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        螺栓受到轉(zhuǎn)矩時(shí)螺栓組聯(lián)接設(shè)計(jì)

        2017-03-02 19:59:45崔永廣
        科學(xué)與財(cái)富 2016年21期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        摘要:機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,除了具體零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外,還會(huì)有大量的標(biāo)準(zhǔn)件的選用,比如螺栓的選用,本文主要是就機(jī)械產(chǎn)品中當(dāng)被連接件承僅受扭矩作用時(shí),如何合理的設(shè)計(jì)螺栓組的結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的研究.

        關(guān)鍵詞:材料力學(xué);機(jī)械設(shè)計(jì);螺栓;公稱(chēng)直徑;扭矩;應(yīng)力;摩擦系數(shù);防滑系數(shù);預(yù)緊力.

        設(shè)計(jì)步驟:

        1.螺栓組結(jié)的構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.螺栓的受力分析

        3.確定螺栓直徑

        1 螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的,在于合理地確定聯(lián)接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式,力求各螺栓和聯(lián)接接合面間受力均勻,便于加工和裝配。為此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以下幾方面的問(wèn)題:

        1)聯(lián)接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱(chēng)的簡(jiǎn)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(duì)稱(chēng)布置螺栓,使螺栓組的對(duì)稱(chēng)中心和聯(lián)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(yīng)使各螺栓的受力合理。當(dāng)螺栓聯(lián)接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩時(shí),應(yīng)使螺栓的位置適當(dāng)靠近聯(lián)接接合面的邊緣,以減小螺栓的受力(下圖)。如果同時(shí)承受軸向載荷和較大的橫向載荷時(shí),應(yīng)采用銷(xiāo),套筒,鍵等抗剪零件來(lái)承受橫向載荷,以減小螺栓的預(yù)緊力及其結(jié)構(gòu)尺寸。

        3)螺栓排列應(yīng)有合理的間距,邊距。布置螺栓時(shí),各螺栓軸線(xiàn)間以及螺栓軸線(xiàn)和機(jī)體壁間的最小距離,應(yīng)根據(jù)扳手所需活動(dòng)空間的大小來(lái)決定。扳手空間的尺寸(下圖)可查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于壓力容器等緊密性要求較高的重要聯(lián)接,螺栓的間距t0不得大于下表所推薦的數(shù)值。

        注:表中d為螺紋公稱(chēng)直徑。

        4)分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目,應(yīng)取成4,6,8等偶數(shù),以便在圓周上鉆孔時(shí)的分度和畫(huà)線(xiàn)。同一螺栓組中螺栓的材料,直徑和長(zhǎng)度均應(yīng)相同。

        5)避免螺栓承受附加的彎曲載荷。除了要在結(jié)構(gòu)上設(shè)法保證載荷不偏心外,還應(yīng)在工藝上保證被聯(lián)接件,螺母和螺栓頭部的支承面平整,并與螺栓軸線(xiàn)相垂直。對(duì)于在鑄,鍛件等的粗糙表面上應(yīng)安裝螺栓時(shí),應(yīng)制成凸臺(tái)或沉頭座(下圖1)。當(dāng)支承面為傾斜表面時(shí),應(yīng)采用斜面墊圈(下圖2)等。

        2 螺栓組聯(lián)接的受力分析

        進(jìn)行螺栓組聯(lián)接受力分析的目的是,根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)和受載情況,求出受力最大的螺栓及其所受的力,以便進(jìn)行螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算。

        為了簡(jiǎn)化計(jì)算,在分析螺栓組聯(lián)接的受力時(shí),假設(shè)所有螺栓的材料,直徑,長(zhǎng)度和預(yù)緊力均相同;螺栓組的對(duì)稱(chēng)中心與聯(lián)接接合面的形心重合;受載后聯(lián)接接合面仍保持為平面。下面針對(duì)幾種典型的受載情況,分別加以討論。

        受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接如下圖所示,轉(zhuǎn)矩T作用在聯(lián)接接合面內(nèi),在轉(zhuǎn)拒T的作用下,底板將繞通過(guò)螺栓組對(duì)稱(chēng)中心O并與接合面相垂直的軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止底板轉(zhuǎn)動(dòng),可以采用普通螺栓聯(lián)接,也可以采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接。其傳力方式和受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接相同。

        采用普通螺栓時(shí),靠聯(lián)接領(lǐng)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來(lái)抵抗轉(zhuǎn)矩T。假設(shè)各螺栓的預(yù)緊程度相同,即各螺栓的預(yù)緊力均為Qp,則各螺栓聯(lián)接處產(chǎn)生的摩擦力均相等,并假設(shè)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),各摩擦力應(yīng)與各該螺栓的軸線(xiàn)到

        由上式可得各螺栓所需的預(yù)緊力為

        式中:f——接合面的摩擦系數(shù),見(jiàn)表;

        ri——第i個(gè)螺栓的軸線(xiàn)到螺栓組對(duì)稱(chēng)中心O的距離;

        z ——螺栓數(shù)目;

        Ks ——防滑系數(shù),同前。

        由上式求得預(yù)緊力Qp,然后按式(5-14)校核螺栓的強(qiáng)度。

        采用鉸制孔用螺栓時(shí),在轉(zhuǎn)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(xiàn)到螺栓組對(duì)稱(chēng)中心O的連線(xiàn)(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(jì)算時(shí)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(xiàn)到螺栓組對(duì)稱(chēng)中心O的距離成正比。即距螺栓組對(duì)稱(chēng)中心O越遠(yuǎn),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(shí),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(gè)螺栓和受力最大螺栓的軸線(xiàn)到螺栓組對(duì)稱(chēng)中心O的距離;Fi、Fmax。分別表示第i個(gè)螺栓和受力最大螺栓的工作剪力,則得

        如圖所示的凸緣聯(lián)軸器,是承受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接的典型部件。各螺栓的受力根據(jù) r1=r2=…=rz的關(guān)系以及螺栓聯(lián)接的類(lèi)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(jí),查出其材料的屈服極限,并查出安全系數(shù),計(jì)算出螺栓材料的許用應(yīng)力[σ]= σs/S。

        根據(jù)以下公式計(jì)算螺紋小徑

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

        由以上三個(gè)步驟可以基本確定螺栓組連接的設(shè)計(jì),而后還需確定螺栓組預(yù)緊力的值并對(duì)該設(shè)計(jì)連接進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算而最終確定并完善螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]邱家駿,工程力學(xué).2012-07

        [2]邵剛,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).2009-02

        作者介紹:

        崔永廣(1987-),男,河南科技學(xué)院高職學(xué)院電子系,教員,研究方向:機(jī)械制造與自動(dòng)化

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