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螺纹连接设计

浏览次数：464 发布时间：2023-11-19
1. 螺纹种类及几何特性  邯郸市永年区佑工紧固件销售有限公司 商业合作热线：18330064396


1.1螺纹类型
螺纹种类繁多，收集汇总如图（1），普通螺纹标准（GB196—81）是公制圆柱三角形螺纹，其牙形角为60°，因其当量摩擦系数大，主要应用于连接，其牙形图见图（2），以下将以此公制三角形螺纹作为对象展开讨论。


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1.2 外螺纹几何参数


普通外螺纹尺寸参数见图（3），牙形参数见图（2），其尺寸参数之间的关系表述如下：

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  1.  1.3 螺纹物理特性


螺纹当量摩擦系数 fv：
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上式中：t—螺距（mm），n—螺纹头数（=1），f—螺纹端部摩擦系数，β—接触边牙形半角，d—螺纹大径（mm），Mz—扳手扭矩（N.mm），R—端部接触外半径（mm），r—端部接触内半径（mm），f0—螺纹部摩擦系数，F'—螺栓预紧力（N）,As—螺纹有效面积，dc—螺纹计算直径。kt—拧紧力矩系数（取0.1~0.3），具体见表（1）。
表（1）拧紧力矩系数kt选择：【1】


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2.  螺纹连接受力分析


螺纹连接受力分析的目的：找出连接中受力最大的螺栓及其轴向外载荷Fmax及所需最小预紧力F’min。


螺栓连接受力分析的三个假设：1）被连接件为刚体、2）各螺栓拉伸和剪切刚度及预紧力相等、3）螺栓应变在弹性范围内。


2.1受纯轴向力Q的螺栓组连接
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2.2受横向力R的螺栓组连接


1）靠摩擦力连接
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2）铰制孔螺栓连接
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2.3受旋转扭矩T的螺栓组连接
1）靠摩擦力连接
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2）铰制孔连接
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2.4 受翻转扭矩M的螺栓组连接
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     2.5受复合载荷作用
当受复合载荷作用时，根据以上介绍的计算方法分别计算每个螺栓的外加载荷，并分别进行矢量叠加，求出最大Fmax，再根据外载荷大小求出最小预紧力F’min。对于受拉力状态下的螺栓最小预紧力F’min计算，见下述。


  1.  3.  螺纹连接的强度计算


螺纹连接强度计算的任务：计算确定螺栓直径d，计算确定静态预紧力F’及预紧力矩Mz，动负荷作用下要考虑合理的刚度匹配ce、c1、c2计算，即连接长度L计算。


研究螺纹连接强度和可靠性问题，都是针对单个螺栓进行的，所以要计算单个螺栓最大外加载荷Fmax、最小预紧力F’min，这是螺栓连接设计主要依据。


3.1受轴向载荷的螺栓强度计算
3.1.1 只受轴向载荷、无预紧力（Fmax>0，F’min=0）的螺栓强度计算
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3.1.2 只有预紧力（Fmax=0，F’min>0）的螺栓强度计算
此种情况下，螺栓拉扭组合变形，根据第四强度理论：
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3.1.3受轴向载荷、有预紧力（Fmax>0，F’min>0）的螺栓强度计算
此种受力状态下，螺栓不仅受轴向外力，还受扭矩和预紧力，实际的最小预紧力F’min需要通过计算确定。见图（5）螺栓连接变形协调关系。
（1）螺栓静态预紧力F’
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(2) 强度计算（Fmax>0，F’min>0）
受轴向载荷、有预紧力（Fmax>0，F’min>0）的螺栓强度计算，需要同时满足静强度条件和疲劳强度条件。
*静强度计算（Fmax>0，F’min>0）：
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*疲劳强度计算（Fmax>0，F’min>0）：
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表（6）承受拉力状态螺钉连接设计流程：
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（3）螺栓连接的刚度匹配与疲劳强度关系
提高螺栓疲劳强度的两个方向，降低应力幅和提高材料性能。通过合理刚度匹配，可降低螺栓应力幅：
表（5）相对刚度Ce一旦确定，刚度匹配就完成，它与螺栓疲劳强度和连接的可靠性直接相关，见图（5），变载荷Fmax作用下，螺栓实际的载荷波动ΔF：


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上式表明，螺栓的相对刚度Ce越小，ΔF就越小。所以为了提高螺栓的疲劳强度（降低应力幅），尽量降低螺栓刚度和提高被连接件刚度。
抗疲劳结构设计注意点，参考图（6），说明以下几个设计观点：
增加螺栓柔性的措施：


  1.   a) 强度允许的条件下，部分减小螺栓杆直径或中空等措施；
  2.   b) 在螺母下安装弹性元件(刚度需要匹配计算)
  3.   c) 注意:力作用点以外的材料计入螺栓刚度，力作用点以内材料计入被连接件的刚度。
  4.   增加被连接件刚度措施：
  5.   a) 如果需要中间垫片，应采用高刚性中间垫片。
  6.   b) 增加预紧力，使应力达到（0.7~0.8）σs


材料与制造工艺：
a) 高强度钢虽然对应力集中比较敏感，但可以承受更大的拧紧力，可以制造更柔性的螺栓，利大于弊；
b) 对于辗制螺纹，由于表面存在压应力，其疲劳强度较车制螺纹高30~40%，热处理后滚压螺纹，其效果更佳。
c）螺栓表面喷丸处理，以增加表面压应力。 
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（4）螺栓轴向力作用点位置对Ce的影响：
设计时要注意的一个问题，螺栓轴向力作用点的不同，会对螺栓和被连接件的实际刚度产生影响。图（7），轴向力作用点在螺栓和被连接件的结合面处时，螺栓刚度c1和被连接件刚度c2互不影响；图（8），正反两方向轴向力作用点间距为0时，c2’刚度为无穷大，此时当螺栓轴向负载小于螺栓预紧力时（Fmax<F’），螺栓的轴向力不发生任何变化；图（9），正反两方向轴向力作用点间距缩小时，实际被连接件的刚度c2’会增大，螺栓实际刚度c1’会减小，螺栓的轴向负载变化会减小。图（7）和图（8）是两种极限状态，在实际应用中，通常类似图（9）情况，只是偏向程度不同而已。设计时，由于力的作用点难以确定，设计都按照图（7）状态进行，这是偏安全的，但务必要了解结构设计带来的这种倾向，图（10）表示了不同结构，不同的倾向程度。


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不同结构对刚度匹配的影响：
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3.2铰制孔连接的螺栓剪切强度计算
铰制孔螺栓连接，需要进行抗剪强度计算和抗挤压强度验算。
（1）抗剪强度计算

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（2）抗挤压强度计算


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  1.  4. 承受拉力状态 螺钉连接设计计算实例

一般情况，螺纹连接可按静态强度设计，对于承受振动、交变载荷、热负荷场合场合的螺纹连接必须进行疲劳设计，工程应用中相对复杂，应用最多的也是这种状态——（Fmax>0，F’min>0）状态，举例详细说明设计计算过程，供参考。


例：有油缸直径200（mm），系统最高工作压力12（MPa），无杆腔端盖用螺钉连接，如何设计这个端盖的螺纹连接。（缸壁厚度、端盖厚度经过分析计算已经初步确定）


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解：按照表（6）步骤进行。
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  1.  5.   关于刚度的计算

  2.  5.1 螺栓刚度计算


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5.2 被连接件刚度计算
被连接件刚度c2计算公式【1】：
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5.3 已知E1、E2、ce、d、t，估算连接长度L
表（6）的第10项设计计算工作，以螺钉+平板连接为例，进行说明，其他连接种类，参考可参考本例进行推导计算。


根据受力分析和强度计算后，得到E1、E2、ce和d，可通过以下方法计算连接长度L，连接结构如图（11）



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具体看一下函数f(L)图形，当d=16(mm),t=2(mm),E1=E2=206000(MPa),钢制螺钉+钢质平板连接时，函数f(L)图形见图（12）。从图中可看出，L=0~94范围内，随着连接厚度L的增加，螺栓的相对刚度ce也是增加的，当要减小螺钉相对刚度ce时，减小连接厚度L，而不是增加L（表明在此范围内，连接厚度L对平板刚度的影响更敏感）。


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  图（12）钢质螺钉+钢质平板连接厚度L分布图


例1：钢质螺钉+钢质平板连接，根据受力计算得到d=16(mm)，t=2(mm), ce=0.25,E2=E1=206000(MPa),使用matlab计算得L≈8（mm）。


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例2：用钢质螺钉+平板铝合金材料，E1=206000（MPa），E2=69000（MPa），根据受力分析得d=16（mm），t=2（mm），ce=0.6，结构同图（11）.使用matlab计算得 L≈12（mm）


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从图中可以看出，连接厚度L<40范围内，螺钉相对刚度ce越大，连接厚度L也越大，说明L的变化对于被连接平板的刚度影响更敏感。对于铝合金等硬度不高的材料而言，螺钉和被连接件的刚度匹配更显得重要，否则，容易造成这种情况，如果螺钉相对刚度过大造成实际作用的交变负荷偏大，对连接表面不断冲击而压溃表面造成连接松动，螺钉直径的选择必须合适才行。

以上2例仅作为L连接厚度计算介绍，实际应用中，必须综合考虑，纯理论推导仅供参考。


     6. 关于材料的持久极限


σ-1是材料对称弯曲疲劳持久极限，其数据可通过实验获得，或手册中查得。以下公式供参考。


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  1.  7.  结束语

螺纹连接设计要考虑的问题，除了强度设计和参数匹配并提出装配要求外，牵涉的面还很广，如材料合理选择、防腐措施、防松措施、消除应力集中等方面都需要在设计阶段有充分的考虑，所以，设计过程中要抓主要矛盾，不同的应用场景，侧重面会有所不同，而且机械产品设计是一个迭代改进的过程，设计计算只是第一步，重要的场合，用实验数据进行支撑是必要的。



参考文献：
【1】徐灏《机械设计手册》机械工业出版社  1991年9月
【2】许镇宇邱宣怀 《机械零件设计》 高等教育出版社 1981年7月   



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