会大幅度降低在拉伸载荷作用下螺杆应力的变化幅度,由此提高了螺栓联接的疲劳强度。
如果预紧力不够大,拉伸载荷有可能超过螺栓联接的预紧力,造成联接件分离,这会使螺栓联接的刚度大幅下降,同时也使应力变化幅度大幅增大而迅速降低螺栓联接的疲劳强度。
增大螺栓联接的预紧力,不但能降低联接件在载荷作用下产生分离的风险,还能提高螺栓联接的防松能力,防止预紧力在重复外力作用下变小。
以下分析从疲劳强度计算的角度来讨论螺栓联接预紧力对螺栓联接疲劳强度安全系数的影响。
1/ 71 螺栓联接疲劳强度安全系数计算螺栓联接的疲劳强度可通过古德曼准则作近似计算。
在周期循环应力作用下,根据古德曼准则,金属零件的持久极限疲劳强度曲线可由下式决定:其中,Sa,Sm为古德曼持久极限疲劳强度线上任一点上对应的交变应力与平均应力,Su为材料的抗拉强度,Se为零件的综合疲劳极限强度。
零件的持久极限疲劳强度安全系数的计算与应力的加载路径有关。
对比例加载,零件持久极限疲劳强度设计的安全系数可用持久极限疲劳强度曲线上的应力幅度Sa与实际应力幅度σa 的比值来定义。
在外力作用为零时,螺栓联接中存在一个预紧力Fi作用。
预紧力在螺杆中产生的平均预应力可通过σi = Fi / At计算,其中Fi 为螺栓联接的预紧力,At为螺杆的有效受力面积。
浅谈装配中的螺栓拧紧力矩
浅谈装配中的螺栓拧紧力矩一、螺纹基本知识1.1 左旋右旋1、右旋螺纹:常用的最重要原因有两个:一是右手常用方便、顺手;二是右螺纹车削工艺性好2、左旋螺纹:符合左手定则。
用于右旋螺纹不能满足的地方。
例如:因为运动方向可能导致松动的地方---自行车的左脚踏板芯轴;保证右旋习惯的地方----机床进给丝杠;起区分的作用----可燃气体气瓶;双向运动---拉器等....。
一般机械调节装置会用到左旋螺纹,左右螺纹匹配应用,也就是一根螺杆的两端分别为左旋螺纹和右旋螺纹,这样就可以通过旋转螺杆实现两端螺母的间距;如自行车轮轴,暖气片组螺纹轴等1.2粗牙细牙粗牙螺纹:用于紧固件细牙螺纹:同样的公称直径下,细牙的螺距小,升角小,自锁性能更好,适于薄壁细小零件和冲击变载等情况1.3 螺纹头数单头螺纹(n=1):用于紧固双头螺纹和多线螺纹(n>=2):用于传动1.4 自锁螺纹如图所示,螺纹受到向外的力,螺旋角为,导程,中径。
当,即时,不论有多大,螺纹都不会脱落(脱扣另说)。
二、螺纹联接预紧力的作用螺纹联接的预紧力就是使螺纹联接在承受工作载荷之前预先受到力的作用,这个预加作用力就是预紧力。
合适的预紧力是增强联接可靠性和紧密性的重要前提。
预紧力达不到规定要求就会使被联接件受载后出现缝隙或发生相对滑移,造成零部件的松动,甚至使整机无法正常工作。
如果预紧力过大就会引起人为的零部件损坏,例如采用O形圈密处如果预紧力过大就会挤坏0形圈,使密封失效。
不合适的预紧力会带来以下后果:(1)螺纹联接零件的静力破坏。
若螺纹紧固件拧得过紧,即预紧力过大,就会引起人为的零部件损坏,螺栓可能被拧断,联接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂,也可能使螺纹牙形被剪断而脱扣。
(2)被联接件滑移、分离或紧固件松脱。
对于承受横向载荷的普通螺栓联接,预紧力使被联接件之间产生正压力,依靠摩擦力抵抗外载荷,因此预紧力的大小决定了它的承载能力。
若预紧力不足,被联接件将出现滑移,从而导致被联接件错位、歪斜、折皱,螺栓有可能被剪断。
机械设计作业第5答案
第五章螺纹联接和螺旋传动一、选择题5—1 螺纹升角ψ增大,则联接的自锁性C,传动的效率A;牙型角 增大,则联接的自锁性A,传动的效率C。
A、提高B、不变C、降低5—2在常用的螺旋传动中,传动效率最高的螺纹是 D 。
A、三角形螺纹B、梯形螺纹C、锯齿形螺纹D、矩形螺纹5—3 当两个被联接件之一太厚,不宜制成通孔,且需要经常装拆时,往往采用A 。
A、双头螺柱联接B、螺栓联接C、螺钉联接D、紧定螺钉联接5—4螺纹联接防松的根本问题在于C。
A、增加螺纹联接的轴向力B、增加螺纹联接的横向力C、防止螺纹副的相对转动D、增加螺纹联接的刚度5—5对顶螺母为A防松,开口销为B防松,串联钢丝为B防松。
A、摩擦B、机械C、不可拆5—6在铰制孔用螺栓联接中,螺栓杆与孔的配合为B。
A、间隙配合B、过渡配合C、过盈配合5—7在承受横向工作载荷或旋转力矩的普通紧螺栓联接中,螺栓杆C作用。
A、受剪切应力B、受拉应力C、受扭转切应力和拉应力D、既可能只受切应力又可能只受拉应力5—8受横向工作载荷的普通紧螺栓联接中,依靠A来承载。
A、接合面间的摩擦力B、螺栓的剪切和挤压C、螺栓的剪切和被联接件的挤压5—9受横向工作载荷的普通紧螺栓联接中,螺栓所受的载荷为B;受横向工作载荷的铰制孔螺栓联接中,螺栓所受的载荷为A;受轴向工作载荷的普通松螺栓联接中,螺栓所受的载荷是A;受轴向工作载荷的普通紧螺栓联接中,螺栓所受的载荷是D。
A、工作载荷B、预紧力C、工作载荷+预紧力D、工作载荷+残余预紧力E、残余预紧力5—10受轴向工作载荷的普通紧螺栓联接。
假设螺栓的刚度C b与被联接件的刚度C m相等,联接的预紧力为F0,要求受载后接合面不分离,当工作载荷F等于预紧力F0时,则D。
A、联接件分离,联接失效B、被联接件即将分离,联接不可靠C、联接可靠,但不能再继续加载D、联接可靠,只要螺栓强度足够,工作载荷F还可增加到接近预紧力的两倍5—11重要的螺栓联接直径不宜小于M12,这是因为C。
螺栓拧紧力矩国家标准
螺栓的拧紧力矩标准本篇文章将列出各类螺丝的拧紧力矩标准,当用户未注明拧紧力矩要求时,我们所参考的参考的标准。
需要强调的是:拧紧力矩和破坏扭力是两个概念,拧紧力(矩)是指螺丝拧入工件的建议值;破坏扭力(即破坏扭矩)指将螺丝拧断的最小值(详见紧固件的破坏扭矩标准GB3098.13),很显然,拧紧力矩是少于破坏扭矩的。
这是普通螺栓拧紧力矩:公制螺栓扭紧力矩Q/STB 12.521.5-2000范围:本标准适用于机械性能10.9级,规格从M6-M39的螺栓的扭紧力矩,对于使用尼龙垫圈、密封垫圈、其它非金属垫圈的螺栓,本标准不适用。
注:对于设计图纸有明确力矩要求的,应按图纸要求执行。
谈螺栓预紧力的选用和螺栓强度校核螺栓作为连接件,使用十分广泛, 其在机车车辆、航太航空、风电机组上的使用环境大多是高强度高应力, 而在乘用车主要部件的使用环境大多是低应力卨周期,但仍然存在著极大的隐患。
从安全角度来说,螺栓所联接的部件都是很昂贵的。
所以,螺栓失效时,损坏的不仅仅是它们本身,而是整个产品。
螺栓连接作为汽车装配上的重要应用,据有关资料介绍,根据发动机上的螺纹紧固件通常在1500?2000 颗左右,品种更是高达100个以上,规格也是从M6?M30不等,而其中大约100颗是与车辆的安全性能有密切联系的。
而做为在装配过程中最重要的螺栓规格及预紧力的选用,存在理论上的不足和认识的误区。
不论螺纹紧件作为连接或密封作用,还是需要装配的子零件,都有一定的屈服极限。
在装配过程中,如果预紧力过大,使零件的变形量超过零件的屈服强度,零件就会损环。
故装配件要长时间稳定有效工作,设计人员必须对螺栓预紧力进行规范设计。
1.螺栓预紧力的选用螺栓作为重要的连接件,在总成件安装时必须拧紧,在连接承受工作载荷之前,预先受到力的作用,这个预加的力就是预紧力;预紧的目得到是为了增强连接的可靠性和紧密性,防止总成安装件在工作时候,受到力的作用,各连接件之间出现缝隙或相对滑移,所以在总成件的设计中,必须对预紧力的大小进行规范设计。
机械设计作业第5答案解析
第五章螺纹联接和螺旋传动一、选择题5—1 螺纹升角ψ增大,则联接的自锁性C,传动的效率A;牙型角增大,则联接的自锁性A,传动的效率C。
A、提高B、不变C、降低5—2在常用的螺旋传动中,传动效率最高的螺纹是 D 。
A、三角形螺纹B、梯形螺纹C、锯齿形螺纹D、矩形螺纹5—3 当两个被联接件之一太厚,不宜制成通孔,且需要经常装拆时,往往采用 A 。
A、双头螺柱联接B、螺栓联接C、螺钉联接D、紧定螺钉联接5—4螺纹联接防松的根本问题在于C。
A、增加螺纹联接的轴向力B、增加螺纹联接的横向力C、防止螺纹副的相对转动D、增加螺纹联接的刚度5—5对顶螺母为A防松,开口销为B防松,串联钢丝为B防松。
A、摩擦B、机械C、不可拆5—6在铰制孔用螺栓联接中,螺栓杆与孔的配合为B。
A、间隙配合B、过渡配合C、过盈配合5—7在承受横向工作载荷或旋转力矩的普通紧螺栓联接中,螺栓杆C作用。
A、受剪切应力B、受拉应力C、受扭转切应力和拉应力D、既可能只受切应力又可能只受拉应力5—8受横向工作载荷的普通紧螺栓联接中,依靠A来承载。
A、接合面间的摩擦力B、螺栓的剪切和挤压C、螺栓的剪切和被联接件的挤压5—9受横向工作载荷的普通紧螺栓联接中,螺栓所受的载荷为B;受横向工作载荷的铰制孔螺栓联接中,螺栓所受的载荷为A;受轴向工作载荷的普通松螺栓联接中,螺栓所受的载荷是A;受轴向工作载荷的普通紧螺栓联接中,螺栓所受的载荷是D。
A、工作载荷B、预紧力C、工作载荷+预紧力D、工作载荷+残余预紧力E、残余预紧力5—10受轴向工作载荷的普通紧螺栓联接。
假设螺栓的刚度C b与被联接件的刚度C m相等,联接的预紧力为F0,要求受载后接合面不分离,当工作载荷F等于预紧力F0时,则D。
A、联接件分离,联接失效B、被联接件即将分离,联接不可靠C、联接可靠,但不能再继续加载D、联接可靠,只要螺栓强度足够,工作载荷F还可增加到接近预紧力的两倍5—11重要的螺栓联接直径不宜小于M12,这是因为C。
机械设计作业第5答案解析
第五章螺纹联接和螺旋传动一、选择题5—1 螺纹升角ψ增大,则联接的自锁性C,传动的效率A;牙型角 增大,则联接的自锁性A,传动的效率C。
A、提高B、不变C、降低5—2在常用的螺旋传动中,传动效率最高的螺纹是 D 。
A、三角形螺纹B、梯形螺纹C、锯齿形螺纹D、矩形螺纹5—3 当两个被联接件之一太厚,不宜制成通孔,且需要经常装拆时,往往采用A 。
A、双头螺柱联接B、螺栓联接C、螺钉联接D、紧定螺钉联接5—4螺纹联接防松的根本问题在于C。
A、增加螺纹联接的轴向力B、增加螺纹联接的横向力C、防止螺纹副的相对转动D、增加螺纹联接的刚度5—5对顶螺母为A防松,开口销为B防松,串联钢丝为B防松。
A、摩擦B、机械C、不可拆5—6在铰制孔用螺栓联接中,螺栓杆与孔的配合为B。
A、间隙配合B、过渡配合C、过盈配合5—7在承受横向工作载荷或旋转力矩的普通紧螺栓联接中,螺栓杆C作用。
A、受剪切应力B、受拉应力C、受扭转切应力和拉应力D、既可能只受切应力又可能只受拉应力5—8受横向工作载荷的普通紧螺栓联接中,依靠A来承载。
A、接合面间的摩擦力B、螺栓的剪切和挤压C、螺栓的剪切和被联接件的挤压5—9受横向工作载荷的普通紧螺栓联接中,螺栓所受的载荷为B;受横向工作载荷的铰制孔螺栓联接中,螺栓所受的载荷为A;受轴向工作载荷的普通松螺栓联接中,螺栓所受的载荷是A;受轴向工作载荷的普通紧螺栓联接中,螺栓所受的载荷是D。
A、工作载荷B、预紧力C、工作载荷+预紧力D、工作载荷+残余预紧力E、残余预紧力5—10受轴向工作载荷的普通紧螺栓联接。
假设螺栓的刚度C b与被联接件的刚度C m相等,联接的预紧力为F0,要求受载后接合面不分离,当工作载荷F等于预紧力F0时,则D。
A、联接件分离,联接失效B、被联接件即将分离,联接不可靠C、联接可靠,但不能再继续加载D、联接可靠,只要螺栓强度足够,工作载荷F还可增加到接近预紧力的两倍5—11重要的螺栓联接直径不宜小于M12,这是因为C。
求螺栓的预紧力不滑移条件
在安装螺栓时,应考虑环境因素,采取适当的防护措施, 如防潮、防腐等,以保持螺栓的抗滑移性能。
03 求螺栓预紧力不滑移的条件
CHAPTER
螺栓的屈服点
总结词
螺栓的屈服点是决定其预紧力不滑移 的关键因素之一。
详细描述
环境因素如湿度、温度和污染物对螺栓的稳 定性有很大影响。在潮湿环境中,螺栓容易 生锈,降低其机械性能;在高温环境中,螺 栓材料可能会发生蠕变,导致预紧力下降; 而尘埃和污染物则可能侵入螺栓连接处,影 响其正常工作。因此,控制安装环境是防止 预紧力滑移的重要措施之一。
05 案例分析
CHAPTER
案例一:高强度螺栓预紧力滑移案例
02 螺栓预紧力滑移的影响因素
CHAPTER
螺栓材料
螺栓材料对预紧力滑移有显著影响。 例如,高碳钢螺栓具有较高的屈服强 度和抗滑移系数,而低碳钢螺栓的抗 滑移系数较低。
不同材料的螺栓在相同预紧力作用下 ,其滑移量也有所不同。因此,在选 择螺栓材料时,应考虑其抗滑移性能 。
螺栓直径和长度
螺栓直径越大,其抗滑移能力越强。这是因为直径较大的螺栓具有更大的接触面 和剪切面积,能够承受更大的预紧力。
详细描述
适当的表面处理能够改善螺栓表面的物理和机械性能,从而提高其抗滑移能力。例如, 喷丸强化能够增加螺栓表面的残余压应力,提高其抗疲劳性能;热处理则可以改善材料
的内部结构,提高其硬度和抗拉强度。
控制安装环境
总结词
详细描述
确保螺栓安装环境干燥、清洁,避免在潮湿、 腐蚀或含有尘埃的环境中使用螺栓,以降低 滑移风险。
螺栓的摩擦系数
总结词
螺纹连接防松技术研究综述
基金项目:铁科院基金资助项目——直流供电回流电缆与钢轨胶粘卡接方式的研究(1951CG7803)作者简介:刘力(1982 —),男,高级工程师图1 矩形螺纹连接副受力示意图c 松退过程受力2 π rFF SF nμF nαβhαb 拧紧过程受力2 π r F F SF RμF nαβhαa 矩形螺纹连接简化示意F S Fr图2 螺纹接触面受力示意图b 非矩形螺纹a 矩形螺纹螺母螺栓FF n螺母螺栓FF nFφ2φ2φ1a 止动垫圈b 开口销与开槽螺母c 串联钢丝图3 机械锁紧防松方式或产生微量变形,产生远大于普通螺纹的法向力和摩檫并使每个螺纹牙都能均匀承载,消除了普通螺纹受力不均的现象,从而达到很好的防松效果。
)弹簧嵌件螺母。
弹簧嵌件螺母结构如图它的上端装有可径向变形的螺旋弹簧,其螺距旋角和螺旋方向与螺母相同,弹簧上端钩在螺母的侧孔下端与螺母螺纹段的上平面不接触。
当拧入螺栓螺栓对螺纹的径向力把螺簧撑开,螺簧内径稍变粗并嵌入到螺栓螺纹内;当螺母拧出时,依靠螺栓螺纹与弹簧的摩擦力又使螺簧内径变细,箍紧螺栓起到防松这种螺母结构较复杂,对螺簧的加工要求较高图4 支承面摩擦防松方式b 锯齿垫圈c 法兰螺母a 弹簧垫圈图5 Hard-Lock 螺母凸状螺母凹状螺母圆形加工a图6 施必牢螺母图7 弹簧嵌件螺母由于螺簧在螺母内周边有相对运动,所以防松效果不易保证[9]。
(4)预置扭矩螺母。
这类防松螺母的特点是在螺母旋进并且未产生预紧力的过程中,需要附加的扭矩才能拧紧螺母,预置扭矩螺母在松动时需要克服更大的摩擦力,因此相比普通螺母具有更优越的防松性能。
表性的有非金属嵌件螺母、VARGAL弹簧自锁螺母LANFRANCO自锁螺母、FUJILOK自锁螺母等,8 所示。
非金属嵌件螺母是在螺母上端嵌入非金属垫圈等嵌件,拧紧螺母时,非金属嵌件会被挤出螺纹,螺栓间形成较大摩擦力的同时,对振动和冲击荷载还具有一定的缓冲作用,具有很好的防松能力,但适用的环境温度一般为-50 ℃~100 ℃,也存在非金属材料的老化问αβ图9 双叠自锁垫圈a 非金属嵌件锁紧螺母b VARGAL弹簧自锁螺母c LANFRANCO自锁螺母d FUJILOK自锁螺母图8 典型预置扭矩自锁螺母左旋螺母(锁紧螺母右旋螺母紧固螺母)图10 唐氏螺栓。
轴向交变载荷对螺栓预紧力、变形及磨损的影响
第5期2021年5月机械设计与制造Machinery Design&Manufacture51轴向交变载荷对螺栓预紧力、变形及磨损的影响赵晶',孙铭雷1,徐啸',夏丽丽2(1.沈阳工业大学机械工程学院,辽宁沈阳110870;2.特变电工集团,辽宁沈阳110000)摘要:为明确螺栓预紧力衰退机理,进而开展了不同频率和幅值的轴向交变载荷对于螺栓预紧力衰退、螺栓变形以及螺纹磨损情况影响的研究。
研究表明,轴向交变载荷的幅值和频率是影响上述问题的主要因素;螺栓预紧力衰退趋势呈现两个不同阶段,即急速衰退阶段和缓慢下降阶段;螺栓产生的变形是预紧力急速衰退阶段的主要原因,而由于螺纹面之间的微动磨损是预紧力缓慢下降阶段的主要原因;螺栓的变形会随着载荷幅值增大而增大,螺纹表面磨痕宽度会随着载荷幅值增大而增大,但却随着频率的增加磨痕宽度略有减小。
关键词:螺栓预紧力;螺栓变形;微动磨损;轴向交变载荷中图分类号:TH16;TH131.3文献标识码:A文章编号:1001-3997(2021)05-0051-05Influence of Axial Alternating Load on Pretension,Deformation and Wear of BoltsZHAO Jing1,SUN Ming-lei1,XU Xiao1,XIA Li-li2(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Liaoning Shenyang110870,China;2.TBEA Group,Liaoning Shenyang110000,China)Abstract:In order to clarify the mechanism of the decline of bolt pretension,this paper studies the influence of axial alternating loads of different frequencies and amplitudes on the decline of bolt pretension,bolt deformation and thread wear. The results show that the amplitude and frequency of axial alternating loads are the main factors affecting the above problems. The decline trend ofbolt pre-tighteningforce presents two different stages,t hat is,rapid decline stage and slow decline stage. The deformation of bolt is the main reason of the rapid decline of pretension,while the fretting wear between the thread surfaces is the main reason of the slow decline of p retension.The deformation of bolt will increase with the increase of load amplitude,and the width of wear mark on the thread surface will increase with the increase of load amplitude,but the width ofwear mark decreases slightly with the increase offrequency.Key Words:Bolt Pretightening Force;Bolt Deformation;Fretting Wear;Axial Alternating Load1引言螺栓连接是机械设备中广泛使用的紧固件之一,拆卸方便,连接紧固,多用于受力复杂部位及重要的接头处。
钢结构工程高强度螺栓预拉力值确定及紧固原理
钢结构工程高强度螺栓预拉力值确定及紧固原理高强度螺栓预拉力值的确定:高强度螺栓的预拉力值是指施加于螺栓之间的拉力,在静载荷作用下保持连接的力。
确定预拉力值的方法通常有两种:设计法和实测法。
设计法:设计法是根据结构的受力性质和设计要求进行计算,确定高强度螺栓的预拉力值。
根据结构的荷载和性能要求,选择合适的螺栓规格和等级。
然后根据被连接构件的厚度和材料性能,确定合适的螺栓的预紧初始拉伸力。
最后,在实施紧固过程中,通过转矩法或伸长量法对螺栓进行紧固,以达到预拉力值。
实测法:实测法是通过实际测量高强度螺栓的应力和伸长量来确定预拉力值。
首先在施工前,根据设计要求和连接构件的性质选择合适的螺栓规格和等级。
然后在连接螺栓时,通过使用专用的拉力设备对螺栓进行实际的拉伸试验,测量应力和伸长量。
最后,根据测量结果来确定螺栓的预拉力值。
高强度螺栓的紧固原理:高强度螺栓的紧固原理是基于摩擦阻力的原理。
在紧固过程中,通过扭矩或伸长量的施加,产生摩擦力,将螺栓和被连接构件紧密地固定在一起。
这种摩擦力可以阻止螺栓的松动和连接的失效。
高强度螺栓紧固的原理主要包括以下几个方面:1.初期紧固:在初次进行紧固时,螺栓首次施加扭矩或拉伸力,使螺栓产生初始紧固力。
这种紧固力可以保证螺栓和被连接构件之间的接触面积紧密,摩擦力大,防止松动。
2.摩擦力:在螺栓紧固过程中,由于螺栓和被连接构件之间的表面粗糙度,相互之间会产生摩擦力。
这种摩擦力可以产生横向力,并将连接部位固定在一起。
3.载荷分配:高强度螺栓的紧固原理还包括载荷分配的原理。
在紧固过程中,螺栓会承受拉伸力,将连接构件之间的载荷均匀地分配到螺栓上,使连接更加稳定和均衡。
4.弹性变形:高强度螺栓的紧固原理还涉及到螺栓的弹性变形。
在紧固过程中,螺栓会发生弹性变形,使螺栓和被连接构件之间产生紧密的接触,提高连接的刚度和耐力。
综上所述,高强度螺栓的预拉力值的确定和紧固原理是钢结构工程中非常重要的部分。
螺栓预紧力和工作载荷的关系
螺栓预紧力和工作载荷的关系引言:螺栓作为机械连接元件,在许多工程领域中扮演着重要的角色。
螺栓的预紧力是指施加在螺栓上的力,它对于连接件的安全性和可靠性至关重要。
而工作载荷则是指连接件在使用过程中所承受的力。
本文将探讨螺栓预紧力和工作载荷之间的关系。
一、螺栓预紧力的定义和作用螺栓预紧力是指在连接件组装过程中,施加在螺栓上的力。
它的作用是通过产生摩擦力和弹性变形,使得连接件之间形成紧密的接触,从而确保连接的稳固性和可靠性。
螺栓预紧力的大小直接影响着连接件的承载能力和工作性能。
二、螺栓预紧力的确定方法确定螺栓预紧力的方法有很多种,常见的有以下几种:1. 标准法:根据螺栓标准和连接件的要求,选择合适的预紧力数值。
2. 经验法:根据以往的实验经验和工程实践,确定合适的预紧力范围。
3. 计算法:结合材料力学和力学原理,通过计算螺栓和连接件的受力情况,确定合适的预紧力。
三、螺栓预紧力和工作载荷的关系螺栓预紧力和工作载荷之间存在着密切的关系。
一般来说,螺栓预紧力越大,连接件的承载能力越高。
当工作载荷作用在连接件上时,螺栓预紧力会抵消工作载荷一部分,从而减小连接件的受力程度,提高连接的稳定性和可靠性。
因此,在设计和选择连接件时,需要合理确定螺栓的预紧力,以满足工作载荷的要求。
四、螺栓预紧力与工作载荷的匹配螺栓的预紧力和工作载荷之间的匹配是连接件设计中的关键问题。
如果预紧力过小,无法满足工作载荷的要求,连接件会发生松动或失效;如果预紧力过大,可能导致连接件过度变形或破坏。
因此,在设计和选择连接件时,需要根据工作载荷的大小和性质,合理确定螺栓的预紧力范围,并进行充分的实验和计算验证。
五、螺栓预紧力和工作载荷的控制为了保证螺栓预紧力和工作载荷的匹配,需要在连接件组装过程中进行控制。
常用的控制方法包括:1. 使用扭矩扳手:通过扭矩扳手施加适当的扭矩,达到预定的螺栓预紧力。
2. 使用液压拉伸器:利用液压力将螺栓进行拉伸,从而产生预定的预紧力。
螺栓预紧力的选用和螺栓规格的规范设计
螺栓预紧力的选用和螺栓规格的规范设计螺栓作为螺纹连接零件,是机械连接中最常见的标准件,广泛应用于各种机械装配中。
一般用螺栓连接装配的装配部件需要拧紧后才能工作。
然而,作为装配过程中最重要的螺栓规格和预紧力的选择,我们很少进行标准设计。
合理的选择可以充分发挥螺栓在总成中的作用,最大限度地延长总成的使用寿命。
无论是用作螺栓还是需要装配的子零件,都有一定的屈服极限。
在装配过程中,如果预紧力过大,零件的变形会超过零件的屈服极限,零件就会损坏。
因此,为了使组件长期稳定有效地工作,设计者必须以标准化的方式设计螺栓预紧力。
1、螺栓预紧力的选用螺栓作为重要的连接件,在装配时必须拧紧。
在连接件承受工作载荷之前,它是预应力的。
这个预应力就是预紧力。
预紧的目的是增强连接的可靠性和紧密性,防止装配安装件在工作时受力,连接件之间有间隙或相对滑移。
因此,在装配零件的设计中,需要对预紧力进行标准化。
1.1 合理选用预紧力在专业的螺栓紧固件装配中,一般会配备标准扳手,不同直径和规格的螺栓使用不同长度的扳手,扳手长度约为螺栓直径的15倍。
在此基础上,使用专业的机械工具可以体现准确的拧紧力矩,实现可量化的预紧,这对于一些关键和重要的零件尤为重要。
一旦用大尺寸长扳手拧紧小尺寸螺栓,往往会造成拉力过大,破坏零件本身,使整个连接结构失效。
在拧紧螺母时,两个或者多个零件被压紧,零件自身被压缩,就像弹簧的压缩变形一样,在螺母和螺栓与装配件之间的接触表面零件自身会产生很大的力,这个力会使得螺栓发生拉伸变形,经计算该应力是简单的轴向拉力的1.3 倍,当螺栓产生的拉应力超过材料的强度极限时,螺栓被拔出。
量产产品仅仅通过操作经验来拧紧螺栓是非常不科学的。
用长扳手拧紧小螺栓时,更要注意预紧力的大小,避免预紧力过大。
使用标准扳手时,力度可参考下表:1.2 常用规格螺栓的扭矩值表2 列出了部分常用规格螺栓不同性能等级所对应的紧固扭矩值。
[2]对于设计人员来说,连接处需要多大的预紧力才能满足零件的工作要求且不超过螺栓的安全应力,所以需要计算出连接处所需的最小应力,并利用这个值来选择合适的螺栓紧固件。
高强螺栓预紧力的计算方法
高强螺栓预紧力的计算方法基本介绍所谓螺栓预紧力,就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。
对于一个特定的螺栓而言,其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力有关。
对于一个不确定的螺栓而言,一个螺栓可使用的最大预紧力与螺栓材料品种、螺栓材料热处理、螺栓直径大小等都有关系。
假设螺栓在压力容器密封端盖上起到密封预紧的作用,并且这个端盖上有均布同规格的若干只螺栓,那么,这若干只螺栓所能承受的最小预紧力之和必须大于密封容器中工质最高压力所产生的反作用力,否则压力容器端盖与器体之间的密封就无法保障。
在工程领域中,测定螺栓预紧力通常有一些技术方法。
对于精度要求高的螺栓预紧力的测量,往往采取螺栓弹性变形量大小来测量并计算出预紧力大小。
对于中等要求的螺栓预紧力的测量,通常选用力矩扳手(力矩扳手的种类目前较多,在此不作具体介绍),按照规定的力矩大小拧紧螺母即可。
对于一般要求的螺栓预紧力测量,用的最多的方法就是根据手力拧紧螺母,便从此时开始,按规定要求用扳手拧转螺母若干个角(一个角为60度)来估测预紧力是否已经达到。
预紧的目的预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度,增强连接的紧密性和刚性。
事实上,大量的试验和使用经验证明:较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的,特别对有密封要求的连接更为必要。
当然,俗话说得好,“物极必反”,过高的预紧力,如若控制不当或者偶然过载,也常会导致连接的失效。
因此,准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。
高强螺栓预紧力的计算方法Mt=K×P0×d×10,3 N.mK:拧紧力系数 d:螺纹公称直径P0:预紧力P0=σ0×As As也可由下面表查出As=π×ds2/4 ds:螺纹部分危险剖面的计算直径ds=(d2+d3)/2 d3= d1,H/6 H:螺纹牙的公称工作高度σ0 =(0.5,0.7)σs σs――――螺栓材料的屈服极限N/mm2 (与强度等级相关,材质决定)K值查表:(K值计算公式略)摩擦表面状况 K值有润滑无润滑精加工表面 0.10 0.12一般加工表面 0.13~0.15 0.18~0.21表面氧化 0.20 0.24镀锌 0.18 0.22干燥的粗加工表面 0.26~0.3σs查表:螺纹性能等级 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9σs 或σ0.2N/mm2 180 240 320 300 400 480 640 720 900 1080As查表:螺纹公称直径d/mm 3 3.5 4 5 6 7 8 10 12 14 16 18 20 22 24 27 30 33 36 公称应力截面积As/mm2 5.03 6.78 8.78 14.2 20.1 28.9 36.6 58 84.3 115 157 192 245 303 353 459 561 694 817法兰连接中螺栓预紧力及垫片密封性的研究对压力管道法兰连接中螺栓的受力、预紧力的计算方法进行了分析,研究了垫片的密封性能,包括基本密封特性、压力-回弹特性、垫片的厚度和宽度效应。
兰州交通大学机械设计考研问答题真题和答案及及解析
WORD格式可编辑1螺纹联接1列出四种常用标准螺纹联接件。
连接螺纹能满足自锁条件,为什么在设计螺纹联接时必须考虑放松问题?螺纹联接防松的根本问题是?常用的防松方法分哪几种?每类中有哪些具体结构?预紧螺栓承受轴向载2采用腰杆螺栓和空心螺栓的目的是什么,它和哪几种结构作用相同?分布在同一圆周上的螺栓数目为什么尽量取偶数?螺栓组设计中为什么会出现偏心载荷,防止偏载的措施有哪些?受横向载荷的螺栓组联接采用什么方式减小螺栓的预紧力及其机构?①采用腰杆螺栓和空心螺栓的主要目的是:减小螺栓刚度,提高被联接件的刚度,使螺栓的应力幅降低。
在螺母下面安装弹性元件,其效果和采用腰杆螺栓和空心螺栓时相似。
②分布在同一圆周上的螺栓数目取偶数,以便在圆周上钻孔时的分度和划线。
同一组螺栓的材料、直径和长度均相等。
③当被联接件支承面有突起、表面与孔不垂直或者钩头螺栓联接时会产生偏心载荷,螺栓组设计中防止偏载的措施有:凸台、凹坑、球形垫圈、斜面垫圈。
④采用套筒、销、键等抗剪切件来承受部分横向载荷。
3提高螺栓强度的方法有哪些?普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接的结构有什么区别?画出~ 受横向载荷时普通螺栓和铰制孔用螺栓的结构。
分析其工况、主要失效形式及其强度计算准则,写出强度计算公式①提高螺栓强度措施:A改善螺纹牙间载荷分布不均的情况 B 降低螺栓应力幅JC减小应力集中的影响 D 采用合理的工艺方法②普通螺栓联接中,螺杆和被联接件的孔件有间隙,主要靠拧紧后的正压力所产生的摩擦力来传递载荷,预紧力必须足够大才可以保证联接可靠。
铰制孔用螺栓螺杆被联接件的孔件无间隙,由光杆直接承受挤压和剪切来传递外载荷进行工作,所受预紧力很小。
A普通螺栓的失效形式一般是拉断,设计准则是为保证螺栓的疲劳强度和静强度强度条件为:B铰制孔用螺栓一般的失效形式是压溃、剪断,设计准则是为保证螺栓的挤压强度和剪切强度剪切强度条件为:二者的结构图如下挤压强度条件为:2键联接1键的作用?键联接分类有哪些?无键联接的类型有哪些?答:花键按齿形不同可以分为:矩形花键和渐开线花键。
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Theoretical analysis of preloaded bolted joints subjected to cyclic loadingJosé María Mínguez a(corresponding author) and Jeffrey Vogwell ba Dpto. de Física Aplicada II, Facultad de Ciencias, Universidad del País Vasco, Aptdo. 644, 48080 Bilbao, SpainE-mail: wdpmiroj@lg.ehu.esb Department of Engineering and Applied Science, University of Bath, Bath, UKAbstract In this paper the performance of preloaded bolted joints is analysed. The prior torque tightening creates compression in the clamped members and tension in the bolt. So, when an external tensile load is applied to the joint a large amount of it is taken up by the members, thereby relaxingtheir compression, at the expense of only a slight increase in bolt tension. In this way preloading the joint has the effect of changing the bolt fatigue regime from a low mean load with high alternating load to a high mean load with a low alternating load. This is beneficial for its fatigue life.Keywords fatigue; preloading torque; bolted jointIntroductionWhen dealing with aircraft structures the design philosophies [1] have changed over recent years. Fatigue life, durability and damage tolerance have replaced static strength and safe life as the key concepts of design. Furthermore, the number of structural failures in service has been reduced by improved materials, sophisticated design analysis and thorough testing programmes. Yet the main concern engineers have about aircraft structures is the detrimental ageing factors, such as metal fatigue.Aircraft structures are constructed by inserting mechanical fasteners through holes in the material. This use of fasteners transforms the series of material shapes into a structure by the formation of joints. One of the most common methods of joining aircraft structures is by using nuts and bolts, which allows easy assembly and dis-assembly without the need for specialist tools.Bolts require a hole to be made in the material and the presence of this hole will produce a stress concentration around that area, thus reducing the fatigue life of the structure. For this reason, joints are often blamed for causing weak points within the structure and for increasing the weight of the overall assembly, making the performance of the joint critical to weight reduction and to keeping the strength constant.There are a number of factors that influence the performance of a bolted joint within the structure. An important one is the level of preload, or torque, applied to the bolt, which compresses the joined elements and increases the friction between them, thus facilitating the load transmission from one to another. This has been studied by several authors [2–4], who have detailed the performance of bolted joints.Although preloading the bolts can facilitate load transmission between the joined elements and alleviate the stress concentration in the surrounding area, it raises the question of fatigue life of the bolts themselves, which support tension from the beginning, and quite often they suffer from an alternating load in service.This paper analyses the behaviour of bolted joints under cyclic loads, and shows how their fatigue life can be improved by applying preloading torques.Bolt preloadingTorque tightening of a bolted joint places the bolt in tension and the clamped members in compression. Effectively the resulting force exerted on the nut stretches the bolt and clamps the members of the joint together. In this way the bolt and the surrounding region of the members of the joint behave as a compound bar (see Fig. 1).In fact, tightening the nut is equivalent to reducing the active length of the bolt by the following amount:(1)where n is the number of turns or part of a turn and p the pitch of the thread.The shortening of the bolt’s active length is taken up by the combined compres-sion of the members of the joint and the extension of the bolt itself. So, the com-pression of the members of the joint, d m , and the tensile extension of the bolt, d b ,will be such that:(2)d d d m b +=d =np 350J. M. Mínguez and J. VogwellFig. 1Forces acting upon a preloaded bolted connection. Before the external load, P , is applied, bolt tension and compression of the clamped members are of the same value.Also, the resultant compression load on the members of the joint and the tensile load on the bolt initially, i.e. when there is not yet any external load, are of the same value, F i , since they are action and reaction forces. Accordingly,(3)and(4)where l is the bolt length and E m , E b , A m and A b are the respective modulus of elas-ticity and sections of the compressed region of the members and of the bolt. Then K m and K b are their respective stiffness values.As a consequence, the force derived from the torque to turn the nut of the bolt can be related to the shortening of the bolt as follows:(5)Member stiffness can usually be obtained accurately only by finite element mod-eling or experimentation. If the material is of adequate thickness, then a pressure cone of compressed material in the shape of a frustum of a cone will be present and the average area should be considered. Otherwise, if the material thickness is small,the compressed area can be assumed constant, in which case the compressive zone in the member forms a cylinder. If this is three times the bolt diameter, d , the stiff-ness of the member can be assumed to be:(6)while the bolt stiffness is given by:(7)All this can be represented and better understood graphically – see Fig. 2. From such a diagram, developed by Shigley [5]:(8)If the two materials have a similar modulus of elasticity, then, according to equations 6 and 7:(9)Fig. 2 shows the effect of preload F i on the deflection of the joint before any exter-nal load is applied. The preload causes a compressive deformation, d m , in the joint members, inversely proportional to their stiffness, K m , while the bolt is loaded in tension and deforms by d b , inversely proportional to its stiffness, K b . In the processK K m ≈8b K K m b tg tg ==abAnalysis of preloaded bolted joints 351the sum d m +d b equals the reduction, d , of the bolt’s active length corresponding to its torque tightening.External loading of a preloaded jointNow, if an external axial load, P , is applied to try to pull apart the members of the joint (see Fig. 1), it will tend to uncompress those members. Therefore, the load will be shared by the joint members and by the securing bolt in such a way that it will represent a relaxation force, P m , for the compression of the clamped members and a further tension, P b , for the bolt. This means that:(10)whereas the difference between the resultant bolt tension, F b =F i +P b , and the resul-tant compressive force on members, F m =F i −P m , is the external load:(11)as represented in Fig. 2.Also, the new deflections of both the clamped members and the bolt, d ′m and d ′b ,still must satisfy the condition of equation 2:(12)which means that the deflection introduced by the external load, P , in both the joint members (reducing their shortening) and the joining bolt (increasing its extension)′+′=d d d m b F F P b m −=P P P m b +=352J. M. Mínguez and J. VogwellFig. 2Force-deflection characteristics of a bolted joint before any external load isapplied and once a load, P , has been applied.is the same, ∆d. Fig. 2 can be used to show that the portion, P b, of load P taken by the bolt, that is the tension added to the bolt by the external load, is:(13) where r is the ratio of member stiffness to bolt stiffness, K m/K b. And so the resul-tant bolt load, once the external load is applied, is:(14) On the other hand, the portion, P m, of external load P assumed by the clamped members will be:(15) and the resultant compression in members:(16)Fluctuating loadsAccording to what has been described above, it is of interest to analyse how a joining bolt behaves in a fatigue context, when the joint (see Fig. 1) has to transmit an exter-nal tensile load varying from 0 to P.The bolt itself will be loaded in different ways, depending on whether it is preloaded or not. If no preload is applied, then the external load goes directly on the bolt and it will be loaded with a tensile load varying from 0 to P, which would represent a mean load P/2 and an alternating load of the same value. Otherwise, if the bolt is preloaded by torque tightening with a force, F i, then, when the external load is null, the bolt is tensioned by a force F i, and when the external load is P, the bolt has a tensile load given by equation 14. In this case the mean loadwhich is much lower than if there were no preload. torque is F i, if the external load is null are subjected to a compression F i, and whenthe external load is P their compression is released down to the value given bywith aAnalysis of preloaded bolted joints353As an example, in the case of a joint carrying an external tensile load varying from 0kN to 1.8kN, without any preload, the bolt would suffer a 0.9kN mean load and an alternating load of equal value. Similarly, the clamped members would be subjected to a mean compressive load of 0.9kN with an alternating load of equal value. However, if the bolt is torqued with a preload of 1.7kN and the ratio of member stiffness to bolt stiffness is K m /K b =8, as given by equation 9, the bolt will take only 0.2kN from the external load (see equation 13), the rest of the external load, 1.6kN, being assumed by the clamped members (see equation 15). This would represent a 1.8kN mean load for the bolt with an alternating load of only 0.1kN,while the clamped members would have a 0.9kN mean compression with an alter-nating load of 0.8kN. Table 1 summarises all these results.Three points may be observed:(1)Clamped members remain in compression despite an external tension load ofthe order of preload and even greater.(2)The proportion of external load taken by the bolt can be only as low as 10%of the total load.(3)If clamped members were more flexible, as would occur using a gasket seal,the ratio K m /K b would be much smaller and so the resultant bolt load would be much greater.Fig. 3 represents the bolt tension for the two cases, and shows how significantly its fatigue regime changes when preload is introduced. Similarly, Fig. 4 represents the member compression in the two cases, and shows that its fatigue regime also changes when preload is introduced, although not as much as the bolt’s.Fatigue lifeIt is well known that, in relation to fatigue, the magnitude of the alternating load is more important than the absolute load. In fact, the fatigue life of a structural member supporting a fluctuating load depends mainly on the load variation, as shown by the classic empirical S–N diagram (Fig. 5), in which N is the number of load repetitions the member can endure when supporting an alternating stress, S . In this diagram the successive curves represent the fatigue life of any structural element under a fluc-tuating load, for different values of the mean stress. It clearly sows that with low mean stress the curve shifts rightwards, indicating a longer life.354J. M. Mínguez and J. Vogwell TABLE 1Effects of preloading on bolt tension and member compression Resultant bolt Resultant member Preload (F i ) (kN)External load (P ) (kN)tension (F b ) (kN)Compression (F m ) (kN)01.8 1.8 1.81.71.8 1.90.11.70 1.7 1.7Preloading bolted joints changes the fatigue regime of the bolts and improves their fatigue performance by reducing their alternating load, even when their mean load is increased. Effectively, the change introduced by preloading the joint, shown in Fig. 3, results in shifting from a curve corresponding to a low average stress to another curve with a higher average stress, as shown in the S–N fatigue diagram of Fig. 5. However, as the alternating stress is also very much diminished when pre-loading is applied, the final result of the two effects is a substantial increase in the fatigue life of the bolt. As a consequence, preloaded bolts can prolong their life under fatigue very significantly.Analysis of preloaded bolted joints 355B o l t L o a d - F b (k N )Timemean 210meanalternating a l t e r n a t i n g with preload no preloadFig. 3Fatigue regimes of the bolt in the two cases. With no preload: low mean load andhigh alternating load. With preload: high mean load and low alternating load.Fig. 4Fatigue regimes of the clamped members in the two cases. Although the mean compression remains the same when a tightening torque is applied, the alternating loaddiminishes a little.356J. M. Mínguez and J. VogwellFig. 5Classic S–N diagram of bolt fatigue performance. Although preloading raises the average stress, as it also causes a remarkable reduction of the alternating stress it brings about a real improvement since it prolongs bolt life significantly.Fig. 6S–N diagram representing member fatigue performance. Preloading does not change the average compressive stress, but diminishes the alternating stress, which causesa prolongation of the fatigue life of the clamped members.As for the clamped members, they also experience an improvement in their fatigue life. Effectively, the change in their fatigue regime, as shown in Fig. 4, diminishes the alternating stress they are under, with no change in their average stress. This, according to the S–N diagram of Fig. 6, means at least a small prolongation of their fatigue life.ConclusionsIt has been shown how preloading of bolted joints by torque tightening makes them work under a more favourable fatigue regime, with a lower alternating tensile load.Analysis of preloaded bolted joints357 Accordingly, as alternating load is the prime cause of fatigue failure, preload is very beneficial.With torque tightening, clamped members also have better resistance to external load, as their compression is also reduced, due to initial preloading. Furthermore, preloading the joint can ensure a friction grip between clamped members, thus better transmitting shear load while diminishing stress concentrations in the compressed area.References[1]D. Broek, Elementary Engineering Fracture Mechanics(Martinus Nijhoff, Dordrecht, 1986).[2]H. O. Fuchs and R. I. Stephens, Metal Fatigue in Engineering(John Wiley & Sons, New York, 1980).[3]J. F. Knott, Fundamentals of Fracture Mechanics(Butterworths, London, 1973).[4]W. D. Callister, Jr, Materials Science and Engineering(John Wiley & Sons, New York, 1999).[5]J. Shigley, Mechanical Engineering Design(McGraw Hill, New York, 1986).。