螺栓的最大承受拉力计算

正树

自己用到，就看到这么个问题：
Q:
4.8级M20的螺栓紧固件，最小能承受多大的重量或者拉力？我查了下相关资料，4.8级的抗拉强度为400 MPa（N/mm2），M20的横截面积为227mm2.最小抗拉力F=400*227=90800N.90800N?? 那差不多等于9080kg，也就是9吨物体产生的拉力啊……我总觉得严重有问题，哪有那么强大的，跪求专家知道。


A1：
4.8级的螺栓4代表着抗拉强度为400Mpa，8代表着屈强比为0.8，也就是说此螺栓的屈服强度为320Mpa，所以楼主在估算4.8级M20螺栓承载能力时的参考值应该是屈服强度320Mpa而不是抗拉强度400Mpa，而且320Mpa也是不能直接拿来计算的，切记机械里面的几乎一切零件只允许工作在弹性变形状态！绝对不能工作在屈服状态和塑变状态！再来谈谈4.8级的螺栓大概是个什么鬼吧，从它的屈服强度来看做这种螺栓的材料和Q345是一个级别的，在国内很有可能就是Q345直接搓丝的（正常应该是优质低碳碳素钢），Q345又是个什么鬼呢？这种材料是一种低合金结构钢，一般用来做焊接件，钢结构，如只保证屈服强度不保证化学成分，也就是里面的P、S、Si等含量控制不是很严格，而这些杂质对于钢材的断裂破坏有着深远的影响，螺纹连接安装的正确与否也直接导致了螺栓的承载的可靠程度，按照大量实验数据统计下来4.8级M20的螺栓其紧固力矩为176N.M左右，至于为什么需要这么大的紧固力矩这得从螺纹牙的受载情况说起，学过机械的都应该知道，螺栓破坏的形式80％是螺杆被拉断，而这个数据的前提是所有连接段的螺牙均参与了受载，比如参与旋合的螺母有5圈牙，你可以计算下5圈牙的根部受载面积是大于螺栓横截面面积的（这里把螺牙简化为悬臂梁来直观解释，而实际情况比这种简化复杂），所以螺牙根部的应力是＜螺栓截面上的应力的，所以螺杆被拉断的概率大于螺牙滑丝的概率，而实际使用时5圈螺牙的受力并非均匀，如果螺栓没有预紧那么第一圈牙很可能承受了总载荷的60％，这种情况下第一圈螺牙极易滑丝，而只要第一牙滑丝即将发生多骨诺米牌效应，一发而不可收拾，这是一种很危险的状态，所以螺栓必须在有预紧力的状态下使用，即使是预紧了第一圈也承受了将近总载荷的30％左右的载荷而处于高应力状态，5圈过后的牙基本不受力，所以我们没有看到超长的螺母只有长的螺栓就是这个道理，螺栓连接还要考虑蠕变，延时断裂，连接刚性等等，楼主3吨的载荷也算不小了，结合我国标准件的制造水准和质量稳妥起见我建议楼主使用6枚8.8级的M20螺栓，并且按预紧力矩425N.M拧紧，不要小看螺丝上到火箭下到自行车都用的，真的懂螺丝会拧螺丝的不多了，最后推荐一本介绍螺纹的权威著作给楼主和众知友《高强度螺栓摩擦连接概论》日：田岛二郎著,螺栓玩的好的有瑞典的nord lock和日本的hard lock,我国火箭动车等重要场合的螺丝均采购于他们，他们的螺丝经过NASA最严格振动测试实验，对于一个螺丝都玩不好的国家实在是有太多的唏嘘......

A2：
问出这种问题就是懒得看书。随便来本机械设计手册，紧固件章节都有螺栓基本计算，或者一套国标3098就解决。你的计算主要有以下问题:1.在默认你用的粗牙螺纹前提下，M20应力截面积是245平方毫米，这个3098有。2.不能直接用抗拉极限计算，那个是考察螺栓断掉的指标，没人会用这个指标做设计。应该用保证应力，4.8保证应力310MPa。这个3098也有。3.按照上述，总保证载荷有76000，这个数也是3098上抄的。综上，单个M20螺栓承受载荷还真是不小，不过前提条件是仅受轴向静载荷的松螺栓，这在实际中简直跟匀速直线运动一样难得。大部分情况下还是拧紧使用的，因此还要考虑到:4.螺栓拧紧时候是有很大预应力的，这个跟拧紧扭矩有如下关系:扭矩=扭矩系数x螺栓轴向预紧力x公称直径扭矩系数在0.15到0.2之间。