王蒙寬 李夢(mèng)奇 梁睿 李斌

摘?要：一個(gè)完整的機(jī)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(jī)系統(tǒng)不再連續(xù)，各零部件之間形成了若干個(gè)結(jié)合面，結(jié)合面的特性對(duì)整機(jī)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(jī)械產(chǎn)品或者數(shù)控機(jī)床等一系列機(jī)械裝備中的各種零部件都是按照一定具體要求裝配時(shí)，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?yàn)楦髁悴考难b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(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)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(yùn)動(dòng)結(jié)合面。在機(jī)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(duì)結(jié)合面的變形進(jìn)行深入的了解和分析，就應(yīng)該針對(duì)結(jié)合面的變形機(jī)理進(jìn)行有目的性的分析。

1 結(jié)合面特性影響因素

機(jī)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(wèn)題的研究更加復(fù)雜化。結(jié)合面特性指的是兩個(gè)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(wú)油，但是在實(shí)際中螺栓結(jié)合面中是沒(méi)有介質(zhì)的;（5）結(jié)合面的初始法向和切向面壓，對(duì)螺栓結(jié)合面來(lái)說(shuō)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(dòng)態(tài)力;（12）激振頻率;（13）結(jié)合面溫度場(chǎng)的影響;（14）結(jié)合面的相對(duì)振動(dòng)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(dāng)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(wèn)題中最常見(jiàn)的便捷的連接方式就是用螺栓來(lái)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(gè)預(yù)緊力矩的力，然后再在有限元仿真計(jì)算時(shí)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(wú)潤(rùn)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(lái)，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(guò)大，也不能過(guò)小，過(guò)大導(dǎo)致材料的損壞，過(guò)小則會(huì)使螺栓沒(méi)擰緊，會(huì)使兩連接件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，達(dá)不到連接的作用。所以，適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力和預(yù)緊力矩是保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(gè)零部件中的其中一個(gè)加以約束處理，繼而能得出另外一個(gè)零部件相對(duì)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(biāo)系。然后再把外部載荷全轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)原點(diǎn)上來(lái)，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(diǎn)的接觸點(diǎn)坐標(biāo)，零件a上的坐標(biāo)系是∑a，那么b上的坐標(biāo)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(biāo)系重合，bP=aP=x1

當(dāng)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(diǎn)都可能會(huì)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(yǔ)

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(rèn)為相對(duì)較多也比較成熟，也為后續(xù)研究工作做了準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]周喜峰.數(shù)控機(jī)床結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].南京理工大學(xué)，2012.

[3]戈豐來(lái)，徐慶坤.力矩扳手的力矩計(jì)算[J].機(jī)械制造，2002（4）：54-55.

基金項(xiàng)目：邵陽(yáng)學(xué)院研究生項(xiàng)目（CX2019SY025）

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