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背 景 螺栓-螺母连接是通过施加扭矩使螺母相对于螺栓发生转动，利用螺纹升角的影响对被连接件进行压缩，同时螺纹自身伸长产生预紧力。 预紧力会使被连接间形成夹紧力，该夹紧力乘以零件间的摩擦系数，同时考虑连接的螺栓数以及面数，就能得到零件的抗滑移的能力。 通过计算或者测量获得接头满足工作载荷所需要的夹紧力,然后通过拧紧工艺让螺栓提供的预紧力大于这个夹紧力,是螺栓连接的核心本质。  本文讲述紧固接头的类别、接头设计所需要的载荷分析和计算公式、以及这些分析和计算有关的参数，获得准确的工作载荷和螺栓载荷，是紧固接头设计的基础和关键。 01 工作载荷的计算 1) 工作载荷是连接设计的输入，直接影响到后续设计的质量。需要借助CAE进行分析，根据数模零件及材料的特性，将工作载荷分解到个连接点上。在一个连接中，工作载荷的力和矩往往是复合存在的，分析后影响较小的，可以忽略简化处理。 2）对于力分为轴向力和横向力，轴向力就是力的方向和螺栓的轴线一致。而横向力就是的方向垂直于轴向力的合力:  对于矩，分为螺栓轴向的矩和另外两个方向的矩，轴向的矩有让零件发生滑移的趋势，是不能忽略的。另外两个方向的矩会让零件有产生开口的趋势。  02 连接接头受力类别 1）防止张开所需的轴向力FV，在有轴向外力FA作用时，被联接件仍留有一定的压力FKR，  2）螺栓的轴向力FKQ通过配合面产生的静摩擦力，用以传递切向载荷FQ或扭矩MY，q为配合面数量，  3）对于U型结构，螺栓产生的夹紧力一部分用以克服支架变形，其余轴向力用以克服其他外力。  03 螺栓最小需求夹紧力 根据变形协调原理，连接螺栓所受的力包括外部工作载荷引起的部件弹性变形产生轴向工作载荷Fa，横向载荷所需要的夹紧力Fkq，被夹紧件剩余夹紧力  ， 连接界面的预载荷损失  ，螺栓变形提供的夹紧力要满足下列公式：   是拧紧系数。这个公式是VDI2230中给出的理论公式，实践中，因为是在常温的工作环境我们没有计算  ，计算Φ和Fz求被连接件的刚度，计算复杂，而且这两个值比较小，并且一正一负可以互相抵消一部分，对计算结果影响有限。 我们使用计算螺栓最小夹紧力 ： 04 通过拧紧力矩公式获得扭矩法提供的螺栓夹紧力 T—拧紧力矩； Fm—预紧力； d2—螺纹中径； dh—被联接件螺栓孔直径; dw—螺母或者螺栓法兰的支承直径； u—摩擦系数。 每个公司都要定义自己的摩擦系数范围。常用的有0.9-0.15,0.10-0.16或者0.12-0.18。 这个公式是螺栓扭矩法拧紧的计算基础。使用它，可以在力矩T或M, 预紧力Fm，摩擦系数u,已知其中两个的条件下，计算第三个变量。 形成摩擦副的材料决定u,当螺栓和紧固件的尺寸和材料被选定，预紧力只和拧紧力矩有关。摩擦系数u不容易获得，在实际应用中，一般取Umin和Umax计算两次。当被连接件和螺栓规格已经确定，使用Umin可以得到最大的预紧力Fmax, 用可以得到最大的预紧力Fmin。 最大预紧力Fmax不能大于螺栓最大许用力，最小预紧力Fmin不能小于最大的工作需求夹紧力。 05 螺栓许用载荷计算 为最大程度利用螺栓强度，可根据下式计算螺栓许用载荷, 螺栓许用力必须大于螺栓最大预加力Fmax， 如果不满足要求，要选择更大的螺栓公称直径。如果更大的公称直径不可能，则要采取其他措施，如选择更高的强度等级或其他装配方法、减少摩擦或外部加载、或其他设计变更。 螺纹应力截面积As按下式计算： As=(π/4)⨯[(d2+d3)/2 As—螺纹应力截面面积[] ν--螺栓屈服点应力利用系数，ν=0.9 Rp0.2min--螺栓最小屈服强度[Mpa]，参照ISO 898-1 d2 --螺纹基本中径[mm]，参照GB/T 196螺纹基本尺寸 d3 --螺纹小径[mm]，d3= d1-H/6，参看GB/T197 d1 --螺纹基本小径[mm]，参照GB/T 196螺纹基本尺寸 H --原始三角形高度，参照GB/T 192普通螺纹基本牙型 do--螺栓最小横截面直径[mm]，当螺栓杆径小于等于应力截面积直径时，=螺栓杆径；当螺栓杆径小于应力截面积直径时do=ds=(d2+d3)/2 P --螺距[mm] μG min --螺纹上的最小摩擦系数 使用扭矩转角法，就是为了最大限度利用螺栓强度，根据具体摩擦系数获得螺栓许用载荷尤为重要。 |
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