螺栓結合面的特性影響研究

王蒙寬 李夢奇 梁睿 李斌

摘?要：一個完整的機械產品一般都是由各種零部件組裝聯接得到的，其中的螺栓聯接是應用最廣泛的一種聯接方式，正是由于聯接的存在，使得整機系統不再連續，各零部件之間形成了若干個結合面，結合面的特性對整機系統的性能有著重要的影響。

關鍵詞：螺栓結合面;結合面的特性;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

機械產品或者數控機床等一系列機械裝備中的各種零部件都是按照一定具體要求裝配時，各零部件之間形成的互相接觸的表面稱為“結合面”或“接觸面”。又因為各零部件的裝配方式不一樣，所以在裝配體中就存在了許多不同類型的結合面。從運動學角度來看，結合面又可以分為三類：固定結合面、半固定結合面和運動結合面。在機械裝備中固定結合面又是最為普遍和典型的一種結合面，它在裝配體中分布最為廣泛。而要想對結合面的變形進行深入的了解和分析，就應該針對結合面的變形機理進行有目的性的分析。

1 結合面特性影響因素

機械結合面變形的影響因素眾多并且大部分又為非線性關系，而構成結合面的組件又各種各樣，并且在結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，導致了結合面變形的問題的研究更加復雜化。結合面特性指的是兩個彼此接觸的零部件之間的表面層區域，結合面特性的主要的影響因素主要有[1]：

（1）結合面的加工方法，比如車、銑、刨、磨、鉆等;（2）結合面的加工材料，比如ΗΤ250、45#鋼材等;（3）結合面的表面完整度，像粗糙度、平面度、波紋度等[2];（4）結合面之間的介質，即結合面之間相互接觸的表層區域有油或者無油，但是在實際中螺栓結合面中是沒有介質的;（5）結合面的初始法向和切向面壓，對螺栓結合面來說為螺栓預緊力的大小;（6）結合面的結構形狀;（7）結合面的結構、類型、尺寸大小;（8）結合面的靜工作面壓;（9）結合面壓分布狀態;（10）結合面的功能;（11）結合面間的動態力;（12）激振頻率;（13）結合面溫度場的影響;（14）結合面的相對振動幅值與相位。

從以上可以看出，影響結合面特性的因素有很多，在這些因素當中，有的影響因素和結構相關，有的影響因素又和工況相關，又有的兩方面因素都考慮。為了方便研究，學者們通常將影響因素看作以下三類：①與結構相關的因素;②與工況相關的因素;③與結合面固有特性相關的因素。

2 螺栓結合面的連接特性

在工程問題中最常見的便捷的連接方式就是用螺栓來連接，用螺栓連接就少不了螺栓預緊力。螺栓預緊力使結合面產生了壓應力，所以微凸體產生了法向與切向載荷。我們首先要給螺栓施加一個預緊力矩的力，然后再在有限元仿真計算時給螺栓的力都為沿著螺栓軸向方向的預緊力。如圖2所示，螺栓結合面受力示意圖。螺栓的預緊力矩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，如關系式（1）所示[3]：

螺母和被連接件之間的摩擦力矩，如關系式（2）所示：

（2）式中，μ是螺母的摩擦系數（無潤滑，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是螺栓預緊力;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）聯立起來，可得螺栓預緊力和預緊力矩得關系式：

螺栓結合面的面壓和預緊力的關系式如（6）所示：

（6）式中，Pn是結合面的面壓;S是結合面的面積大小。

結合面的面壓也是和接觸剛度有關聯的，所以預緊力越大它的接觸壓力就越大，接觸剛度也就越大。但螺栓預緊力不能過大，也不能過小，過大導致材料的損壞，過小則會使螺栓沒擰緊，會使兩連接件產生運動，達不到連接的作用。所以，適當的預緊力和預緊力矩是保證結構的強度、抗疲勞還有剛度的關鍵因素。

3 螺栓結合面的接觸變形解析

螺栓結合面的變形能用零部件自身的角位移及線位移可體現。因而把相接觸的兩個零部件中的其中一個加以約束處理，繼而能得出另外一個零部件相對位移。

如圖3所示，假定Ⅱ零部件約束，在螺栓結合面處建立直角坐標系。然后再把外部載荷全轉換到坐標原點上來，可獲得主矢及主力矩F。

（7）式中，F1、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。

螺栓固定結合面上的接觸變形矩陣λ：

如圖4所示，假設Ax1，x2，x3是螺栓結合面上任意一點的接觸點坐標，零件a上的坐標系是∑a，那么b上的坐標系則為∑b。

螺栓結合面變形前，零件a和零件b是處于相鄰接觸狀態，坐標系重合，bP=aP=x1

當外部載荷只需在零件a上發生作用，螺栓固定結合面上點都可能會產生形變。4圖中，A′是A發生變形之后的位置，形變量為λ，它的形變分量是λ1，λ2，λ3。

大于零是處于預緊狀態，小于零則是間隙狀態。

4 結語

綜上所述，結合面的特性參數研究較多，到現在可以認為相對較多也比較成熟，也為后續研究工作做了準備。

參考文獻：

[1]黃玉美，等.機床結構設計效果預斷中結合條件的處理方法.機床，1990（6）：8-12.

[2]周喜峰.數控機床結合面動態特性參數數據庫管理設計與開發[D].南京理工大學，2012.

[3]戈豐來，徐慶坤.力矩扳手的力矩計算[J].機械制造，2002（4）：54-55.

基金項目：邵陽學院研究生項目（CX2019SY025）

作者簡介：王蒙寬（1987—?），男，湖南衡陽人，碩士研究生，研究生在讀，研究方向：專用設備制造。