螺栓受到转矩时螺栓组联接设计

摘要：机械产品的结构设计中，除了具体零件的结构设计外，还会有大量的标准件的选用，比如螺栓的选用，本文主要是就机械产品中当被连接件承仅受扭矩作用时，如何合理的设计螺栓组的结构而进行的研究.

关键词：材料力学；机械设计；螺栓；公称直径；扭矩；应力；摩擦系数；防滑系数；预紧力.

设计步骤：

1.螺栓组结的构设计

2.螺栓的受力分析

3.确定螺栓直径

1 螺栓组联接的结构设计

螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题：

1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。

2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。

3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于下表所推荐的数值。

注：表中d为螺纹公称直径。

4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。

5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。

2 螺栓组联接的受力分析

进行螺栓组联接受力分析的目的是，根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。

为了简化计算，在分析螺栓组联接的受力时，假设所有螺栓的材料，直径，长度和预紧力均相同；螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；受载后联接接合面仍保持为平面。下面针对几种典型的受载情况，分别加以讨论。

受转矩的螺栓组联接如下图所示，转矩T作用在联接接合面内，在转拒T的作用下，底板将绕通过螺栓组对称中心O并与接合面相垂直的轴线转动。为了防止底板转动，可以采用普通螺栓联接，也可以采用铰制孔用螺栓联接。其传力方式和受横向载荷的螺栓组联接相同。

采用普通螺栓时，靠联接领紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。假设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为Qp，则各螺栓联接处产生的摩擦力均相等，并假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处。为阻止接合面发生相对转动，各摩擦力应与各该螺栓的轴线到

由上式可得各螺栓所需的预紧力为

式中：f——接合面的摩擦系数，见表；

ri——第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离；

z ——螺栓数目；

Ks ——防滑系数，同前。

由上式求得预紧力Qp，然后按式（5-14）校核螺栓的强度。

采用铰制孔用螺栓时，在转矩T的作用下，各螺栓受到剪切和挤压作用，各螺栓所受的横向工作剪力和各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的连线（即力臂r。）相垂直（图b）。为了求得各螺栓的工作剪力的大小，计算时假定底板为刚体，受载后接合面仍保持为平面。则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距离成正比。即距螺栓组对称中心O越远，螺栓的剪切变形量越大。如果各螺栓的剪切刚度相同，则螺栓的剪切变形量越大时，其所受的工作剪力也越大。如图b所示，用ri、rmax分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离；Fi、Fmax。分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，则得

如图所示的凸缘联轴器，是承受转矩的螺栓组联接的典型部件。各螺栓的受力根据 r1=r2=…=rz的关系以及螺栓联接的类型，分别代人式即可求得。

3 确定螺栓直径

首先选择螺栓材料，确定其性能等级，查出其材料的屈服极限，并查出安全系数，计算出螺栓材料的许用应力[σ]= σs/S。

根据以下公式计算螺纹小径

最后按螺纹標准，选用螺纹公称直径。螺纹联接件的材料适合制造螺纹联接件的材料品种很多，常用材料有低碳钢Q215、10号钢和中碳钢Q235、35、45号钢。对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹联接件，可采用低合金钢、合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnsi等。对于特殊用途（如防锈蚀、防磁、导电或耐高温等）的螺纹联接件，可采用特种钢或铜合金、铝合金等。

由以上三个步骤可以基本确定螺栓组连接的设计，而后还需确定螺栓组预紧力的值并对该设计连接进行强度校核计算而最终确定并完善螺栓组的结构设计。

参考文献：

[1]邱家骏，工程力学.2012-07

[2]邵刚，机械设计基础.2009-02

作者介绍：

崔永广（1987-），男，河南科技学院高职学院电子系，教员，研究方向：机械制造与自动化