基于VDI2230规范的螺栓评估（中）

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一、初始条件

同心夹紧和同心加载，内部压力：

应力表面面积：

轴向载荷：

。

图1-活塞和活塞杆之间有中心螺栓连接的液压缸

此活塞每小时工作300冲程，因此轴向载荷为动载荷。同时为了安全起见，螺栓需要满足密封功能，因此在工作载荷作用下，螺栓卸载时的夹紧力应不小于

。

材料：活塞为16MnCr5;活塞杆为C45。

表面粗糙度：

预紧方式：数显力矩扳手

二、计算过程

1、R0：初步确定名义直径，检查有效范围

基于Table A7，对于同心动态工作载荷

以及

，螺栓名义直径可以基于以下步骤确定：

A 表中较

大的第一个载荷是F=25000N

B2 对于动态同心轴向载荷

，F的数据下移一格，得到最小预紧载荷：

C 由于采用扭矩扳手拧紧，继续下移一格得到最大预紧载荷：

D 为限制活塞杆截面弱化，强度等级选择12.9，因此可以得到对应的螺栓为M12。

选择的圆柱形螺栓为DIN EN ISO 4762-M12×60-12.9，详细尺寸信息为：

由于同心夹紧和同心加载，因此无需校核限制尺寸

。

2、R1：拧紧系数

由于使用数显扭矩扳手和相对较大的夹紧长度比（

）,对于摩擦系数等级B，根据表A8，因此得到：

。

3、R2：所需的最小夹紧载荷

连接为对称夹紧

和（准）同心加载（a=0）。因此得到：

4、R3：工作载荷的划分、弹性回弹量和力加载系数

根据VDI2320 part1 5.1.1公式，确定螺栓弹性回弹量

载荷系数:

确定连接类型：假设基体结束于活塞杆，在使用情况下，其旁边的活塞区域由于加载压力而代表连接体。由于同心加载，由在分界面区域中加载力，所以SV4是可适用连接类型。具有这些尺寸和比值为：

根据规范表2结果：

载荷系数：

说明：本步骤计算过程相对复杂，限于篇幅只列出了关键结果数据，详细过程请参见规范内容。

5、R4：计算嵌入导致的预加载荷损失

对于现有轴向载荷和

，表5给出了在每种情况下，螺纹和头部支承区域

和分界面

的嵌入，因此：

因此预加载荷损失为：

6、R5：根据公式（R5/1）确定最小预加载荷

因此：

7、R6：最大装配预加载荷

8、R7：确定装配应力和校核螺栓规格

可以从表A1获得要求最小屈服点90%利用率和螺纹中最小摩擦系数

的装配预加载荷 ：

。

强度等级12.9：

强度等级10.9：

由于

，通过改变成较便宜的圆柱头螺钉

修正设计。

选择的螺栓满足要求。

9、R8：工作应力

根据公式（

），最大螺栓力为：

最大拉伸应力：

最大扭转应力

，其中

和

因此

利用公式（

）和

计算比较应力：

安全因子：

结论：螺栓可以支撑最大工作载荷。

10、R9：交变应力

由于是同心加载和夹紧，采用如下公式确定疲劳交变应力：

热处理前滚丝螺栓的疲劳极限根据公式（185）：

结论：

11、R10：确定表面压力

头部支承区下的较小面积这样计算：

装配状态下：

根据表A9，16MnCr5的边界表面压力为

。

安全因子：

由于

，不需要校核工作状态下的表面压力

。

12、R11：确定最小螺纹旋合长度

基于

和

，以及表A9和DIN EN ISO 898-1的抗拉强度，根据公式（199）计算强度比：

，表示内螺纹边界。

基于表A9得到活塞杆材料（C45）的剪切强度为

，从图37得到强度等级为10.9级的具体有效螺纹旋合长度：

因此：

现有总旋合长度如下：

用公式（208）得到现有有效旋合长度：