摘要：機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了具體零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計外，還會有大量的標(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，如何合理的設(shè)計螺栓組的結(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；螺栓；公稱直徑；扭矩；應(yīng)力；摩擦系數(shù)；防滑系數(shù)；預(yù)緊力.

設(shè)計步驟：

1.螺栓組結(jié)的構(gòu)設(shè)計

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

螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的，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)計時應(yīng)綜合考慮以下幾方面的問題：

1）聯(lián)接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀，如圓形，環(huán)形，矩形，框形，三角形等。這樣不但便于加工制造，而且便于對稱布置螺栓，使螺栓組的對稱中心和聯(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，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）。如果同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷時，應(yīng)采用銷，套筒，鍵等抗剪零件來承受橫向載荷，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，各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機(jī)體壁間的最小距離，應(yīng)根據(jù)扳手所需活動空間的大小來決定。扳手空間的尺寸（下圖）可查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對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的分度和畫線。同一螺栓組中螺栓的材料，直徑和長度均應(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，并與螺栓軸線相垂直。對于在鑄，鍛件等的粗糙表面上應(yīng)安裝螺栓時，應(yīng)制成凸臺或沉頭座（下圖1）。當(dāng)支承面為傾斜表面時，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)度計算。

為了簡化計算，在分析螺栓組聯(lián)接的受力時，假設(shè)所有螺栓的材料，直徑，長度和預(yù)緊力均相同；螺栓組的對稱中心與聯(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，底板將繞通過螺栓組對稱中心O并與接合面相垂直的軸線轉(zhuǎn)動。為了防止底板轉(zhuǎn)動，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，靠聯(lián)接領(lǐng)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(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)生相對轉(zhuǎn)動，各摩擦力應(yīng)與各該螺栓的軸線到

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)，見表；

ri——第i個螺栓的軸線到螺栓組對稱中心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，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到螺栓組對稱中心O的連線（即力臂r。）相垂直（圖b）。為了求得各螺栓的工作剪力的大小，計算時假定底板為剛體，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到螺栓組對稱中心O的距離成正比。即距螺栓組對稱中心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，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個螺栓和受力最大螺栓的軸線到螺栓組對稱中心O的距離；Fi、Fmax。分別表示第i個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，查出其材料的屈服極限，并查出安全系數(shù)，計算出螺栓材料的許用應(yīng)力[σ]= σs/S。

根據(jù)以下公式計算螺紋小徑

最后按螺紋標(biāo)準(zhǔn)，選用螺紋公稱直徑。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號鋼和中碳鋼Q235、35、45號鋼。對于承受沖擊、振動或變載荷的螺紋聯(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。

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

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)械制造與自動化