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螺紋連接設計

瀏覽次數：1133 發布時間：2023-11-19
1. 螺紋種類及幾何特性  邯鄲市永年區佑工緊固件銷售有限公司 商業合作熱線：18330064396


1.1螺紋類型
螺紋種類繁多，收集匯總如圖（1），普通螺紋標準（GB196—81）是公制圓柱三角形螺紋，其牙形角為60°，因其當量摩擦系數大，主要應用于連接，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


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

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  1.  1.3 螺紋物理特性


螺紋當量摩擦系數 fv：
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上式中：t—螺距（mm），n—螺紋頭數（=1），f—螺紋端部摩擦系數，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—端部接觸內半徑（mm），f0—螺紋部摩擦系數，F'—螺栓預緊力（N）,As—螺紋有效面積，dc—螺紋計算直徑。kt—擰緊力矩系數（取0.1~0.3），具體見表（1）。
表（1）擰緊力矩系數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及所需最小預緊力F’min。


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


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 受翻轉扭矩M的螺栓組連接
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     2.5受復合載荷作用
當受復合載荷作用時，根據以上介紹的計算方法分別計算每個螺栓的外加載荷，并分別進行矢量疊加，求出最大Fmax，再根據外載荷大小求出最小預緊力F’min。對于受拉力狀態下的螺栓最小預緊力F’min計算，見下述。


  1.  3.  螺紋連接的強度計算


螺紋連接強度計算的任務：計算確定螺栓直徑d，計算確定靜態預緊力F’及預緊力矩Mz，動負荷作用下要考慮合理的剛度匹配ce、c1、c2計算，即連接長度L計算。


研究螺紋連接強度和可靠性問題，都是針對單個螺栓進行的，所以要計算單個螺栓最大外加載荷Fmax、最小預緊力F’min，這是螺栓連接設計主要依據。


3.1受軸向載荷的螺栓強度計算
3.1.1 只受軸向載荷、無預緊力（Fmax>0，F’min=0）的螺栓強度計算
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3.1.2 只有預緊力（Fmax=0，F’min>0）的螺栓強度計算
此種情況下，螺栓拉扭組合變形，根據第四強度理論：
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3.1.3受軸向載荷、有預緊力（Fmax>0，F’min>0）的螺栓強度計算
此種受力狀態下，螺栓不僅受軸向外力，還受扭矩和預緊力，實際的最小預緊力F’min需要通過計算確定。見圖（5）螺栓連接變形協調關系。
（1）螺栓靜態預緊力F’
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(2) 強度計算（Fmax>0，F’min>0）
受軸向載荷、有預緊力（Fmax>0，F’min>0）的螺栓強度計算，需要同時滿足靜強度條件和疲勞強度條件。
*靜強度計算（Fmax>0，F’min>0）：
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*疲勞強度計算（Fmax>0，F’min>0）：
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表（6）承受拉力狀態螺釘連接設計流程：
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（3）螺栓連接的剛度匹配與疲勞強度關系
提高螺栓疲勞強度的兩個方向，降低應力幅和提高材料性能。通過合理剛度匹配，可降低螺栓應力幅：
表（5）相對剛度Ce一旦確定，剛度匹配就完成，它與螺栓疲勞強度和連接的可靠性直接相關，見圖（5），變載荷Fmax作用下，螺栓實際的載荷波動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度（降低應力幅），盡量降低螺栓剛度和提高被連接件剛度。
抗疲勞結構設計注意點，參考圖（6），說明以下幾個設計觀點：
增加螺栓柔性的措施：


  1.   a) 強度允許的條件下，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(剛度需要匹配計算)
  3.   c) 注意:力作用點以外的材料計入螺栓剛度，力作用點以內材料計入被連接件的剛度。
  4.   增加被連接件剛度措施：
  5.   a) 如果需要中間墊片，應采用高剛性中間墊片。
  6.   b) 增加預緊力，使應力達到（0.7~0.8）σs


材料與制造工藝：
a) 高強度鋼雖然對應力集中比較敏感，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，由于表面存在壓應力，其疲勞強度較車制螺紋高30~40%，熱處理后滾壓螺紋，其效果更佳。
c）螺栓表面噴丸處理，以增加表面壓應力。 
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（4）螺栓軸向力作用點位置對Ce的影響：
設計時要注意的一個問題，螺栓軸向力作用點的不同，會對螺栓和被連接件的實際剛度產生影響。圖（7），軸向力作用點在螺栓和被連接件的結合面處時，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間距為0時，c2’剛度為無窮大，此時當螺栓軸向負載小于螺栓預緊力時（Fmax<F’），螺栓的軸向力不發生任何變化；圖（9），正反兩方向軸向力作用點間距縮小時，實際被連接件的剛度c2’會增大，螺栓實際剛度c1’會減小，螺栓的軸向負載變化會減小。圖（7）和圖（8）是兩種極限狀態，在實際應用中，通常類似圖（9）情況，只是偏向程度不同而已。設計時，由于力的作用點難以確定，設計都按照圖（7）狀態進行，這是偏安全的，但務必要了解結構設計帶來的這種傾向，圖（10）表示了不同結構，不同的傾向程度。


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不同結構對剛度匹配的影響：
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3.2鉸制孔連接的螺栓剪切強度計算
鉸制孔螺栓連接，需要進行抗剪強度計算和抗擠壓強度驗算。
（1）抗剪強度計算

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（2）抗擠壓強度計算


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  1.  4. 承受拉力狀態 螺釘連接設計計算實例

一般情況，螺紋連接可按靜態強度設計，對于承受振動、交變載荷、熱負荷場合場合的螺紋連接必須進行疲勞設計，工程應用中相對復雜，應用最多的也是這種狀態——（Fmax>0，F’min>0）狀態，舉例詳細說明設計計算過程，供參考。


例：有油缸直徑200（mm），系統最高工作壓力12（MPa），無桿腔端蓋用螺釘連接，如何設計這個端蓋的螺紋連接。（缸壁厚度、端蓋厚度經過分析計算已經初步確定）


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解：按照表（6）步驟進行。
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  1.  5.   關于剛度的計算

  2.  5.1 螺栓剛度計算


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5.2 被連接件剛度計算
被連接件剛度c2計算公式【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項設計計算工作，以螺釘+平板連接為例，進行說明，其他連接種類，參考可參考本例進行推導計算。


根據受力分析和強度計算后，得到E1、E2、ce和d，可通過以下方法計算連接長度L，連接結構如圖（11）



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


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  圖（12）鋼質螺釘+鋼質平板連接厚度L分布圖


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


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例2：用鋼質螺釘+平板鋁合金材料，E1=206000（MPa），E2=69000（MPa），根據受力分析得d=16（mm），t=2（mm），ce=0.6，結構同圖（11）.使用matlab計算得 L≈12（mm）


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從圖中可以看出，連接厚度L<40范圍內，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際作用的交變負荷偏大，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連接厚度計算介紹，實際應用中，必須綜合考慮，純理論推導僅供參考。


     6. 關于材料的持久極限


σ-1是材料對稱彎曲疲勞持久極限，其數據可通過實驗獲得，或手冊中查得。以下公式供參考。


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  1.  7.  結束語

螺紋連接設計要考慮的問題，除了強度設計和參數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、消除應力集中等方面都需要在設計階段有充分的考慮，所以，設計過程中要抓主要矛盾，不同的應用場景，側重面會有所不同，而且機械產品設計是一個迭代改進的過程，設計計算只是第一步，重要的場合，用實驗數據進行支撐是必要的。



參考文獻：
【1】徐灝《機械設計手冊》機械工業出版社  1991年9月
【2】許鎮宇邱宣懷 《機械零件設計》 高等教育出版社 1981年7月