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背 景 螺栓-螺母連接是通過施加扭矩使螺母相對于螺栓發(fā)生轉動，利用螺紋升角的影響對被連接件進行壓縮，同時螺紋自身伸長產生預緊力。 預緊力會使被連接間形成夾緊力，該夾緊力乘以零件間的摩擦系數(shù)，同時考慮連接的螺栓數(shù)以及面數(shù)，就能得到零件的抗滑移的能力。 通過計算或者測量獲得接頭滿足工作載荷所需要的夾緊力,然后通過擰緊工藝讓螺栓提供的預緊力大于這個夾緊力,是螺栓連接的核心本質。  本文講述緊固接頭的類別、接頭設計所需要的載荷分析和計算公式、以及這些分析和計算有關的參數(shù)，獲得準確的工作載荷和螺栓載荷，是緊固接頭設計的基礎和關鍵。 01 工作載荷的計算 1) 工作載荷是連接設計的輸入，直接影響到后續(xù)設計的質量。需要借助CAE進行分析，根據(jù)數(shù)模零件及材料的特性，將工作載荷分解到個連接點上。在一個連接中，工作載荷的力和矩往往是復合存在的，分析后影響較小的，可以忽略簡化處理。 2）對于力分為軸向力和橫向力，軸向力就是力的方向和螺栓的軸線一致。而橫向力就是的方向垂直于軸向力的合力:  對于矩，分為螺栓軸向的矩和另外兩個方向的矩，軸向的矩有讓零件發(fā)生滑移的趨勢，是不能忽略的。另外兩個方向的矩會讓零件有產生開口的趨勢。  02 連接接頭受力類別 1）防止張開所需的軸向力FV，在有軸向外力FA作用時，被聯(lián)接件仍留有一定的壓力FKR，  2）螺栓的軸向力FKQ通過配合面產生的靜摩擦力，用以傳遞切向載荷FQ或扭矩MY，q為配合面數(shù)量，  3）對于U型結構，螺栓產生的夾緊力一部分用以克服支架變形，其余軸向力用以克服其他外力。  03 螺栓最小需求夾緊力 根據(jù)變形協(xié)調原理，連接螺栓所受的力包括外部工作載荷引起的部件彈性變形產生軸向工作載荷Fa，橫向載荷所需要的夾緊力Fkq，被夾緊件剩余夾緊力  ， 連接界面的預載荷損失  ，螺栓變形提供的夾緊力要滿足下列公式：   是擰緊系數(shù)。這個公式是VDI2230中給出的理論公式，實踐中，因為是在常溫的工作環(huán)境我們沒有計算  ，計算Φ和Fz求被連接件的剛度，計算復雜，而且這兩個值比較小，并且一正一負可以互相抵消一部分，對計算結果影響有限。 我們使用計算螺栓最小夾緊力 ： 04 通過擰緊力矩公式獲得扭矩法提供的螺栓夾緊力 T—擰緊力矩； Fm—預緊力； d2—螺紋中徑； dh—被聯(lián)接件螺栓孔直徑; dw—螺母或者螺栓法蘭的支承直徑； u—摩擦系數(shù)。 每個公司都要定義自己的摩擦系數(shù)范圍。常用的有0.9-0.15,0.10-0.16或者0.12-0.18。 這個公式是螺栓扭矩法擰緊的計算基礎。使用它，可以在力矩T或M, 預緊力Fm，摩擦系數(shù)u,已知其中兩個的條件下，計算第三個變量。 形成摩擦副的材料決定u,當螺栓和緊固件的尺寸和材料被選定，預緊力只和擰緊力矩有關。摩擦系數(shù)u不容易獲得，在實際應用中，一般取Umin和Umax計算兩次。當被連接件和螺栓規(guī)格已經確定，使用Umin可以得到最大的預緊力Fmax, 用可以得到最大的預緊力Fmin。 最大預緊力Fmax不能大于螺栓最大許用力，最小預緊力Fmin不能小于最大的工作需求夾緊力。 05 螺栓許用載荷計算 為最大程度利用螺栓強度，可根據(jù)下式計算螺栓許用載荷, 螺栓許用力必須大于螺栓最大預加力Fmax， 如果不滿足要求，要選擇更大的螺栓公稱直徑。如果更大的公稱直徑不可能，則要采取其他措施，如選擇更高的強度等級或其他裝配方法、減少摩擦或外部加載、或其他設計變更。 螺紋應力截面積As按下式計算： As=(π/4)?[(d2+d3)/2 As—螺紋應力截面面積[] ν--螺栓屈服點應力利用系數(shù)，ν=0.9 Rp0.2min--螺栓最小屈服強度[Mpa]，參照ISO 898-1 d2 --螺紋基本中徑[mm]，參照GB/T 196螺紋基本尺寸 d3 --螺紋小徑[mm]，d3= d1-H/6，參看GB/T197 d1 --螺紋基本小徑[mm]，參照GB/T 196螺紋基本尺寸 H --原始三角形高度，參照GB/T 192普通螺紋基本牙型 do--螺栓最小橫截面直徑[mm]，當螺栓桿徑小于等于應力截面積直徑時，=螺栓桿徑；當螺栓桿徑小于應力截面積直徑時do=ds=(d2+d3)/2 P --螺距[mm] μG min --螺紋上的最小摩擦系數(shù) 使用扭矩轉角法，就是為了最大限度利用螺栓強度，根據(jù)具體摩擦系數(shù)獲得螺栓許用載荷尤為重要。 |
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