螺栓组联接的设计.docx
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螺栓组联接的设计
螺栓组联接的设计
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 回首部
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
（5-23）
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
（5-24）
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 回首部
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
【5－25】
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，然后按式（5－14）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
【5－26】
根据作用在底板上的力矩平衡的条件得
即
. 【5－27】
联解式（5－26）及（5－27），可求得受力最大的螺栓的工作剪力为
【5－28】
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，分别代人式（5－25）或（5－28）即可求得。
3）.受轴向载荷的螺栓组联接 回首部
下图为一受轴向总载荷F∑的汽缸盖螺栓组联接。
F∑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 回首部
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,由式（5－18）得
【5－38】
然后接式（5－19）进行强度计算。
确定螺栓直径 回首部
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GB3098.1-82）
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GB3098.2-82）
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：
σs——螺栓材料的屈服极限；
A1——螺栓危险截面的面积。
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