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螺紋連接設(shè)計(jì)

瀏覽次數(shù)：1082 發(fā)布時(shí)間：2023-11-19
1. 螺紋種類及幾何特性  邯鄲市永年區(qū)佑工緊固件銷售有限公司 商業(yè)合作熱線：18330064396


1.1螺紋類型
螺紋種類繁多，收集匯總?cè)鐖D（1），普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)（GB196—81）是公制圓柱三角形螺紋，其牙形角為60°，因其當(dāng)量摩擦系數(shù)大，主要應(yīng)用于連接，其牙形圖見圖（2），以下將以此公制三角形螺紋作為對象展開討論。


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1.2 外螺紋幾何參數(shù)


普通外螺紋尺寸參數(shù)見圖（3），牙形參數(shù)見圖（2），其尺寸參數(shù)之間的關(guān)系表述如下：

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  1.  1.3 螺紋物理特性


螺紋當(dāng)量摩擦系數(shù) fv：
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上式中：t—螺距（mm），n—螺紋頭數(shù)（=1），f—螺紋端部摩擦系數(shù)，β—接觸邊牙形半角，d—螺紋大徑（mm），Mz—扳手扭矩（N.mm），R—端部接觸外半徑（mm），r—端部接觸內(nèi)半徑（mm），f0—螺紋部摩擦系數(shù)，F(xiàn)'—螺栓預(yù)緊力（N）,As—螺紋有效面積，dc—螺紋計(jì)算直徑。kt—擰緊力矩系數(shù)（取0.1~0.3），具體見表（1）。
表（1）擰緊力矩系數(shù)kt選擇：【1】


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2.  螺紋連接受力分析


螺紋連接受力分析的目的：找出連接中受力最大的螺栓及其軸向外載荷Fmax及所需最小預(yù)緊力F’min。


螺栓連接受力分析的三個(gè)假設(shè)：1）被連接件為剛體、2）各螺栓拉伸和剪切剛度及預(yù)緊力相等、3）螺栓應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)。


2.1受純軸向力Q的螺栓組連接
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2.2受橫向力R的螺栓組連接


1）靠摩擦力連接
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2）鉸制孔螺栓連接
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2.3受旋轉(zhuǎn)扭矩T的螺栓組連接
1）靠摩擦力連接
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2）鉸制孔連接
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2.4 受翻轉(zhuǎn)扭矩M的螺栓組連接
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     2.5受復(fù)合載荷作用
當(dāng)受復(fù)合載荷作用時(shí)，根據(jù)以上介紹的計(jì)算方法分別計(jì)算每個(gè)螺栓的外加載荷，并分別進(jìn)行矢量疊加，求出最大Fmax，再根據(jù)外載荷大小求出最小預(yù)緊力F’min。對于受拉力狀態(tài)下的螺栓最小預(yù)緊力F’min計(jì)算，見下述。


  1.  3.  螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算


螺紋連接強(qiáng)度計(jì)算的任務(wù)：計(jì)算確定螺栓直徑d，計(jì)算確定靜態(tài)預(yù)緊力F’及預(yù)緊力矩Mz，動負(fù)荷作用下要考慮合理的剛度匹配ce、c1、c2計(jì)算，即連接長度L計(jì)算。


研究螺紋連接強(qiáng)度和可靠性問題，都是針對單個(gè)螺栓進(jìn)行的，所以要計(jì)算單個(gè)螺栓最大外加載荷Fmax、最小預(yù)緊力F’min，這是螺栓連接設(shè)計(jì)主要依據(jù)。


3.1受軸向載荷的螺栓強(qiáng)度計(jì)算
3.1.1 只受軸向載荷、無預(yù)緊力（Fmax>0，F(xiàn)’min=0）的螺栓強(qiáng)度計(jì)算
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3.1.2 只有預(yù)緊力（Fmax=0，F(xiàn)’min>0）的螺栓強(qiáng)度計(jì)算
此種情況下，螺栓拉扭組合變形，根據(jù)第四強(qiáng)度理論：
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3.1.3受軸向載荷、有預(yù)緊力（Fmax>0，F(xiàn)’min>0）的螺栓強(qiáng)度計(jì)算
此種受力狀態(tài)下，螺栓不僅受軸向外力，還受扭矩和預(yù)緊力，實(shí)際的最小預(yù)緊力F’min需要通過計(jì)算確定。見圖（5）螺栓連接變形協(xié)調(diào)關(guān)系。
（1）螺栓靜態(tài)預(yù)緊力F’
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(2) 強(qiáng)度計(jì)算（Fmax>0，F(xiàn)’min>0）
受軸向載荷、有預(yù)緊力（Fmax>0，F’min>0）的螺栓強(qiáng)度計(jì)算，需要同時(shí)滿足靜強(qiáng)度條件和疲勞強(qiáng)度條件。
*靜強(qiáng)度計(jì)算（Fmax>0，F(xiàn)’min>0）：
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*疲勞強(qiáng)度計(jì)算（Fmax>0，F’min>0）：
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表（6）承受拉力狀態(tài)螺釘連接設(shè)計(jì)流程：
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（3）螺栓連接的剛度匹配與疲勞強(qiáng)度關(guān)系
提高螺栓疲勞強(qiáng)度的兩個(gè)方向，降低應(yīng)力幅和提高材料性能。通過合理剛度匹配，可降低螺栓應(yīng)力幅：
表（5）相對剛度Ce一旦確定，剛度匹配就完成，它與螺栓疲勞強(qiáng)度和連接的可靠性直接相關(guān)，見圖（5），變載荷Fmax作用下，螺栓實(shí)際的載荷波動ΔF：


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上式表明，螺栓的相對剛度Ce越小，ΔF就越小。所以為了提高螺栓的疲勞強(qiáng)度（降低應(yīng)力幅），盡量降低螺栓剛度和提高被連接件剛度。
抗疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意點(diǎn)，參考圖（6），說明以下幾個(gè)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)：
增加螺栓柔性的措施：


  1.   a) 強(qiáng)度允許的條件下，部分減小螺栓桿直徑或中空等措施；
  2.   b) 在螺母下安裝彈性元件(剛度需要匹配計(jì)算)
  3.   c) 注意:力作用點(diǎn)以外的材料計(jì)入螺栓剛度，力作用點(diǎn)以內(nèi)材料計(jì)入被連接件的剛度。
  4.   增加被連接件剛度措施：
  5.   a) 如果需要中間墊片，應(yīng)采用高剛性中間墊片。
  6.   b) 增加預(yù)緊力，使應(yīng)力達(dá)到（0.7~0.8）σs


材料與制造工藝：
a) 高強(qiáng)度鋼雖然對應(yīng)力集中比較敏感，但可以承受更大的擰緊力，可以制造更柔性的螺栓，利大于弊；
b) 對于輾制螺紋，由于表面存在壓應(yīng)力，其疲勞強(qiáng)度較車制螺紋高30~40%，熱處理后滾壓螺紋，其效果更佳。
c）螺栓表面噴丸處理，以增加表面壓應(yīng)力。 
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（4）螺栓軸向力作用點(diǎn)位置對Ce的影響：
設(shè)計(jì)時(shí)要注意的一個(gè)問題，螺栓軸向力作用點(diǎn)的不同，會對螺栓和被連接件的實(shí)際剛度產(chǎn)生影響。圖（7），軸向力作用點(diǎn)在螺栓和被連接件的結(jié)合面處時(shí)，螺栓剛度c1和被連接件剛度c2互不影響；圖（8），正反兩方向軸向力作用點(diǎn)間距為0時(shí)，c2’剛度為無窮大，此時(shí)當(dāng)螺栓軸向負(fù)載小于螺栓預(yù)緊力時(shí)（Fmax<F’），螺栓的軸向力不發(fā)生任何變化；圖（9），正反兩方向軸向力作用點(diǎn)間距縮小時(shí)，實(shí)際被連接件的剛度c2’會增大，螺栓實(shí)際剛度c1’會減小，螺栓的軸向負(fù)載變化會減小。圖（7）和圖（8）是兩種極限狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中，通常類似圖（9）情況，只是偏向程度不同而已。設(shè)計(jì)時(shí)，由于力的作用點(diǎn)難以確定，設(shè)計(jì)都按照圖（7）狀態(tài)進(jìn)行，這是偏安全的，但務(wù)必要了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來的這種傾向，圖（10）表示了不同結(jié)構(gòu)，不同的傾向程度。


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不同結(jié)構(gòu)對剛度匹配的影響：
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3.2鉸制孔連接的螺栓剪切強(qiáng)度計(jì)算
鉸制孔螺栓連接，需要進(jìn)行抗剪強(qiáng)度計(jì)算和抗擠壓強(qiáng)度驗(yàn)算。
（1）抗剪強(qiáng)度計(jì)算

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（2）抗擠壓強(qiáng)度計(jì)算


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  1.  4. 承受拉力狀態(tài) 螺釘連接設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

一般情況，螺紋連接可按靜態(tài)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，對于承受振動、交變載荷、熱負(fù)荷場合場合的螺紋連接必須進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)，工程應(yīng)用中相對復(fù)雜，應(yīng)用最多的也是這種狀態(tài)——（Fmax>0，F’min>0）狀態(tài)，舉例詳細(xì)說明設(shè)計(jì)計(jì)算過程，供參考。


例：有油缸直徑200（mm），系統(tǒng)最高工作壓力12（MPa），無桿腔端蓋用螺釘連接，如何設(shè)計(jì)這個(gè)端蓋的螺紋連接。（缸壁厚度、端蓋厚度經(jīng)過分析計(jì)算已經(jīng)初步確定）


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解：按照表（6）步驟進(jìn)行。
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  1.  5.   關(guān)于剛度的計(jì)算

  2.  5.1 螺栓剛度計(jì)算


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5.2 被連接件剛度計(jì)算
被連接件剛度c2計(jì)算公式【1】：
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5.3 已知E1、E2、ce、d、t，估算連接長度L
表（6）的第10項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算工作，以螺釘+平板連接為例，進(jìn)行說明，其他連接種類，參考可參考本例進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。


根據(jù)受力分析和強(qiáng)度計(jì)算后，得到E1、E2、ce和d，可通過以下方法計(jì)算連接長度L，連接結(jié)構(gòu)如圖（11）



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具體看一下函數(shù)f(L)圖形，當(dāng)d=16(mm),t=2(mm),E1=E2=206000(MPa),鋼制螺釘+鋼質(zhì)平板連接時(shí)，函數(shù)f(L)圖形見圖（12）。從圖中可看出，L=0~94范圍內(nèi)，隨著連接厚度L的增加，螺栓的相對剛度ce也是增加的，當(dāng)要減小螺釘相對剛度ce時(shí)，減小連接厚度L，而不是增加L（表明在此范圍內(nèi)，連接厚度L對平板剛度的影響更敏感）。


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  圖（12）鋼質(zhì)螺釘+鋼質(zhì)平板連接厚度L分布圖


例1：鋼質(zhì)螺釘+鋼質(zhì)平板連接，根據(jù)受力計(jì)算得到d=16(mm)，t=2(mm), ce=0.25,E2=E1=206000(MPa),使用matlab計(jì)算得L≈8（mm）。


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例2：用鋼質(zhì)螺釘+平板鋁合金材料，E1=206000（MPa），E2=69000（MPa），根據(jù)受力分析得d=16（mm），t=2（mm），ce=0.6，結(jié)構(gòu)同圖（11）.使用matlab計(jì)算得 L≈12（mm）


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從圖中可以看出，連接厚度L<40范圍內(nèi)，螺釘相對剛度ce越大，連接厚度L也越大，說明L的變化對于被連接平板的剛度影響更敏感。對于鋁合金等硬度不高的材料而言，螺釘和被連接件的剛度匹配更顯得重要，否則，容易造成這種情況，如果螺釘相對剛度過大造成實(shí)際作用的交變負(fù)荷偏大，對連接表面不斷沖擊而壓潰表面造成連接松動，螺釘直徑的選擇必須合適才行。

以上2例僅作為L連接厚度計(jì)算介紹，實(shí)際應(yīng)用中，必須綜合考慮，純理論推導(dǎo)僅供參考。


     6. 關(guān)于材料的持久極限


σ-1是材料對稱彎曲疲勞持久極限，其數(shù)據(jù)可通過實(shí)驗(yàn)獲得，或手冊中查得。以下公式供參考。


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  1.  7.  結(jié)束語

螺紋連接設(shè)計(jì)要考慮的問題，除了強(qiáng)度設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配并提出裝配要求外，牽涉的面還很廣，如材料合理選擇、防腐措施、防松措施、消除應(yīng)力集中等方面都需要在設(shè)計(jì)階段有充分的考慮，所以，設(shè)計(jì)過程中要抓主要矛盾，不同的應(yīng)用場景，側(cè)重面會有所不同，而且機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代改進(jìn)的過程，設(shè)計(jì)計(jì)算只是第一步，重要的場合，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐是必要的。



參考文獻(xiàn)：
【1】徐灝《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》機(jī)械工業(yè)出版社  1991年9月
【2】許鎮(zhèn)宇邱宣懷 《機(jī)械零件設(shè)計(jì)》 高等教育出版社 1981年7月