螺栓預(yù)緊力校核方法研究

容家坤 莫?jiǎng)側(cè)A 黃海路

【摘 要】文章主要是對(duì)螺栓的受力形式進(jìn)行理論研究，針對(duì)不同的螺栓連接形式，理論研究各個(gè)接觸面間的受力情況，分析發(fā)現(xiàn)不同的安裝面數(shù)、不同的安裝剛度所提供的螺栓摩擦力不同，提出一種新的螺栓校核和選型計(jì)算方法，并通過CAE仿真進(jìn)行分析驗(yàn)證。由分析結(jié)果可知，該設(shè)計(jì)方法更加貼合實(shí)際應(yīng)用，為螺栓扭緊力矩校核提供一種更加可靠的方法。

【關(guān)鍵詞】螺栓；摩擦力；扭矩校核

【中圖分類號(hào)】TH131.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）05-0079-03

0 前言

為了提高機(jī)器的制造、安裝、運(yùn)輸、維修水平及提高生產(chǎn)效率等，機(jī)器制造廣泛地應(yīng)用了各種連接。機(jī)械連接有兩大類：一類是機(jī)器工作時(shí)，被連接的零部件間可以有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接，稱為機(jī)械動(dòng)連接，例如各種運(yùn)動(dòng)副；另一類是在機(jī)器工作時(shí)，被連接的零部件間不允許產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接，稱為機(jī)械靜連接。而機(jī)械靜連接根據(jù)其工作原理的不同可以分為3類：形鎖合連接、摩擦鎖合連接及材料鎖合連接。

本文研究的螺栓連接就是摩擦鎖合連接方式，其工作原理是靠被連接件的壓緊，在接觸面間產(chǎn)生摩擦力阻止被連接件的相對(duì)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連接目的。

螺栓連接因具有裝配簡便、耐疲勞、可拆換、連接的整體性和剛度較好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用。螺栓連接在裝配時(shí)必須擰緊，預(yù)先受到力的作用。這個(gè)預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊力的作用是為了使連接件接合面間產(chǎn)生一定的摩擦力來抵抗橫向載荷。這就要求接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。因此，對(duì)于螺栓預(yù)緊力的選取就顯得尤為關(guān)鍵，預(yù)緊力打小了，產(chǎn)生的摩擦力不夠抵抗橫向載荷，連接件就會(huì)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，達(dá)不到預(yù)緊的目的，螺栓也會(huì)受剪；預(yù)緊力打過大，螺栓受到的預(yù)應(yīng)力就大，也會(huì)影響螺栓受力。

對(duì)于螺栓的受力分析已經(jīng)有很多書籍和文獻(xiàn)進(jìn)行過研究，基本都是按照各個(gè)摩擦面提供相同的摩擦力來粗略校核。實(shí)際上，由于螺栓各個(gè)連接件的剛度不一樣，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)受力變形并不均勻，因此各個(gè)摩擦面提供的摩擦力也不一樣。它們之間是由于什么樣的關(guān)系引起受力不均的，正是本文需要進(jìn)一步研究的。

1 螺栓的連接方式

常見的螺栓連接形式如圖1所示。圖1（a）中上、下連接件的厚度不同表示2個(gè)連接件的剛度不一樣；圖1（b）中上、下連接件的厚度一樣，表示2個(gè)連接件的剛度一樣；圖1（c）表示只有1個(gè)連接件。

2 螺栓連接的受力分析

我們知道一個(gè)力FN，對(duì)于任何一個(gè)摩擦面都可以提供最大的摩擦力fmax=μFN，但當(dāng)連接件的剛度不一樣時(shí)，各摩擦面就不會(huì)同一時(shí)間達(dá)到最大摩擦力。下面將分別對(duì)此進(jìn)行研究。

（1）當(dāng)連接件A與連接件B的剛度不一樣時(shí)[如圖1（a）所示]，即KA>KB時(shí)。

由于連接件A與連接件B的剛度不一樣，當(dāng)對(duì)連接件C施加載荷時(shí)，假設(shè)A、B的變形量為△S，必定會(huì)引起連接件A、B受到大小不一樣的反力。由于KA>KB，所以導(dǎo)致連接件A與連接件C間的接觸面先達(dá)到臨界摩擦力，即f1=fmax=μFN，而此時(shí)連接件B與連接件C間的摩擦力并未到達(dá)臨界摩擦力fmax，故該連接先會(huì)在連接件A與連接件C間的摩擦面產(chǎn)生滑移，連接件B與連接件C間的摩擦面產(chǎn)生的摩擦力為f2=kμFN，k是與2個(gè)連接面剛度KA與KB有關(guān)的剛度系數(shù)，此時(shí)0f=f1+f2=（1+k）μFN

（2）當(dāng)連接件A與連接件B的剛度一樣時(shí)[如圖1（b）所示]，即KA=KB時(shí)。

連接件A與連接件B的剛度一樣，當(dāng)對(duì)連接件C施加載荷時(shí)，連接件A、B受到大小一樣的反力。此時(shí)，螺栓連接臨界狀態(tài)下的摩擦力可用如下公式表示：

Fmax=f1+f2=2 μFy

（3）當(dāng)只有連接件A時(shí)[如圖1（c）所示]，即KB=0時(shí)。此時(shí)臨界狀態(tài)下的載荷Fmax表達(dá)式如下：

Fmax=f1=μFy

3 CAE仿真分析

（1）當(dāng)連接件A與連接件B的剛度不一樣時(shí)，即KA>KB時(shí)，仿真分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，當(dāng)摩擦面1達(dá)到了臨界摩擦力6 000 N產(chǎn)生滑移時(shí)，摩擦面2的摩擦力只有2 000 N，尚未達(dá)到臨界狀態(tài)，此時(shí)的合成摩擦力為8 000 N。相當(dāng)于1.33個(gè)摩擦面提供的摩擦力。摩擦面的摩擦力與連接件的剛度有著直接的關(guān)系，剛度越大，摩擦力貢獻(xiàn)就越大。

（2）當(dāng)連接件A與連接件B的剛度一樣時(shí)，即KA=KB，仿真分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，摩擦面1和摩擦面2同時(shí)達(dá)到了臨界摩擦力6 000 N產(chǎn)生滑移時(shí)，此時(shí)的合成摩擦力為12 000 N。2個(gè)摩擦面同時(shí)提供一樣的摩擦力。

（3）當(dāng)只有連接件A時(shí)，即KB=0時(shí)，仿真分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)摩擦面1達(dá)到了臨界摩擦力6 000 N產(chǎn)生滑移時(shí)，摩擦面2的摩擦力幾乎為0，此時(shí)的合成摩擦力為6 000 N。相當(dāng)于只有一個(gè)摩擦面提供的摩擦力。

4 實(shí)際案例計(jì)算

圖5是某副車架前安裝點(diǎn)的示意圖，方案一通過螺栓將墊片和副車架的襯套安裝在大梁上，襯套的支撐類似懸臂梁結(jié)構(gòu)。方案二增加了一種襯套加強(qiáng)支架結(jié)構(gòu)，形成類似簡支梁結(jié)構(gòu)。從剛度的角度來說，方案二的結(jié)構(gòu)要明顯優(yōu)于方案一，而這2種結(jié)構(gòu)對(duì)螺栓緊固的效果可以用CEA進(jìn)行分析。

圖6是方案一、方案二的CAE分析模型的示意圖，模型中截取了部分車身大梁作為襯套的上安裝面，選取襯套的安裝管柱作為被連接件，安裝面都做接觸處理，對(duì)螺栓施加60 000 N的預(yù)緊力，模擬螺栓對(duì)副車架襯套的夾緊，對(duì)襯套施加徑向位移，提取上、下安裝面的摩擦力。分析結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，襯套安裝加強(qiáng)支架前，基本由上安裝面提供摩擦力，只有當(dāng)上安裝面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，下安裝面才提供摩擦力。增加襯套安裝加強(qiáng)支架后，上、下安裝面都提供摩擦力，當(dāng)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，總摩擦力增長了48.47%，提高了螺栓的緊固效能。

5 結(jié)論

利用傳統(tǒng)的理論計(jì)算方法進(jìn)行螺栓連接件的預(yù)緊力選取，很難進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。本文介紹了一種更為貼近實(shí)際的螺栓預(yù)緊力校核方法，通過現(xiàn)代CAE仿真分析技術(shù)進(jìn)行計(jì)算更加科學(xué)合理，也提供一種更加可靠、更加實(shí)用的理論依據(jù)和指導(dǎo)方法。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]