分析钳载荷和关节应力的螺栓接头|2017-04-10 |装配杂志

螺栓联合发展中的许多重要考虑因素往往被忽视。虽然估计针对给定的紧缩策略所实现的螺栓张力肯定是一个共同的焦点，但是载荷对关节部件上的效果不太完全讨论和理解。

螺纹紧固件如此广泛使用的一个原因是它们可以在很小的区域内产生巨大的夹紧负荷。夹紧载荷是中心，因为它是连接部件在不相互移动的情况下保持在一起的机制——这可以说是结构连接的首要要求。然而，在一个小区域上施加大的负荷会产生高水平的压力，这反过来会导致问题。例如，一个1 / 2 - 20级8级螺栓可以提供近20,000磅的夹具负载。一个标准的六角头轴承在一个标准的9/16英寸的间隙孔意味着所有的负载将作用在一个只有一角硬币一半大小的区域。由此产生的应力超过了大多数材料的屈服强度。一个类比就是高跟鞋对木地板的影响。

本文将研究螺栓张力对载荷分布在头部或螺母下方的两个相对区域的影响以及配合线。例如，图1示出了汽车差动外壳的有限元分析（FEA）。通常情况下，最高应力在螺纹孔上起作用。

在螺栓头和螺母下面

除了确定螺栓张力和所得夹紧载荷的情况下，超过螺栓头或螺母下方材料的压缩屈服强度是来自推荐设计实践的最常见的偏差。螺栓拧紧的最常见目标是达到螺栓的75％的螺栓的证明负荷。使用½-13 Hex-Head盖螺钉用于说明，图2总结了在配合材料上的螺栓张力产生的压力，假设标准的9/16英寸间隙孔。然后，将该压力与普通钢夹具构件的估计压缩屈服强度进行比较，具有一定的硬度。

注意，很少指定压缩屈服强度，但抗拉屈服强度是某些材料的常见估计，例如钢，虽然不是其他材料（特别是所有类型的铸铁）。为了显示尺寸变化相对较小的尺寸变化可能对区域产生很大影响，对凸缘头螺钉进行相同的计算。不包括使用扁平垫圈，因为计算取决于垫圈，夹紧构件和紧固件的相对硬度，以及垫圈的内部和外径。

从图2中取出的是，只要8级紧固件没有比罗克韦尔C级更软的材料，那么六角形紧固件下的面积就足够了。不幸的是，实际压力非常不均匀，接触面积通常小于由于不平坦的表面而预测。因此，最大实际压力远高于理论平均值。

图3显示了压敏膜的扫描图像，该压敏膜直接放置在六角帽螺钉的头部下方，以及六角帽螺钉和平垫圈的组合下方。标准垫圈的厚度不足以在其直径上均匀地分配负载。注意，相同尺寸的淬硬垫圈的作用是相同的。当然，使用平垫圈是有原因的，而不是为了分散螺栓载荷，例如提供恒定的摩擦系数，对抗不同的夹具材料和抛光，消除磨损或粘滑，并保护底层抛光的完整性。

虽然法兰头比标准平垫圈更硬，但必须考虑不同的变量。接触面不是完全平坦的，而是有点圆锥形。这就产生了一种不同类型的压力梯度，这种压力梯度更难以预测。

这在图4中示出，显示了法兰螺母和螺钉的压敏膜研究的照片。当客户测试发现具有凸面的法兰头螺钉时，对½英寸和M12法兰硬件进行了此述评（在间隙孔的边缘接触）。在图3的底部图像中示出了示例。除了增加表面积之外，增加紧固件的接触直径增加了摩擦阻力对施加的扭矩。这减少了针对给定扭矩产生的螺栓张力。在这种情况下，用于六角形紧固件的法兰头的张力减小约为12％。

图5通过展示两个圆柱体(直径2.25英寸，长2英寸)被一个½-13英寸的螺丝和螺母夹住的压力分布，扩展了这个不均匀夹紧负载的例子。即使在这个厚度下，峰值压力仍然比用螺栓张力除以接合面接触面积的预测值高出40%。

该讨论旨在暗示应始终避免避免压缩产量（通常称为嵌入）。在许多情况下，防止嵌入所需的夹紧载荷的减少将比高应力区域的产量引起的可靠性更加有害。我只是暗示这是通过初步计算和随后的测试来更加关注的一个区域。

需要特别注意的一些情况包括:

具有定期维修的重要嵌入的关节。随后的螺栓安装可能具有大大减少和不均匀的接触区域，导致由于螺栓弯曲和夹紧负载损失引起的疲劳失效的电位增加。

将高轴向载荷和螺栓的接头具有小的长度直径比率。在压缩产量迫在眉睫的关节中，额外的螺栓载荷可能足够大，以产生比在紧固后立即由于立即发生的局部产量而定期发生的裂缝负载损失。

接头的工作温度明显不同于拧紧时的温度，特别是那些夹紧的构件的热膨胀率也不同于螺栓的温度。一个常见的例子是铝铸件发动机螺栓。在工作温度下，铝铸件的更大的膨胀可能会导致通过预埋、螺栓屈服或螺纹屈服而导致夹具负载损失。

线区域

在配合螺纹内分配螺栓张力的基本问题与头或螺母面相同:大负荷必须分散在小面积上。有两个因素使线程区域潜在地更成问题。首先，内螺纹有时作为单独的标准元件(螺母)提供，有时由制造商的设计(攻丝孔)提供。

其次，螺纹中的力不正常作用于配合表面，如在头部和螺母表面之下。三角形螺纹的形式导致了压缩和扩大内部螺纹的力量。这种效果可以在图6中看到，这是一个典型螺母和配合螺纹应力的有限元屏幕截图。与轴承表面下的载荷一样，沿螺纹长度的载荷是不均匀的。研究表明，第一个啮合的螺纹吸收约三分之一的螺栓张力。剩余的张力被剩余的线程吸收得越来越少，直到所有的负载被第六个线程有效地吸收。

这应该提出一个问题，为什么一些螺纹孔具有超过六个线程。因为孔的材料溅射的材料通常比配合螺钉的强度较少，所以该材料可以在螺杆之前屈服。看着图6，可以想象如果甚至小心地压碎的最高压力螺纹的表面，则负载将转移到螺纹线上，导致各个螺纹应力的部分水平。这就是额外的线程如何订婚。

在较小程度上，这种效果出现在标准螺母与配合螺钉适当匹配。螺母被规定具有略低的屈服强度，匹配的螺丝利用了这一效果。值得注意的是，这并不意味着螺母是较弱的两个元素，因为它的高度是建立的，所以有足够的螺纹区域，螺栓将断裂之前，螺母螺纹遭受明显的损害。

螺母的宽度或直径也在其负载能力中发挥作用。图6示出了螺母螺纹螺纹，当配合螺纹相对于彼此径向滑动时，螺母螺纹。线路接合的这种降低，因此负载能力是螺母构件在径向方向上的刚度的函数。标准螺母平面上的宽度约为标称螺纹直径的1.5％至1.6倍。这实际上是强度和尺寸之间的折衷，因为消除扩张需要近2比1的比率。在需要时，螺母可在较大的宽度和长度上使用。

可以在特殊螺母中看到更多的孤立，但相关的效果，例如在航空航天中使用的螺母。这些螺母具有厚的凸缘，以最小化扩张，但它们在凸缘上方有薄壁以节省重量。这通常导致螺母体在螺栓产率之前轴向压缩。

在螺栓接头的螺纹端上最常见的设计挑战在使用螺纹孔时确定所需的线啮合。与螺母一样，目的是确保失效模式在发生过度的情况下是通过螺栓裂缝而不是线条带。这种模式是优选的，因为它更明显（剥离螺纹不会产生松散的螺栓），并且修复通常更便宜且更可靠。

图7总结了一些常见螺母构件材料相对于公称紧固件直径的估计螺纹啮合。极限剪切强度——估计所需螺纹啮合所需的材料特性——通常只适用于普通材料。然而，它通常被估计为一个百分比的极限抗拉强度。虽然图7是基于单个螺纹尺寸的计算，但除了小端(小于1 / 4英寸或M6)外，整个紧固件直径范围内的长径比仍保持在5%左右。