螺栓组设计与受力分析

    螺栓组联接的设计步骤：

1）螺栓组结构设计

2）螺栓受力分析

3）确定螺栓直径

4）校核螺栓组联接接合面的工作能力

5）校核螺栓所需的预紧力是否合适

    确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。

1. 螺栓组联接的结构设计

    螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题：

1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。

2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。

           接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置

3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于下表所推荐的数值。

           扳手空间尺寸

    螺栓间距t0

    注：表中d为螺纹公称直径。

4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。

5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。

图1 凸台与沉头座的应用      图2 斜面垫圈的应用

2. 螺栓组联接的受力分析
1)．受横向载荷的螺栓组联接
2)．受转矩的螺栓组联接
3). 受轴向载荷的螺栓组联接
4)．受倾覆力矩的螺栓组联接

    进行螺栓组联接受力分析的目的是，根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。

    为了简化计算，在分析螺栓组联接的受力时，假设所有螺栓的材料，直径，长度和预紧力均相同；螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；受载后联接接合面仍保持为平面。下面针对几种典型的受载情况，分别加以讨论。

1)．受横向载荷的螺栓组联接                                                

    图所示为一由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对称中心。当采用螺栓杆与孔壁间留有间隙的普通螺栓联接时（图a）。靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷；当采用铰制孔用螺栓联接时（图b），靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷。虽然两者的传力方式不同，但计算时可近似地认为，在横向总载荷F∑的作用下，各螺栓所承担的工作载荷是均等的。因此，对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受的横向工作剪力为

 

    式中z为螺栓联接数目。

   对于普通螺栓联接，应保证联接预紧后，接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。

    假设各螺栓所需要的预紧力均为Qp，螺栓数目为z，则其平衡条件为

     或      

图:受横向载荷的螺栓组联接

    式中：

f——接合面间的摩擦系数，见下表；

i——接合面数（图中，i=2）；

Ks——防滑系数，Ks=1.1～1.3。

由式（5-24）求得预紧力Qp，然后按式（5-14）校核螺栓的强度。

    联接接合面间的摩擦系数

被联接件	接合面的表面状态	摩擦系数f
钢或铸铁零件	干燥的加工表面	0．10-0.16
	有油的加工表面	0．06-0．10
钢结构	轧制表面，钢丝刷清理浮锈	0．30-0．35
	涂富锌漆	0．35-0．40
	喷砂处理	0．45-0．55
钢铁对砖料，混凝土或木材	干燥表面	0．40-0．45

2)．受转矩的螺栓组联接                                                

    如下图所示，转矩T作用在联接接合面内，在转拒T的作用下，底板将绕通过螺栓组对称中心O并与接合面相垂直的轴线转动。为了防止底板转动，可以采用普通螺栓联接，也可以采用铰制孔用螺栓联接。其传力方式和受横向载荷的螺栓组联接相同。

图：  受转矩的螺栓组联接

    采用普通螺栓时，靠联接领紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。假设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为Qp，则各螺栓联接处产生的摩擦力均相等，并假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处。为阻止接合面发生相对转动，各摩擦力应与各该螺栓的轴线到

    由上式可得各螺栓所需的预紧力为

     

    式中：f——接合面的摩擦系数，见表；

    ri——第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离；

    z ——螺栓数目；

   Ks ——防滑系数，同前。

    由上式求得预紧力Qp，然后校核螺栓的强度。

    采用铰制孔用螺栓时，在转矩T的作用下，各螺栓受到剪切和挤压作用，各螺栓所受的横向工作剪力和各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的连线（即力臂r。）相垂直（图b）。为了求得各螺栓的工作剪力的大小，计算时假定底板为刚体，受载后接合面仍保持为平面。则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距离成正比。即距螺栓组对称中心O越远，螺栓的剪切变形量越大。如果各螺栓的剪切刚度相同，则螺栓的剪切变形量越大时，其所受的工作剪力也越大。如图b所示，用ri、rmax分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离；Fi、Fmax。分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，则得

      

    根据作用在底板上的力矩平衡的条件得

即   .     

    联解，可求得受力最大的螺栓的工作剪力为

       

    图所示的凸缘联轴器，是承受转矩的螺栓组联接的典型部件。各螺栓的受力根据

r1＝r2＝…＝rz的关系以及螺栓联接的类型，分别代人即可求得。

3).受轴向载荷的螺栓组联接                                                       

    下图为一受轴向总载荷FS的汽缸盖螺栓组联接。FS的作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心O。计算时，认为各螺栓平均受载，则每个螺栓所受的轴向工作载荷为

图：受轴向载荷的螺栓组联接

4)．受倾覆力矩的螺栓组联接                                       

      下图a为一受倾覆力矩的底板螺栓组联接。倾覆力矩M作用在通过x－x轴并垂直于联接接合面的对称平面内。底板承受倾覆力矩前，由于螺栓已拧紧，螺栓受预紧力Qp，有均匀的伸长；地基在各螺栓的Qp作用下．有均匀的压缩，如图b所示。当底板受到倾覆力矩作用后，它绕轴线O—O倾转一个角度，假定仍保持为平面。此时，在轴线O－O左侧，地基被放松，螺栓被进一步拉伸，在右侧，螺栓被放松，地基被进一步压缩。底板的受力情况如图c所示。

图:受倾覆力矩的螺栓组联接

    联接接合面材料的许用挤压应力[σ]p,可查下表。

表:联接接合面材料的许用挤压应力[σ]p

注：

l）σs为材料屈服权限，MPa; σB为材料强度极限,MPa。

2）当联接接合面的材料不同时，应按强度较弱者选取。

3）联接承受载荷时，[σ]p应取表中较大值；承受变载荷时，则应取较小值

    计算受倾覆力矩的螺栓组的强度时，首先由预紧力Qp、最大工作载荷Fmax确定受力最大的螺栓的总拉力Q,得

         

    然后进行强度计算。

确定螺栓直径                                       

     首先选择螺栓材料，确定其性能等级，查出其材料的屈服极限，并查出安全系数，计算出螺栓材料的许用应力[σ]= σs/S。

   根据以下公式计算螺纹小径d1：

         

   最后按螺纹标准，选用螺纹公称直径。

螺纹联接件的材料

    适合制造螺纹联接件的材料品种很多，常用材料有低碳钢Q215、10号钢和中碳钢Q235、35、45号钢。对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹联接件，可采用低合金钢、合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnsi等。对于特殊用途（如防锈蚀、防磁、导电或耐高温等）的螺纹联接件，可采用特种钢或铜合金、铝合金等。

表：螺栓的性能等级（摘自 GB 3098.1-82）

注:规定性能等级的螺栓、螺母在图纸中只标出性能等级，不应标出材料牌号。

表:螺母的性能等级（摘自GB 3098.2-82）

4.校核螺栓组联接接合面的工作能力，是根据实际情况，对螺栓进行强度校核。

 

5.校核螺栓所需的预紧力。采用公式为：

碳素钢螺栓
合金钢螺栓

式中：

ss——螺栓材料的屈服极限；

A1——螺栓危险截面的面积。

松螺纹联接强度计算

    拉伸强度条件为：

式中：F--螺栓工作载荷，N；

      d1--螺栓危险截面的直径，mm；

      [σ]--螺栓材料的许用拉应力，MPa.

紧螺栓联接强度计算
1）仅承受预紧力的紧螺栓联接

拉伸强度条件为：

式中：Qp—螺栓所受预紧力，N 。

      其余符号意义同前。   

2）承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接
①拉伸强度条件为：

式中：Q—螺栓总拉力，N 。

      其余符号意义同前。

  螺栓总拉力的计算：

  Q=Qp+[Cb/(Cb+Cm)]·F

  式中：Cb/(Cb+Cm)称为螺栓的相对刚度，一般设计时，可按下表推荐的数据选取。

螺栓的相对刚度Cb/(Cb+Cm)

被联接钢板间所用垫片类别	Cb/(Cb+Cm)
金属垫片（或无垫片）	0．2～0.3
皮革垫片	0．7
铜皮石棉垫片	0．8
橡胶垫片	0．9

②疲劳强度计算

对于受轴向变载荷的重要联接，应对螺栓的疲劳强度作精确校核，计算其最大应力计算安全系数：

   式中：

s-1tc  ——螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限，MPa ， s-1tc 值见表
——试件的材料特性，即循环应力中平均应力的折算系数，对于碳素钢，
        =0.1—0.2，对于合金钢，  =0.2—0.3； 
——拉压疲劳强度综合影响系数，如忽略加工方法的影响，则Kσ=kσ/eσ，Kσ此处为有效应力集中系数，见表 eσ 为尺寸系数，见附表；