8.1.4 螺纹联接的预紧与防松
1)螺纹联接的预紧
大多螺纹联接在装配时需要拧紧,使联接在承受工作载荷之前,各联接件已预先受到了用力,此即预紧。 这个预加的作用力,称为预紧力。 预紧的目的是增强联接的刚性、紧密性及防松能力。 预紧力的大小根据链接工作的需要而确定。
装配时,预紧力的大小是通过拧紧力矩来控制的。 如图8.9 所示,在拧紧螺母时,拧紧力矩T 需要克服螺纹副的阻力矩T1 和螺母环形支承面上摩擦力矩T2,即T =T1 +T2。 对M10—M68 的粗牙普通钢制螺栓,拧紧时采用标准扳手。 在无润滑的情况下,可导出拧紧力矩的近似计算式为
图8.9 拧紧力矩
式中 F0——预紧力,N;
d——螺栓直径,mm。
对重要的螺栓联接,在装配时预紧力的大小要严格控制。 生产中,常用扭力扳手(见图8.10)来控制拧紧力矩,从而控制预紧力。 此外,还有通过测量拧紧螺母后螺栓的伸量等方法来控制预紧力。
图8.10 控制拧紧力矩的扳手
2)螺纹联接的防松
联接螺纹一般都具有自锁性,即螺纹联接不会自行松脱。 但是,在冲击、振动及变载荷作用或温度变化较大时,螺母支承面上的摩擦力可能减小或瞬时消失而失去自锁能力,经多次重复后,会使联接松动。 因此,在机器的设计中必须考虑螺纹的防松问题。
防松的方法按其工作原理,可将其分为摩擦防松、机械防松和不可拆卸防松三大类。
(1)摩擦防松
摩擦防松是使螺纹副之间总有正压力存在,当螺母有松动趋势时,产生一定的摩擦力矩来阻止反向转动。 这种正压力可通过螺纹副沿轴向或横向压紧而产生,如图8.11 所示。
图8.11 摩擦防松
①弹簧垫圈
弹簧垫圈是一个具有斜切口而两端上下错开的环形垫圈,经热处理后具有弹性,当拧紧螺母后,垫圈被压平,此时垫圈产生弹性反力,使螺纹之间总保持一定的摩擦阻力,从而防止螺母松动。 垫圈的斜口尖角也可阻止螺母松动。
②双螺母
当两螺母对顶拧紧后,旋合段内螺栓受拉而螺母受压,这一压力几乎不受外力的影响,从而使螺旋副保持一定的摩擦力,以防止螺纹联接松动。 此种方法多用于低速、载荷平稳的联接。
③自锁螺母
螺母一端制成非圆形收口,当螺母拧紧后,非圆形收口箍紧螺栓,但旋合螺纹之间横向压紧。
(2)机械防松
机械防松是利用附加机械装置,约束螺母与螺栓之间的相对转动,因而防松可靠,应用很广,适用于高速、冲击、振动的场合,如开口销、止动垫片、带翅垫片、串联钢丝等,如图8.12所示。
①开口销与槽形螺母
开口销穿过螺母上的槽和螺栓的孔后,将尾端掰开,以实现防松。
②止动垫片防松
将垫片的边缘翻起,分别紧贴在螺母与被联接零件的侧面(或插入被联接零件的槽中),以实现防松。
③带翅垫片与圆螺母
将带翅垫片的内翅嵌入螺栓(或轴)的槽内,拧紧螺母后将垫片外翅之一折嵌于螺母对应槽内,以实现防松。
(3)不可拆卸防松
螺母拧紧后,利用冲头在螺栓末端与螺母的旋合缝处打点,或把螺栓末端伸出部分铆死,或用点焊、金属胶接等方法,将螺旋副变为不可拆联接,如图8.13 所示。 这种方法防松可靠,但仅适用于装配后不再拆卸的特殊联接场合。
图8.12 机械防松
图8.13 不可拆卸防松
3)单个螺栓联接的强度计算
螺栓联接的主要失效形式有螺栓杆断裂、螺纹牙压溃或剪断以及因经常拆卸使螺纹牙之间相互磨损而发生滑扣。 据螺栓失效统计分析,普通螺栓在轴向变载荷作用下,其失效形式多为螺杆部分的疲劳断裂。 因此,普通螺栓联接的设计准则是保证螺栓有足够的拉伸强度。 配合螺栓主要承受横向剪力,其可能的失效形式是螺栓杆被剪断、螺纹牙被压溃。 其设计准则是保证联接有足够的挤压强度和螺栓的剪切强度。 因此,螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1,再根据d1 查标准选定螺纹的大径(公称直径)d 及螺距P。(https://www.daowen.com)
(1)松螺栓联接
在装配螺栓联接时,螺母无须拧紧,故在工作载荷未作用以前,联接件并不受力,这种联接称为松螺栓联接。 松螺栓联接一般只承受轴向拉力。
如图8.14 所示为起重滑轮联接螺栓。 装配时不拧紧,无负载时,螺栓不受力,工作时受轴向拉力F 的作用。
螺栓的抗拉强度条件为
式中 F——轴向拉力,N;
d1——螺纹的小径,mm;
[σ]——联接螺栓的许用拉应力,MPa。
设计公式为
图8.14 起重滑轮的松螺栓联接
如给出外载荷F 值,即可由式(8.3)求出螺纹小径d1,再从机械设计手册中查出公称直径d 以及螺母、垫圈等尺寸。
(2)受横向外载荷的紧螺栓联接
在未受工作载荷前,螺栓及被联接件之间就受到预紧力的作用,这种螺栓联接称为紧螺栓联接。
如图8.15(a)所示为普通螺钉联接,被联接件承受垂直于轴线的横向载荷F。 因螺栓杆与螺栓孔之间有间隙,故螺栓不承受横向载荷F,而是预先拧紧螺栓,使被联接零件表面间产
图8.15 受横向外载荷的紧螺栓联接
1,2—被联接件;3—螺杆受挤压面;4—螺杆受剪面
生压力F,从而使被联接件接合面间产生摩擦力来承受横向载荷。 根据力的平衡条件,有
或
式中 F——横向载荷;
F′——每个螺栓的预紧力;
F——被联接零件表面的摩擦因数,见表8.1;
z——联接螺栓的个数;
m——接合面数;
K——过载系数,通常取K=1.2。
如给定值F,则可由式(8.4)求出预紧力F′。 F′对被联接零件是压力,而对螺栓则是拉力。 因此,在螺栓的危险截面上产生拉应力σ,其值为
在螺栓的危险截面上,不仅有由F′引起的拉伸应力σ,还受到在预紧螺栓时由螺纹力矩T产生的扭转切应力τ 的联合作用。 对常用的M10—M68 的普通钢制螺栓,由计算可得τ≈0.5σ。按第四强度理论,当量应力σe为
表8.1 联接接合面间的摩擦因数fS
由此可知,紧螺栓联接在预紧时虽同时承受拉伸与扭转的复合作用,但在计算时,可只按拉伸强度来计算,不过要将所受的拉力增大30%来考虑扭转切应力的影响。 因此,螺栓螺纹部分的强度条件为
设计公式为
