Bolt Spændingsberegner - Nøjagtige Fastgørelsesmomenters Specifikationer

En beregner til tilspændingsmoment for bolte anslår det tilspændingsmoment, en bolt skal bruge for at nå en bestemt spændkraft. Den bruger boltens diameter, gevindstigning, materiale og styrkeklasse til at beregne en momentværdi i newtonmeter (Nm).

Sådan fungerer tilspændingsmoment for bolte

Når en bolt drejes med en skruenøgle, påføres der et moment, altså en drejende kraft. Det meste af momentet overvinder friktion: noget i gevindet og mere under bolthovedet. Kun en lille del strækker bolten en smule, som en fjeder, og skaber den spændkraft, der holder en samling sammen. Denne spændkraft kaldes forspænding eller trækspænding. Da friktion optager det meste af momentet, ændrer boltens overfladetilstand og spørgsmålet om, hvorvidt den er smurt, hvor stor spændkraft et bestemt moment frembringer.

Sådan beregnes tilspændingsmoment for bolte

Den almindelige formel for moment og spænding er:

T = K × D × F

• T — moment i newtonmeter (Nm)
• K — momentkoefficient, en friktionsfaktor bestemt af materiale og smøring
• D — boltens nominelle diameter i meter
• F — spændkraft (forspænding) i newton (N)

Diameteren skal angives i meter, ikke millimeter. En bolt på 10 mm indtastes som 0,01 m i denne formel. Hvis millimeter anvendes direkte, bliver det beregnede moment 1.000 gange for stort.

Momentkoefficient (K)

Momentkoefficienten repræsenterer friktion. En lavere K betyder, at mindre moment går tabt til friktion, så mere af det bliver til spændkraft. En K på 0,2 er den almindeligt antagne værdi, men de reelle værdier varierer med friktionen. NASAs manual for fastgørelseselementer advarer om, at 0,2 ikke bør bruges blindt, og kalder omkring 0,15 en mere realistisk typisk værdi for stål mod stål. Et publiceret diagram over moment og spænding bruger K = 0,20 til tørre bolte og 0,15 til smurte bolte. Denne beregner følger den opdeling. "Tør" betyder en bolt monteret uden olie, fedt eller voks. Standardindstillingen er tørt stål, K = 0,20. Smurt stål bruger 0,15, NASAs typiske værdi. Denne beregner bruger disse værdier:

Spændkraft (F)

Spændkraft er den aksiale kraft, som en tilspændt bolt udøver på samlingen. Denne beregner sætter målspændkraften til 75 % af boltens prøvelast, et almindeligt mål for en samling, der kan skilles ad og samles igen:

F = 0,75 × Sp × As

Sp er den mindste prøvespænding for boltens styrkeklasse, defineret i standarden ISO 898-1. As er spændingsarealet, det effektive tværsnit af den gevindskårne del af skaftet, der bærer lasten:

As = (π/4) × (d − 0,9382 × P)²

Her er d den nominelle diameter, og P er gevindstigningen, begge i millimeter. As er mindre end arealet af det glatte skaft, fordi gevindet fjerner materiale.

Prøvespænding efter styrkeklasse:

Materiale og styrkeklasse vælges separat i denne beregner. Valget »Rustfrit stål« ændrer ikke eller begrænser, hvilke styrkeklasser der er tilgængelige; de fem ovenstående klasser gælder uanset materiale.

Regneeksempel

Betragt en stålbolt M10 med en nominel diameter på 10 mm, en gevindstigning på 1,5 mm, styrkeklasse 8.8 og tør tilspænding.

1. Spændingsbærende tværsnitsareal: As = (π/4) × (10 − 0,9382 × 1,5)² ≈ 57,99 mm²
2. Prøvespænding: Sp = 580 MPa, eftersom diameteren er 16 mm eller mindre
3. Spændkraft: F = 0,75 × 580 × 57,99 ≈ 25.225 N
4. Moment: T = 0,20 × 0,01 × 25.225 ≈ 50,45 Nm

Den samme bolt, smurt i stedet for tør, (K = 0,15), kræver cirka 37,84 Nm — omtrent en fjerdedel mindre. Smøring reducerer friktionen, så mindre moment går til spilde, og mere bliver til spændkraft.

Hurtig reference: stålbolte, styrkeklasse 8.8

Omtrentligt moment ved standard grov gevindstigning, 75 % forspænding. Disse tal stemmer tæt overens med et publiceret diagram over moment og spænding efter ISO 898-1, der bruger K = 0,20 tør og 0,15 smurt:

Disse tal forudsætter styrkeklasse 8.8 og et mål for forspændingen på 75 %. En anden styrkeklasse, et andet materiale eller en anden forspænding ændrer resultatet, så brug beregneren ovenfor for at få en nøjagtig værdi.

Beregning af moment i kode

1def bolt_torque(diameter_mm, torque_coefficient, tension_n):
2    diameter_m = diameter_mm / 1000  # convert mm to m
3    return round(torque_coefficient * diameter_m * tension_n, 2)
4
5torque = bolt_torque(10, 0.20, 25225)
6# 50.45
7

Diameteren skal divideres med 1000, før den multipliceres med K og F. Hvis dette trin springes over, bliver momentet 1.000 gange for stort.

Beregnerens forudsætninger

• Stuetemperatur, cirka 20-25°C
• Rene, ubeskadigede gevind med korrekt indgreb
• Et mål for forspændingen på 75 % af boltens prøvelast
• En statisk samling, der ikke udsættes for kraftige vibrationer eller termiske cyklusser

Denne beregner understøtter nominelle diametre fra 3 mm til 36 mm. For samlinger, hvor et svigt kan medføre personskade eller omfattende skader — trykbeholdere, stålkonstruktioner og dele til luft- og rumfart — skal producentens momentspecifikation eller en relevant teknisk standard anvendes i stedet. Virkelige samlinger omfatter yderligere faktorer, såsom pakningskompression, termisk udvidelse og variation i friktionen mellem de enkelte fastgørelseselementer, som en generel formel ikke kan tage højde for.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er en beregner til tilspændingsmoment for bolte?

Et værktøj, der anslår det tilspændingsmoment i newtonmeter, som er nødvendigt for at få en bolt til at nå en bestemt spændkraft. Det bruger boltens diameter, gevindstigning, materiale og styrkeklasse som input.

Hvordan beregner jeg tilspændingsmoment for en bolt i hånden?

Brug T = K × D × F, hvor D angives i meter. K findes i en tabel over momentkoefficienter for boltens materiale og smøringstilstand. F bestemmes ud fra boltens styrkeklasse og spændingsbærende tværsnitsareal og sættes normalt til 75 % af prøvelasten for en samling, der skal kunne genbruges.

Hvad sker der, hvis en bolt overspændes?

Den kan strækkes ud over sin elastiske grænse, få ødelagt gevindet eller knække. Gevind i aluminium ødelægges særligt let. Overspænding forkorter også boltens udmattelseslevetid, fordi den derefter arbejder tættere på flydegrænsen og har mindre reserve til ekstra belastning under brug.

Hvad sker der, hvis en bolt er underspændt?

Samlingen kan løsne sig under vibrationer, lække, hvis den sammenpresser en pakning, eller lade dele forskyde sig ved tværgående belastning. Underspændte bolte er også mere tilbøjelige til at revne som følge af gentagne belastningscyklusser, fordi den spændkraft, der normalt optager denne belastning, er for lav.

Ændrer smøring, hvor stort moment en bolt kræver?

Ja. Smøring reducerer momentkoefficienten ved at mindske friktionen, så mindre af det påførte moment går tabt, og mere omdannes til spændkraft. En smurt stålbolt kræver typisk cirka 25 % mindre moment end den samme bolt i tør tilstand for at nå den samme spændkraft.

Hvad er forskellen på moment og trækspænding i en bolt?

Moment er den vridende kraft, der påføres med en skruenøgle. Trækspænding, også kaldet forspænding, er den efterfølgende strækning inde i bolten, som frembringer spændkraften. De to størrelser er forbundet gennem friktion, så den samme momentværdi kan give forskellig trækspænding afhængigt af smøring og overfladetilstand.

Kan denne beregner bruges til bolte af rustfrit stål?

Ja. Rustfrit stål har sine egne koefficienter i denne beregner: 0,22 i tør tilstand og 0,17 i smurt tilstand, begge højere end for almindeligt stål, fordi rustfrit stål yder større modstand mod glidning og har tendens til koldsvejsning, hvor gevindene kan sætte sig fast på grund af friktion. Der anvendes almindeligvis et antirivningsmiddel på samlinger af rustfrit stål mod rustfrit stål for at forhindre dette.

Referencer

1. NASA Lewis Research Center. Fastener Design Manual (NASA Reference Publication 1228). Fastener Design Manual — den korte momentformel T = KFd og den almindeligt antagne K på 0,2.
2. Fastenal Engineering. Torque-Tension Relationship ISO 898-1 Property Class 4.6, 8.8, 10.9 & 12.9, Metric Coarse Thread. Diagram over moment og spænding (PDF) — spændkraft ved 75 % af prøvelasten, K = 0,20 tør og 0,15 smurt samt momentværdierne i oversigtstabellen.