机械设计基础-5.8提高螺栓连接强度的措施

第八节 提高螺栓连接强度的措施

分析影响螺栓连接强度的因素，从而提出提高联接强度的措施。这对于螺纹联接的设计也是很重要的。

螺纹联接的强度，主要取决于螺栓的强度。影响螺栓强度的因素很多，有材料、结构、尺寸、制造、工艺等。实际设计中，通常主要是以下几个方面考虑来提高联接的强度。

一、减小应力幅（可提高疲劳强度）

大家知道，影响疲劳强度的主要因素是变应力中的应力幅↑a σ，则越易产生疲劳破坏。↓a σ，则可以提高疲劳强度。由螺栓总拉力：F C C C F F m b b ++

=02 可以看出，当工作拉力F 变化时，只会引起（F C C C m

b b +）这一部分是变化的。此部分减小，就可以使↓a σ。显然：相对刚度m

b b C C C +越小，则可提高疲劳强度。由此可见：措施为； ① 减小b C （见教材上的图）

② 增大m C （见教材上的图） 这样可以使m

b b C C C +↓，从而使↓a σ。

但是由F C C C F F m

b b ++=02 可知，在F 0给定的条件下，减小螺栓的刚度C b 或增大被联接件刚度C m ，都将引起残余预紧力F 1减小，从而降低了联接的紧密性。因此，若在减小C b 或增大C m 的同时,适当增加预紧力F 0，就可以使F 1不致减小太多或保持不变。

减小螺栓的刚度的方法：

（1）适当增加螺栓的长度

（2）采用腰状杆螺栓和空心螺栓

（3）在螺母下面安装上弹性元件

腰状杆螺栓和空心螺栓在螺母下面安装上弹性元件

增大被联接件的刚度

（1）不用垫片或采用刚度较大的垫片

（2）采用刚度较大的金属垫片或密封环

软垫片密封密封环密封

二、改善螺纹牙之间的受力分布：

对于普通螺母如图示。工作中螺栓受拉，使螺距增大，而螺母受压，其螺距减小。导致螺栓、螺母产生了螺距差。这样，旋合的螺栓和螺母的各圈螺纹牙不能都保持良好的接触，那末各圈螺纹牙所分担的载荷就不相等。（如图所示）。理论分析和实践都表明：从螺母支撑面算起第一圈受载荷最大。以后各圈依次减小。第10圈后的各圈几乎不受力。［所以采用加厚螺母，增加旋合圈数，对提高连接强度并没有多少作用。］

改善措施：

①设计中，普通螺母圈数不要超过10。

②采用悬置螺母，环槽螺母，或内斜螺母（改变牙的刚度）。

前两者，工作中螺母受拉。与螺栓螺距差减小。

③采用钢丝螺套—－也可以减轻螺纹牙的受力不均，并可以减轻冲击、振动。

这些措施多可以提高螺栓的疲劳强度。

三、减小应力集中的影响

螺栓上的螺纹（特别是螺纹的收尾）、螺栓头和螺栓杆的过渡处以及螺栓横截面面积发生变化的部位等，都会产生应力集中。为了减小应力集中的程度，可以采用加大圆角和卸载结构,或将螺纹收尾改为退刀槽等。

为了避免螺纹联接产生附加弯曲应力，可以采取球面垫圈或用带有腰环的螺栓来保证螺栓的装配精度等措施来达到；同时规定螺母、螺栓头部和被联接件的支承面加工要求。但应注意的是，采用这些特殊结构会使制造成本增加。

以上方法可以保持螺母支撑面见有良好的接触。

四、适当增大预紧力

理论和实践证明，适当增大预紧力，可以提高螺栓的疲劳强度。因此，准确控制预紧力，并保持其不减退是很重要的。

五、制造工艺的影响。

采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺方法，可以显著提高螺栓的疲劳强度。这是因为除可降低应力集中外，冷镦和滚压工艺不切断材料纤维，金属流线的走向合理，而且有冷作硬化的效果，并使表层留有残余应力。

例如；采用輾制螺纹，滚压、氮化、喷丸处理等工艺手法，也都可以提高螺

栓的疲劳强度。

例：有一气缸盖与缸体凸缘采用普通螺栓连接，如图所示。已

知气缸中的压力p在0～2MPa之间变化，气缸内径D=500mm，

螺栓分布圆直径D0=650mm。为保证气密性要求，剩余预紧力

F1=1.8F，（F为螺栓的轴向工作载荷），螺栓间距t＜4.5d(d为螺

栓的大径）。螺栓材料的许用拉伸应力[б]=120MPa，许用应力幅

[б]a=20MPa。选用铜皮石棉垫片，螺栓相对刚度=0.8，试设计此

螺栓组连接。

解：分析

仅受轴向载荷作用的螺栓组连接。但是，螺栓所受载荷是

变化的，因此应先按静强度计算螺栓直径，然后校核其疲劳强度。此外，为保证连接的气密性，不仅要保证足够大的剩余预紧力，而且要选择适当的螺栓数目，保证螺栓间间距不致过大。

1、初选螺栓数目Z Z=24

2、计算螺栓的轴向工作载荷F

3、螺栓所受总拉力 F 2 = F 1 + F=2.8 F=45815N

4、计算螺栓直径

5、校核螺栓疲劳强度

6、校核螺栓间距

例：凸缘联轴器用8个普通螺栓联接（M16的螺栓，螺拴小径d1 =13.835mm)，已知螺栓分布圆的直径D0＝250mm ，接合面间的摩擦系数f ＝0.12。

考虑摩擦传力的可靠性系数Ks ＝1.2，螺栓的许用应力

[Ϭ]＝l60MP ，试计算该联轴器能传递的最大转矩Tmax

＝?

解：由螺栓危险截面的拉伸强度条件

该联轴器靠螺栓预紧后在按合面间产生的摩擦力来传递力矩，根据作用在联轴器上的力矩平衡

例（1）试比较哪种螺栓布置方案合理？

（2）按照螺栓布置合理方案，分别确定采用普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接时的螺栓直径。

N z

p D z F F 5.1636242

===∑π[]a m b b a MPa d F C C C σπσ<=⋅+=12.12221

mm d mm Z

D t 1355.41.850=<==π[]σπσ≤=210ca 4

3.1d F []σπ2102.5d F ≤T K fr F fr F fr F s z 0201

0≥+⋅⋅⋅++T K r zfF s ≥00S 0S 042fD T K D zf T K F =≥[]σπ2100S 2.54d F fD T K ≤≤s K d fD T 2.5][4210σπ≤N K d fD T s 23.18502.5][4210max ==σπ