螺栓组设计

§5-5 螺栓组联接的结构设计工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少。

因此，须研究螺栓组设计和受力分析，它是单个螺栓计算基础和前提条件。

螺栓组联接设计的顺序——选布局、定数目、力分析、设计尺寸。

结构设计原则1、布局要尽量对称分布，螺栓组中心与形心重合，使受力均匀图5－14 螺栓的对称布置2、受剪螺栓组（铰制孔螺栓联接）时，不要在外载作用方向布置8个以上，以免载荷分布过于不均。

弯、扭作用螺栓组，要适当靠近联接接合面边缘布局，避免受力太大。

图5－15 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置3、合理间距，适当边距，以利于扳手装拆。

对压力容器其间距t如下表5－1所示：表5－1 螺栓间距4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应取4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和划线。

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连接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线垂直。

在铸，锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座(5-16a)。

当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（图5-16b），特殊情况下，也可采用斜面垫圈或球面垫圈（图5-17）等。

图5－16 凸台与沉头座的应用图5－17 斜面垫圈与球面垫圈的应用防偏载措施：a）凸合；b）凹坑（鱼眼坑）；c）斜垫片；d）球形垫片8．5 螺栓组联接的结构设计与受力分析螺栓组联接的设计过程，一般是先根据联接用途和被联接件结构选定螺栓数目及布局形式，然后分析各螺栓的受力情况，求出受力最大的螺栓及其所受力的大小；最后对受力最大的螺栓进行强度计算，并确定螺栓联接的结构尺寸。

本节主要讨论如何合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓布局形式，使各螺栓和联接接合面间受力均匀且便于加工、装配(即螺栓组联接的结构设计)，并对螺栓组联接进行受力分析，为螺栓联接强度计算作好准备。

8．5．1 螺栓组联接的结构设计(1)联接接合面的几何形状应与机器的结构形状相适应，一般可设计成轴对称的简单几何形状，以便加工制造和对称布置螺栓(见机械设计手册)，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，保证联接接合面受力较均匀。

(2)螺栓的布局应使各螺栓受力合理。

对于承受弯矩或扭矩的螺栓组联接，根据力学原理，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(见机械设计手册)。

对于承受横向载荷的铰制孔用螺栓联接，在平行于工作载荷的方向上要避免成排布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；在垂直于工作载荷的方向上，也要尽量避免成排布置过密的螺栓，以免被联接件在这些部位强度被削弱过大而断裂(见机械设计手册)。

另外，对于同时承受轴向载荷和较大的横向载荷的场合，应采用专门的抗剪零件(如销、套筒、键等，见图8．11)来承受横向载荷，而螺栓联接主要用于承受轴向载荷，这样可以减小螺栓的预紧力，从而减小螺栓联接的结构尺寸。

(3)布局时，螺栓的排列应有合理的边距、间距。

这里，主要应考虑三点：其一，最靠近被联接件边缘的螺栓的轴线距被联接件边缘的距离e一般取值为，其中为螺栓大径。

其二，各螺栓轴线间及螺栓轴线与机体壁间的最小距离，应根据扳手活动所需空间的大小来决定(见机械设计手册)，有关尺寸可查阅有关标准。

其三，对压力容器等紧密性要求较高的重要联接，各螺栓的间距不得大于机械设计手册所推荐的数值。

(4)螺栓组联接设计中，应根据联接的实际工作条件，合理地选择螺栓组的防松装置。

(5)螺栓组联接设计中，还应考虑有关的工艺、装配等因素。

如为了便于在圆周上钻孔时分度和划线，分布在同一圆周上的螺栓数目应取成4、6、8、12等偶数；为了设计、装配方便，同一螺栓组中螺栓的材料、长度、直径应尽量相同等等。

(6)为了提高螺栓的强度，从结构上、工艺上应尽量避免螺栓承受偏心载荷。

导致螺栓承受偏心载荷的原因如图8．9所示。

常见的几种减小或避免螺栓联接承受偏心裁荷的结构措施如图8．9所示。

图8.9 螺纹联接结构工艺要求8．5．2 螺栓组的受力分析螺栓组受力分析的目的是求出联接中受力最大的螺栓及其受载值。

力分析时，为简化计算，常做如下假设：1)被联接件为刚体，受载后联接接合面仍保持为平面。

2)各螺栓的直径、长度、材料及所受预紧力均相同，受载后的应变在弹性范围内。

3)螺栓组对称中心与联接接合面形心重合。

下面介绍几种典型受载情况下的受力分析。

1．受横向载荷的螺栓组联接如图8．10的板件联接，其总横向载荷作用线垂直于螺栓轴线且通过螺栓组的对称中心，这时，各螺栓受力均等。

根据板件的平衡条件有(8-16)式中为螺栓数目；为受载最的螺栓分担的横向载荷；为第个螺栓所分担的横向载荷。

2．受轴向载荷的螺栓组联接图8．10为一受轴向总工作载荷作用的汽缸盖螺栓组联接。

的作用线平行于螺栓轴线且通过螺栓组的对称中心，因此，各螺栓分担的轴向工作载荷相等，即图8.10 受轴向载荷的螺栓组联接z=1、2、3… （8—17）式中 z为螺栓数；为受载最大的螺栓分担的轴向工作载荷；为第个螺栓所分担的轴向工作载荷。

以上典型的螺栓组联接受力分析，都是在一定假设条件和载荷通过螺栓组对称中心的前提下根据静力平衡条件求出来的。

实际工作中，应首先用静力分析的方法把实际受力状态简化(分解)成上述四种简单受力状态，然后用上述受力分析方法分别求出各种简单状态下螺栓的受力情况，再进一步叠加，求出受力最大的螺栓及其分担的工作载荷及来。

（二）螺栓组连接的受力分析进行螺栓组连接受力分析的目的是，根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。

为了简化计算，在分析螺栓组连接的受力时，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连接接合面的形心重合；受载后连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。

1．受横向载荷的螺栓组连接图5-16所示为一由4个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接。

横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对称中心。

当采用螺栓杆与孑L壁间留有间隙的普通螺栓连接时(图5-16a)，靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷；当采用铰制孔用螺栓连接时（图5-16b），靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷。

虽然两者的传力方式不同，但计算时可近似地认为，在横向总载荷F。

的作用下，各螺栓所承担的工作载荷是均等的。

因此，对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受的横向工作剪力为F=F∑/z 式中z为螺栓数目。

对于普通螺栓连接，应保证连接预紧后，接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。

2．受转矩的螺栓组连接如图5-17所示，转矩丁作用在连接接合面内，在转矩r的作用下，底板将绕通过螺栓组对称中心D并与接合面相垂直的轴线转动。

为了防止底板转动，可以采用普通螺栓连接，也可采用铰制孔用螺栓连接。

其传力方式和受横向载荷的螺栓组连接相同。

采用普通螺栓时，靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T(图5-17a)。

假设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为Fo，则各螺栓连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，各摩擦力应与该螺栓的轴线到螺栓组对称中心D的连线（即力臂r；）相垂直。

采用铰制孔用螺栓时，在转矩r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该螺栓轴线到螺栓组对称中心D的连线（即力臂r；）相垂直（图5 -17b）。

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该螺栓轴线到螺栓组对称中心0的距离成正比。

即距螺栓组对称中心D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。

图5 -17c所示的凸缘联轴器，是承受转矩的螺栓组连接的典型部件。

各螺栓的受力根据r1=r2=…=rz的关系以及螺栓连接的类型，分别代入式(5-10)或式(5-13)即可求得。

3．受轴向载荷的螺栓组连接图5 -18为一受轴向总载荷F∑的气缸盖螺栓组连接。

F∑的作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心。

计算时，认为各螺栓平均受载，则每个螺栓所受的轴向工作载荷为F=F∑/z应当指出的是，各螺栓除承受轴向工作载荷F外，还受有预紧力Fo的作用。

各螺栓在工作时所受的总拉力，并不等于F与Fo之和，详细分析见§5-6。

4．受倾覆力矩的螺栓组连接图5-19a为一受倾覆力矩的底板螺栓组连接。

倾覆力矩肘作用在通过x-x轴并垂直于连接接合面的对称平面内。

底板承受倾覆力矩前，由于螺栓已拧紧，螺栓受预紧力F。

，有均匀的伸长；地基在各螺栓的Fo作用下，有均匀的压缩，如图5-19b所示。

当底板受到倾覆力矩作用后，它绕轴线O-O倾转一个角度，假定仍保持为平面。

此时，在轴线O-O左侧，地基被放松，螺栓被进一步拉伸；在右侧，螺栓被放松，地基被进一步压缩。

底板的受力情况如图5-19c所示。

上述过程，可用单个螺栓一地基的受力变形图来表示，见图5-20。

为简便起见，地基与底板的互相作用力以作用在各螺栓中心的集中力代表。

如图所示，斜线ObA表示螺栓的受力变形线，斜线D。

A表示地基的受力变形线。

在倾覆力矩M作用以前，螺栓和地基的工作点都处于A点。

底板上受到的合力为零。

当底板上受到外加的倾覆力矩M 后（相当于图5-19c的情况），在倾转轴线o-o左侧，螺栓与地基的工作点分别移至曰，与C．点。

两者作用到底板上的合力的大小等于螺栓的工作载荷F，方向向下。

在O-O 右侧，螺栓与地基的工作点分别移至B：与C：点，两者作用到底板上的合力等于载荷F。

，其大小等于工作载荷F，但方向向上（注意右侧螺栓的工作载荷为零）。

作用在O-O两侧底板上的两个总合力，对O-O形成一个力矩，这个力矩应与外加的倾覆力矩M平衡。

这里σp=zF0/A代表地基接合面在受载前由于预紧力而产生的挤压应力；A为接合面的有效面积；[σp]为地基接合面的许用挤压应力；△σmax代表由于加载而在地基接合面上产生的附加挤压应力的最大值。

对于刚性大的地基，螺栓刚度相对来说比较小，可用下式近似计算△σmax≈M/W注：1）σS为材料屈服极限，单位为MPa，tTB为材料强度极限，单位为MPa；2)当连接接合面的材料不同时，应按强度较弱者选取；3)连接承受静载荷时，[口。

]应取表中较大值；承受变载荷时，则应取较小值。

在实际使用中，螺栓组连接所受的工作载荷常常是以上4种简单受力状态的不同组合。

但不论受力状态如何复杂，都可利用静力分析方法将复杂的受力状态简化成上述4种简单受力状态。

因此，只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后将它们按向量相加，便得到每个螺栓的总的工作载荷。