螺栓结合面的特性影响研究

王蒙宽 李梦奇 梁睿 李斌

摘 要：一个完整的机械产品一般都是由各种零部件组装联接得到的，其中的螺栓联接是应用最广泛的一种联接方式，正是由于联接的存在，使得整机系统不再连续，各零部件之间形成了若干个结合面，结合面的特性对整机系统的性能有着重要的影响。

关键词：螺栓结合面;结合面的特性;理论研究

Abstract：a complete mechanical products are generally made of a variety of parts and components assembly connection，the bolt connection is the most widely used way of a connection，it is because of the existence of the connection，make the whole system is no longer continuous，each parts formed between a number of joint surface，combined with the characteristics have important effects on the performance of the whole system.

Key words：bolt joint surface;Characteristics of the joint surface;The theoretical study

机械产品或者数控机床等一系列机械装备中的各种零部件都是按照一定具体要求装配时，各零部件之间形成的互相接触的表面称为“结合面”或“接触面”。又因为各零部件的装配方式不一样，所以在装配体中就存在了许多不同类型的结合面。从运动学角度来看，结合面又可以分为三类：固定结合面、半固定结合面和运动结合面。在机械装备中固定结合面又是最为普遍和典型的一种结合面，它在装配体中分布最为广泛。而要想对结合面的变形进行深入的了解和分析，就应该针对结合面的变形机理进行有目的性的分析。

1 结合面特性影响因素

机械结合面变形的影响因素众多并且大部分又为非线性关系，而构成结合面的组件又各种各样，并且在结合面的作工状况又不一样，而采取的多元化条件与工况，它们之间互相交叉的影响，导致了结合面变形的问题的研究更加复杂化。结合面特性指的是两个彼此接触的零部件之间的表面层区域，结合面特性的主要的影响因素主要有[1]：

（1）结合面的加工方法，比如车、铣、刨、磨、钻等;（2）结合面的加工材料，比如ΗΤ250、45#钢材等;（3）结合面的表面完整度，像粗糙度、平面度、波纹度等[2];（4）结合面之间的介质，即结合面之间相互接触的表层区域有油或者无油，但是在实际中螺栓结合面中是没有介质的;（5）结合面的初始法向和切向面压，对螺栓结合面来说为螺栓预紧力的大小;（6）结合面的结构形状;（7）结合面的结构、类型、尺寸大小;（8）结合面的静工作面压;（9）结合面压分布状态;（10）结合面的功能;（11）结合面间的动态力;（12）激振频率;（13）结合面温度场的影响;（14）结合面的相对振动幅值与相位。

从以上可以看出，影响结合面特性的因素有很多，在这些因素当中，有的影响因素和结构相关，有的影响因素又和工况相关，又有的两方面因素都考虑。为了方便研究，学者们通常将影响因素看作以下三类：①与结构相关的因素;②与工况相关的因素;③与结合面固有特性相关的因素。

2 螺栓结合面的连接特性

在工程问题中最常见的便捷的连接方式就是用螺栓来连接，用螺栓连接就少不了螺栓预紧力。螺栓预紧力使结合面产生了压应力，所以微凸体产生了法向与切向载荷。我们首先要给螺栓施加一个预紧力矩的力，然后再在有限元仿真计算时给螺栓的力都为沿着螺栓轴向方向的预紧力。如图2所示，螺栓结合面受力示意图。螺栓的预紧力矩T是由螺母和连接件之间的摩擦力矩T1及螺旋副之间的摩擦阻力矩T2组成，如关系式（1）所示[3]：

螺母和被连接件之间的摩擦力矩，如关系式（2）所示：

（2）式中，μ是螺母的摩擦系数（无润滑，μ≈0.1-0.2）;rv是螺母的摩擦半径。

（3）式中，D1是螺母外径，D1=1.5d，d0是螺栓孔直径，d0=1.1d。

（4）式中，F是螺栓预紧力;d1是螺纹中径，d1=0.9d（d是螺纹公称直径）;θ是螺纹升角;φv是螺纹摩擦角，并φv=arctan1.55μ。

把（1）、（2）、（3）、（4）联立起来，可得螺栓预紧力和预紧力矩得关系式：

螺栓结合面的面压和预紧力的关系式如（6）所示：

（6）式中，Pn是结合面的面压;S是结合面的面积大小。

结合面的面压也是和接触刚度有关联的，所以预紧力越大它的接触压力就越大，接触刚度也就越大。但螺栓预紧力不能过大，也不能过小，过大导致材料的损坏，过小则会使螺栓没拧紧，会使两连接件产生运动，达不到连接的作用。所以，适当的预紧力和预紧力矩是保证结构的强度、抗疲劳还有刚度的关键因素。

3 螺栓结合面的接触变形解析

螺栓结合面的变形能用零部件自身的角位移及线位移可体现。因而把相接触的两个零部件中的其中一个加以约束处理，继而能得出另外一个零部件相对位移。

如图3所示，假定Ⅱ零部件约束，在螺栓结合面处建立直角坐标系。然后再把外部载荷全转换到坐标原点上来，可获得主矢及主力矩F。

（7）式中，F1、F2、F3是三轴方向上的力分量;F4、F5、F6是三轴方向上的力矩分量。

螺栓固定结合面的位移矩阵u：

（8）式中，u1、u2、u3是线位移，u4、u5、u6是角位移。

螺栓固定结合面上的接触变形矩阵λ：

如图4所示，假设Ax1，x2，x3是螺栓结合面上任意一点的接触点坐标，零件a上的坐标系是∑a，那么b上的坐标系则为∑b。

螺栓结合面变形前，零件a和零件b是处于相邻接触状态，坐标系重合，bP=aP=x1

当外部载荷只需在零件a上发生作用，螺栓固定结合面上点都可能会产生形变。4图中，A′是A发生变形之后的位置，形变量为λ，它的形变分量是λ1，λ2，λ3。

大于零是处于预紧状态，小于零则是间隙状态。

4 结语

综上所述，结合面的特性参数研究较多，到现在可以认为相对较多也比较成熟，也為后续研究工作做了准备。

参考文献：

[1]黄玉美，等.机床结构设计效果预断中结合条件的处理方法.机床，1990（6）：8-12.

[2]周喜峰.数控机床结合面动态特性参数数据库管理设计与开发[D].南京理工大学，2012.

[3]戈丰来，徐庆坤.力矩扳手的力矩计算[J].机械制造，2002（4）：54-55.

基金项目：邵阳学院研究生项目（CX2019SY025）

作者简介：王蒙宽（1987— ），男，湖南衡阳人，硕士研究生，研究生在读，研究方向：专用设备制造。