螺栓受到轉矩時螺栓組聯接設計

摘要：機械產品的結構設計中，除了具體零件的結構設計外，還會有大量的標準件的選用，比如螺栓的選用，本文主要是就機械產品中當被連接件承僅受扭矩作用時，如何合理的設計螺栓組的結構而進行的研究.

關鍵詞：材料力學；機械設計；螺栓；公稱直徑；扭矩；應力；摩擦系數；防滑系數；預緊力.

設計步驟：

1.螺栓組結的構設計

2.螺栓的受力分析

3.確定螺栓直徑

1 螺栓組聯接的結構設計

螺栓組聯接結構設計的主要目的，在于合理地確定聯接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式，力求各螺栓和聯接接合面間受力均勻，便于加工和裝配。為此，設計時應綜合考慮以下幾方面的問題：

1）聯接接合面的幾何形狀通常都設計成軸對稱的簡單幾何形狀，如圓形，環(huán)形，矩形，框形，三角形等。這樣不但便于加工制造，而且便于對稱布置螺栓，使螺栓組的對稱中心和聯接接合面的形心重合，從而保證接合面受力比較均勻。

2）螺栓的布置應使各螺栓的受力合理。當螺栓聯接承受彎矩或轉矩時，應使螺栓的位置適當靠近聯接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力（下圖）。如果同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷時，應采用銷，套筒，鍵等抗剪零件來承受橫向載荷，以減小螺栓的預緊力及其結構尺寸。

3）螺栓排列應有合理的間距，邊距。布置螺栓時，各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機體壁間的最小距離，應根據扳手所需活動空間的大小來決定。扳手空間的尺寸（下圖）可查閱有關標準。對于壓力容器等緊密性要求較高的重要聯接，螺栓的間距t0不得大于下表所推薦的數值。

注：表中d為螺紋公稱直徑。

4）分布在同一圓周上的螺栓數目，應取成4，6，8等偶數，以便在圓周上鉆孔時的分度和畫線。同一螺栓組中螺栓的材料，直徑和長度均應相同。

5）避免螺栓承受附加的彎曲載荷。除了要在結構上設法保證載荷不偏心外，還應在工藝上保證被聯接件，螺母和螺栓頭部的支承面平整，并與螺栓軸線相垂直。對于在鑄，鍛件等的粗糙表面上應安裝螺栓時，應制成凸臺或沉頭座（下圖1）。當支承面為傾斜表面時，應采用斜面墊圈（下圖2）等。

2 螺栓組聯接的受力分析

進行螺栓組聯接受力分析的目的是，根據聯接的結構和受載情況，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便進行螺栓聯接的強度計算。

為了簡化計算，在分析螺栓組聯接的受力時，假設所有螺栓的材料，直徑，長度和預緊力均相同；螺栓組的對稱中心與聯接接合面的形心重合；受載后聯接接合面仍保持為平面。下面針對幾種典型的受載情況，分別加以討論。

受轉矩的螺栓組聯接如下圖所示，轉矩T作用在聯接接合面內，在轉拒T的作用下，底板將繞通過螺栓組對稱中心O并與接合面相垂直的軸線轉動。為了防止底板轉動，可以采用普通螺栓聯接，也可以采用鉸制孔用螺栓聯接。其傳力方式和受橫向載荷的螺栓組聯接相同。

采用普通螺栓時，靠聯接領緊后在接合面間產生的摩擦力矩來抵抗轉矩T。假設各螺栓的預緊程度相同，即各螺栓的預緊力均為Qp，則各螺栓聯接處產生的摩擦力均相等，并假設此摩擦力集中作用在螺栓中心處。為阻止接合面發(fā)生相對轉動，各摩擦力應與各該螺栓的軸線到

由上式可得各螺栓所需的預緊力為

式中：f——接合面的摩擦系數，見表；

ri——第i個螺栓的軸線到螺栓組對稱中心O的距離；

z ——螺栓數目；

Ks ——防滑系數，同前。

由上式求得預緊力Qp，然后按式（5-14）校核螺栓的強度。

采用鉸制孔用螺栓時，在轉矩T的作用下，各螺栓受到剪切和擠壓作用，各螺栓所受的橫向工作剪力和各該螺栓軸線到螺栓組對稱中心O的連線（即力臂r。）相垂直（圖b）。為了求得各螺栓的工作剪力的大小，計算時假定底板為剛體，受載后接合面仍保持為平面。則各螺栓的剪切變形量與各該螺栓軸線到螺栓組對稱中心O的距離成正比。即距螺栓組對稱中心O越遠，螺栓的剪切變形量越大。如果各螺栓的剪切剛度相同，則螺栓的剪切變形量越大時，其所受的工作剪力也越大。如圖b所示，用ri、rmax分別表示第i個螺栓和受力最大螺栓的軸線到螺栓組對稱中心O的距離；Fi、Fmax。分別表示第i個螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，則得

如圖所示的凸緣聯軸器，是承受轉矩的螺栓組聯接的典型部件。各螺栓的受力根據 r1=r2=…=rz的關系以及螺栓聯接的類型，分別代人式即可求得。

3 確定螺栓直徑

首先選擇螺栓材料，確定其性能等級，查出其材料的屈服極限，并查出安全系數，計算出螺栓材料的許用應力[σ]= σs/S。

根據以下公式計算螺紋小徑

最后按螺紋標準，選用螺紋公稱直徑。螺紋聯接件的材料適合制造螺紋聯接件的材料品種很多，常用材料有低碳鋼Q215、10號鋼和中碳鋼Q235、35、45號鋼。對于承受沖擊、振動或變載荷的螺紋聯接件，可采用低合金鋼、合金鋼，如15Cr、40Cr、30CrMnsi等。對于特殊用途（如防銹蝕、防磁、導電或耐高溫等）的螺紋聯接件，可采用特種鋼或銅合金、鋁合金等。

由以上三個步驟可以基本確定螺栓組連接的設計，而后還需確定螺栓組預緊力的值并對該設計連接進行強度校核計算而最終確定并完善螺栓組的結構設計。

參考文獻：

[1]邱家駿，工程力學.2012-07

[2]邵剛，機械設計基礎.2009-02

作者介紹：

崔永廣（1987-），男，河南科技學院高職學院電子系，教員，研究方向：機械制造與自動化