連接中螺栓如何承受載荷

  在過去幾十年里，緊固件行業(yè)在提高產(chǎn)品的設(shè)計和可靠性方面取得了巨大的進步。然而，無論緊固件本身設(shè)計和制造得多么好，它都不可能單獨使用。

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

  今天，法士威給大家講講在連接設(shè)計中，螺栓如何承受外部載荷。

  在同一個應(yīng)用中，完全擰緊的螺栓可以一直使用下去，而未擰緊或松動的螺栓可能會在幾秒鐘內(nèi)失效。因為當外部負載施加到一個擰緊的螺栓的接頭上時，螺栓不會承受全部的負載，通常只是其中的一小部分。這似乎有點違背常識，希望通過此文章能夠解釋清楚。

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

被連接件通常也由同樣有彈性的金屬材料制成。當螺栓擰緊時，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，作為一個組合彈簧系統(tǒng)。在擰緊的過程中，螺栓中的張力與接頭中的壓縮力平衡 (圖3)。

  通過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。這一點可能很難被意識到。

  圖5展示了將支架固定到支撐板的螺栓和螺母。

 當螺栓上的螺母松動時，如果支架增加1個單位力，如圖6所示，則螺栓桿部將增加1個單位力。

  然而，如果螺母被擰緊，然后同樣施加1個單位力，螺栓桿部的力則不會增加1個單位力，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。

  通過一個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是通過使用特殊的緊固件來說明螺栓連接中涉及的載荷傳遞機制。在這種特殊裝置中，直到施加的載荷超過緊固件的預(yù)緊力，緊固件才會承受顯著的載荷增加。

  通過所示的特殊裝置，螺栓可以在殼內(nèi)自由移動，在殼內(nèi)裝有一個壓縮彈簧，這樣，如果螺栓被拉伸，彈簧將會被壓縮。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個單元力指示在殼體上，則作用在彈簧上的壓縮力為2個單元力，螺栓桿部承受拉力也將為2個單元力。此時螺栓處于擰緊狀態(tài)且不受任何工作負載。

  現(xiàn)在如果在支架上增加1個單元力 (如圖9) ，那么通常的反應(yīng)會認為螺栓中的載荷會增加，但令人驚訝的是，它仍將保持其現(xiàn)有值2-沒有 “感覺到” 任何額外的力。

  為什么會這樣?

  可以想象一下如果螺栓上的負載增加，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個單位的力向上作用，考慮到的力的平衡，目前僅施加了1個向上作用的單位力。

   所以實際發(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。

  在沒有施加負載的情況下，夾緊力為2個單位力；而在施加負載后，夾緊力降低到1個單位的力。螺栓幾乎不會 “感覺到” 任何施加的力，直到它超過它的夾緊力。

  圖10顯示了當施加了3個單位力負載時。連接將被分開，并且3個單位力將與彈簧中的3個單位的力達成平衡。

  從設(shè)計角度來講，連接分離點通常被視為接頭具有的有限長度的點。通常由于施加載荷的偏心率，還會產(chǎn)生彎曲力，反復(fù)作用會迅速導(dǎo)致螺栓疲勞失效。

 在實際實踐中，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夾緊材料的相對剛度。這是由于擰緊時，對手件被壓縮，螺栓被拉長。

  正如如圖11所示。當施加載荷時，連接件的壓縮量減小，相當于兩個接合面之間的距離增加，同時螺栓上的載荷也增加。

  通過螺栓和接頭的剛度以及壓縮量，可以計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，施加外部載荷時是否會發(fā)生接頭分離或移動。

  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，螺栓將會完全承擔該載荷的任何后續(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)計需求，是接頭發(fā)生失效的主要故障，從而會引起液體的泄漏 (密封要求的連接) 或螺栓松動、疲勞斷裂。

  在實際應(yīng)用中，通過螺栓的提供的夾緊來增加摩擦力，可有效地防止連接件的移動，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，則會導(dǎo)致接頭移動，從而大大增加 螺母/螺栓頭下的塑性變形風險， 導(dǎo)致螺栓失去預(yù)緊力，從而引起松動或疲勞失效。