連接中螺栓如何承受載荷

  在過(guò)去幾十年里，緊固件行業(yè)在提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和可靠性方面取得了巨大的進(jìn)步。然而，無(wú)論緊固件本身設(shè)計(jì)和制造得多么好，它都不可能單獨(dú)使用。

  對(duì)于緊固件的選擇，應(yīng)基于理解它如何承受載荷機(jī)制，以及擰緊工藝對(duì)其造成的的影響。

  今天，法士威給大家講講在連接設(shè)計(jì)中，螺栓如何承受外部載荷。

  在同一個(gè)應(yīng)用中，完全擰緊的螺栓可以一直使用下去，而未擰緊或松動(dòng)的螺栓可能會(huì)在幾秒鐘內(nèi)失效。因?yàn)楫?dāng)外部負(fù)載施加到一個(gè)擰緊的螺栓的接頭上時(shí)，螺栓不會(huì)承受全部的負(fù)載，通常只是其中的一小部分。這似乎有點(diǎn)違背常識(shí)，希望通過(guò)此文章能夠解釋清楚。

  螺栓是由彈性材料制成的，比如鋼。當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，螺栓會(huì)像彈簧一樣拉伸 (圖1)。

被連接件通常也由同樣有彈性的金屬材料制成。當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，連接件像彈簧一樣被壓縮 (圖2)。

 螺栓和被連接件結(jié)合在一起，作為一個(gè)組合彈簧系統(tǒng)。在擰緊的過(guò)程中，螺栓中的張力與接頭中的壓縮力平衡 (圖3)。

  通過(guò)施加軸向載荷可以拉伸螺栓或壓縮被連接件（圖4）

  由于連接件的剛度通常是螺栓的五倍以上，所以，軸向載荷的主要影響是減少了連接件的壓縮，而不是拉伸了螺栓。這一點(diǎn)可能很難被意識(shí)到。

  圖5展示了將支架固定到支撐板的螺栓和螺母。

 當(dāng)螺栓上的螺母松動(dòng)時(shí)，如果支架增加1個(gè)單位力，如圖6所示，則螺栓桿部將增加1個(gè)單位力。

  然而，如果螺母被擰緊，然后同樣施加1個(gè)單位力，螺栓桿部的力則不會(huì)增加1個(gè)單位力，通常只增加該量的一小部分。

  現(xiàn)在思考一下，為什么螺栓不能承受所施加載荷的全部。

  通過(guò)一個(gè)模型可以幫助理解為什么螺栓不承受所施加載荷的全部。

   圖7是通過(guò)使用特殊的緊固件來(lái)說(shuō)明螺栓連接中涉及的載荷傳遞機(jī)制。在這種特殊裝置中，直到施加的載荷超過(guò)緊固件的預(yù)緊力，緊固件才會(huì)承受顯著的載荷增加。

  通過(guò)所示的特殊裝置，螺栓可以在殼內(nèi)自由移動(dòng)，在殼內(nèi)裝有一個(gè)壓縮彈簧，這樣，如果螺栓被拉伸，彈簧將會(huì)被壓縮。殼體側(cè)面的刻度表示彈簧中存在的力，以此代表螺栓桿部中存在的力。圖7顯示螺栓未擰緊狀態(tài)。

  現(xiàn)在，將螺栓插入支撐板和連接特殊裝置的支架上，然后將螺母擰緊到螺紋上，如圖8所示。

 螺母旋轉(zhuǎn)，彈簧將被壓縮。螺母旋轉(zhuǎn)使2個(gè)單元力指示在殼體上，則作用在彈簧上的壓縮力為2個(gè)單元力，螺栓桿部承受拉力也將為2個(gè)單元力。此時(shí)螺栓處于擰緊狀態(tài)且不受任何工作負(fù)載。

  現(xiàn)在如果在支架上增加1個(gè)單元力 (如圖9) ，那么通常的反應(yīng)會(huì)認(rèn)為螺栓中的載荷會(huì)增加，但令人驚訝的是，它仍將保持其現(xiàn)有值2-沒(méi)有 “感覺(jué)到” 任何額外的力。

  為什么會(huì)這樣?

  可以想象一下如果螺栓上的負(fù)載增加，那么，將壓縮彈簧，并在支架和板之間形成間隙。如果要形成這樣的間隙，則意味著將有2個(gè)單位的力向上作用，考慮到的力的平衡，目前僅施加了1個(gè)向上作用的單位力。

   所以實(shí)際發(fā)生的情況就是，施加的載荷僅是減小板和支架之間存在的夾緊力。

  在沒(méi)有施加負(fù)載的情況下，夾緊力為2個(gè)單位力；而在施加負(fù)載后，夾緊力降低到1個(gè)單位的力。螺栓幾乎不會(huì) “感覺(jué)到” 任何施加的力，直到它超過(guò)它的夾緊力。

  圖10顯示了當(dāng)施加了3個(gè)單位力負(fù)載時(shí)。連接將被分開(kāi)，并且3個(gè)單位力將與彈簧中的3個(gè)單位的力達(dá)成平衡。

  從設(shè)計(jì)角度來(lái)講，連接分離點(diǎn)通常被視為接頭具有的有限長(zhǎng)度的點(diǎn)。通常由于施加載荷的偏心率，還會(huì)產(chǎn)生彎曲力，反復(fù)作用會(huì)迅速導(dǎo)致螺栓疲勞失效。

 在實(shí)際實(shí)踐中，在接頭分離之前，螺栓將承受一定比例的施加載荷，承受量取決于螺栓對(duì)夾緊材料的相對(duì)剛度。這是由于擰緊時(shí)，對(duì)手件被壓縮，螺栓被拉長(zhǎng)。

  正如如圖11所示。當(dāng)施加載荷時(shí)，連接件的壓縮量減小，相當(dāng)于兩個(gè)接合面之間的距離增加，同時(shí)螺栓上的載荷也增加。

  通過(guò)螺栓和接頭的剛度以及壓縮量，可以計(jì)算出螺栓承受的載荷。

  螺栓連接成功與否，關(guān)鍵是作用于連接界面的殘余夾緊力。也就是說(shuō)，施加外部載荷時(shí)是否會(huì)發(fā)生接頭分離或移動(dòng)。

  隨著作用在接頭上外部載荷的增加，夾緊接頭的力逐漸減小。

  如果夾緊力由于施加的載荷而降低到零，螺栓將會(huì)完全承擔(dān)該載荷的任何后續(xù)增加。

   研究表明，由于外部載荷的影響，導(dǎo)致連接層之間的夾緊力低于設(shè)計(jì)需求，是接頭發(fā)生失效的主要故障，從而會(huì)引起液體的泄漏 (密封要求的連接) 或螺栓松動(dòng)、疲勞斷裂。

  在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)螺栓的提供的夾緊來(lái)增加摩擦力，可有效地防止連接件的移動(dòng)，所以必須保持一定水平的夾緊力。

  如果夾緊力降低到該水平以下，則會(huì)導(dǎo)致接頭移動(dòng)，從而大大增加 螺母/螺栓頭下的塑性變形風(fēng)險(xiǎn)， 導(dǎo)致螺栓失去預(yù)緊力，從而引起松動(dòng)或疲勞失效。