螺栓結(jié)合面的特性影響研究

王蒙寬 李夢奇 梁睿 李斌

摘?要：一個完整的機械產(chǎn)品一般都是由各種零部件組裝聯(lián)接得到的，其中的螺栓聯(lián)接是應(yīng)用最廣泛的一種聯(lián)接方式，正是由于聯(lián)接的存在，使得整機系統(tǒng)不再連續(xù)，各零部件之間形成了若干個結(jié)合面，結(jié)合面的特性對整機系統(tǒng)的性能有著重要的影響。

關(guān)鍵詞：螺栓結(jié)合面;結(jié)合面的特性;理論研究

Abstract：a complete mechanical products are generally made of a variety of parts and components assembly connection，the bolt connection is the most widely used way of a connection，it is because of the existence of the connection，make the whole system is no longer continuous，each parts formed between a number of joint surface，combined with the characteristics have important effects on the performance of the whole system.

Key words：bolt joint surface;Characteristics of the joint surface;The theoretical study

機械產(chǎn)品或者數(shù)控機床等一系列機械裝備中的各種零部件都是按照一定具體要求裝配時，各零部件之間形成的互相接觸的表面稱為“結(jié)合面”或“接觸面”。又因為各零部件的裝配方式不一樣，所以在裝配體中就存在了許多不同類型的結(jié)合面。從運動學(xué)角度來看，結(jié)合面又可以分為三類：固定結(jié)合面、半固定結(jié)合面和運動結(jié)合面。在機械裝備中固定結(jié)合面又是最為普遍和典型的一種結(jié)合面，它在裝配體中分布最為廣泛。而要想對結(jié)合面的變形進行深入的了解和分析，就應(yīng)該針對結(jié)合面的變形機理進行有目的性的分析。

1 結(jié)合面特性影響因素

機械結(jié)合面變形的影響因素眾多并且大部分又為非線性關(guān)系，而構(gòu)成結(jié)合面的組件又各種各樣，并且在結(jié)合面的作工狀況又不一樣，而采取的多元化條件與工況，它們之間互相交叉的影響，導(dǎo)致了結(jié)合面變形的問題的研究更加復(fù)雜化。結(jié)合面特性指的是兩個彼此接觸的零部件之間的表面層區(qū)域，結(jié)合面特性的主要的影響因素主要有[1]：

（1）結(jié)合面的加工方法，比如車、銑、刨、磨、鉆等;（2）結(jié)合面的加工材料，比如ΗΤ250、45#鋼材等;（3）結(jié)合面的表面完整度，像粗糙度、平面度、波紋度等[2];（4）結(jié)合面之間的介質(zhì)，即結(jié)合面之間相互接觸的表層區(qū)域有油或者無油，但是在實際中螺栓結(jié)合面中是沒有介質(zhì)的;（5）結(jié)合面的初始法向和切向面壓，對螺栓結(jié)合面來說為螺栓預(yù)緊力的大小;（6）結(jié)合面的結(jié)構(gòu)形狀;（7）結(jié)合面的結(jié)構(gòu)、類型、尺寸大小;（8）結(jié)合面的靜工作面壓;（9）結(jié)合面壓分布狀態(tài);（10）結(jié)合面的功能;（11）結(jié)合面間的動態(tài)力;（12）激振頻率;（13）結(jié)合面溫度場的影響;（14）結(jié)合面的相對振動幅值與相位。

從以上可以看出，影響結(jié)合面特性的因素有很多，在這些因素當中，有的影響因素和結(jié)構(gòu)相關(guān)，有的影響因素又和工況相關(guān)，又有的兩方面因素都考慮。為了方便研究，學(xué)者們通常將影響因素看作以下三類：①與結(jié)構(gòu)相關(guān)的因素;②與工況相關(guān)的因素;③與結(jié)合面固有特性相關(guān)的因素。

2 螺栓結(jié)合面的連接特性

在工程問題中最常見的便捷的連接方式就是用螺栓來連接，用螺栓連接就少不了螺栓預(yù)緊力。螺栓預(yù)緊力使結(jié)合面產(chǎn)生了壓應(yīng)力，所以微凸體產(chǎn)生了法向與切向載荷。我們首先要給螺栓施加一個預(yù)緊力矩的力，然后再在有限元仿真計算時給螺栓的力都為沿著螺栓軸向方向的預(yù)緊力。如圖2所示，螺栓結(jié)合面受力示意圖。螺栓的預(yù)緊力矩T是由螺母和連接件之間的摩擦力矩T1及螺旋副之間的摩擦阻力矩T2組成，如關(guān)系式（1）所示[3]：

螺母和被連接件之間的摩擦力矩，如關(guān)系式（2）所示：

（2）式中，μ是螺母的摩擦系數(shù)（無潤滑，μ≈0.1-0.2）;rv是螺母的摩擦半徑。

（3）式中，D1是螺母外徑，D1=1.5d，d0是螺栓孔直徑，d0=1.1d。

（4）式中，F(xiàn)是螺栓預(yù)緊力;d1是螺紋中徑，d1=0.9d（d是螺紋公稱直徑）;θ是螺紋升角;φv是螺紋摩擦角，并φv=arctan1.55μ。

把（1）、（2）、（3）、（4）聯(lián)立起來，可得螺栓預(yù)緊力和預(yù)緊力矩得關(guān)系式：

螺栓結(jié)合面的面壓和預(yù)緊力的關(guān)系式如（6）所示：

（6）式中，Pn是結(jié)合面的面壓;S是結(jié)合面的面積大小。

結(jié)合面的面壓也是和接觸剛度有關(guān)聯(lián)的，所以預(yù)緊力越大它的接觸壓力就越大，接觸剛度也就越大。但螺栓預(yù)緊力不能過大，也不能過小，過大導(dǎo)致材料的損壞，過小則會使螺栓沒擰緊，會使兩連接件產(chǎn)生運動，達不到連接的作用。所以，適當?shù)念A(yù)緊力和預(yù)緊力矩是保證結(jié)構(gòu)的強度、抗疲勞還有剛度的關(guān)鍵因素。

3 螺栓結(jié)合面的接觸變形解析

螺栓結(jié)合面的變形能用零部件自身的角位移及線位移可體現(xiàn)。因而把相接觸的兩個零部件中的其中一個加以約束處理，繼而能得出另外一個零部件相對位移。

如圖3所示，假定Ⅱ零部件約束，在螺栓結(jié)合面處建立直角坐標系。然后再把外部載荷全轉(zhuǎn)換到坐標原點上來，可獲得主矢及主力矩F。

（7）式中，F(xiàn)1、F2、F3是三軸方向上的力分量;F4、F5、F6是三軸方向上的力矩分量。

螺栓固定結(jié)合面的位移矩陣u：

（8）式中，u1、u2、u3是線位移，u4、u5、u6是角位移。

螺栓固定結(jié)合面上的接觸變形矩陣λ：

如圖4所示，假設(shè)Ax1，x2，x3是螺栓結(jié)合面上任意一點的接觸點坐標，零件a上的坐標系是∑a，那么b上的坐標系則為∑b。

螺栓結(jié)合面變形前，零件a和零件b是處于相鄰接觸狀態(tài)，坐標系重合，bP=aP=x1

當外部載荷只需在零件a上發(fā)生作用，螺栓固定結(jié)合面上點都可能會產(chǎn)生形變。4圖中，A′是A發(fā)生變形之后的位置，形變量為λ，它的形變分量是λ1，λ2，λ3。

大于零是處于預(yù)緊狀態(tài)，小于零則是間隙狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合面的特性參數(shù)研究較多，到現(xiàn)在可以認為相對較多也比較成熟，也為后續(xù)研究工作做了準備。

參考文獻：

[1]黃玉美，等.機床結(jié)構(gòu)設(shè)計效果預(yù)斷中結(jié)合條件的處理方法.機床，1990（6）：8-12.

[2]周喜峰.數(shù)控機床結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫管理設(shè)計與開發(fā)[D].南京理工大學(xué)，2012.

[3]戈豐來，徐慶坤.力矩扳手的力矩計算[J].機械制造，2002（4）：54-55.

基金項目：邵陽學(xué)院研究生項目（CX2019SY025）

作者簡介：王蒙寬（1987—?），男，湖南衡陽人，碩士研究生，研究生在讀，研究方向：專用設(shè)備制造。