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1、1一厚度 =12mm的钢板用4个螺栓固连在厚度6 =30mm的铸铁支架上，螺栓的布 置有（a）、（b）两种方案，如图所示。已知：螺栓材料为 Q235, o=95MPa、 t =96MPa,钢板。p=320MPa，铸铁。p1=180MPa，接合面间摩擦系数f=0.15, 寸 l=400mm， a=100mm。可靠性系数Kf=1.2，载荷F亍12000N,尺托架螺栓组联接1）试比较哪种螺栓布置方案合理？2）按照螺栓布置合理方案，分别确定采用普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接时的螺栓直径。解题分析：本题是螺栓组连接受横向载荷和旋转力矩共同作用的典型例子。解题时，首先要将 作用于钢板上的外载荷已向螺栓组连
2、接的接合面形心简化，得出该螺栓组连接受横向载荷已和旋转 力矩 T 两种简单载荷作用的结论。然后将这两种简单载荷分配给各个螺栓，找出受力最大的螺栓， 并把该螺栓承受的横向载荷用矢量叠架原理求出合成载荷。在外载荷与螺栓数目一定的条件下，对 不同的螺栓布置方案，受力最大的螺栓所承受的载荷是不同的，显然使受力最大的螺栓承受较小的 载荷是比较合理的螺栓布置方案。若螺栓组采用铰制孔用螺栓连接，则靠螺栓光杆部分受剪切和配 合面间受挤压来传递横向载荷，其设计准则是保证螺栓的剪切强度和连接的挤压强度，可按相应的 强度条件式，计算受力最大螺栓危险剖面的直径。若螺栓组采用普通螺栓连接，则靠拧紧螺母使被连接件接合面间
3、产生足够的摩擦力来传递横向载荷。在此情况下，应先按受力最大螺栓承受的横向 载荷，求出螺栓所需的紧力；然后用只受预紧力作用的紧螺栓连接，受拉强度条件式计算螺栓危险 剖面的直径;最后根据d1查标准选取螺栓直径d,并根据被连接件厚度、螺母及垫圈厚度确定螺 栓的标准长度。解题要点：1 螺栓组连接受力分析（1）将载荷简化将载荷F向螺栓组连接的接合面形心O点简化，得一横向载荷=12000N和一旋转力矩T=F1=12000 X 400=4.8X106N mm （图解一）。图解一托架螺栓组连接（2）确定各个螺栓所受的横向载荷在横向力F,作用下，各个螺栓所受的横向载荷F大小相同，与F，同向。F,=F /4=12
4、000/4=3000Ns1 X而在旋转力矩T作用下，由于各个螺栓中心至形心O点距离相等，所以各个螺栓所受的横向载 荷FS2大小也相同，但方向各垂直螺栓中心与形心o的连线（图解二）。a）加图解二托架蝶栓组连接对于方案（a）,各螺栓中心至形心O点的距离为r =、a 2 + a 2 = 1002 +1002 = 141.1mma所以4ra4.8 x 1064 x 141.4=8487N由图解二（a）可知，螺栓1和2所受两力的夹角a最小，故螺栓1和2所受横向载荷最大，即F =、： F2 + F2 + 2F F cosas max as1s 2 as1 s 2 a= i；30002 + 84872 +
5、2 x 3000 x 8487 x cos45 = 10820N对于方案（b）,各螺栓中心至形心O点的距离为rb=a=100mm所以Fs 2b4.8 x 1064 x 100=12000N由图解二b可知，螺栓1所受横向载荷最大，即F = F + F = 3000 +12000 = 1500Ns max bs1s 2 b（3）两种方案比较在螺栓布置方案（a）中，受力最大的螺栓1和2所受的总横向载荷F=10820N；而在螺栓s max a布置方案（b）中，受力最大的螺栓1所受的总横向载荷F=15000No可以看出，F 11.98mm)。2)校核配合面挤压强度：按图解三所示的配合面尺寸，有：螺栓光杆
6、与钢板孔间F 10820c 二二二 104MPa Q二 320MPap d h 13 x 8ps螺栓光杆与铸铁支架孔间F 10820C = l =P1 db 13 x 30s 1=27.7MPa f 4 = 38.84 mm1 兀C Y 兀X95查 GB196-81，取 M45 (d1=40.129mm38.8mm)o2. 有一轴承托架用4个普通螺栓固联于钢立柱上，托架材料为HT150,许用挤压力 。p=60MPa，螺栓材料强度级别为6.6级,许用安全系数S=3,接合面间摩擦系数f=0.15,C可靠性系数Kf=1.2,螺栓相对刚度亠 二0.2，载荷F=6000N，尺寸如图所示。试设 fC +
7、Cb m计此螺栓组连接。托架螺栓组连接解题分析：本题是螺栓组连接受横向载荷、轴向载荷和倾覆力矩共同作用的典型例 子解题时首先要将作用于托架上的载荷F分解成水平方向和铅垂方向的两个分力，并向 螺栓组连接的接合面形心O点处简化，得出该螺栓组连接受横向载荷、轴向载荷和倾覆 力矩三种简单载荷作用的结论。然后分析该螺栓组连接分别在这三种简单载荷作用下可 能发生的失效，即：在横向载荷的作用下，托架产生下滑；在轴向载荷和倾覆力矩 的作用下，接合面上部发生分离；在倾覆力矩和轴向载荷的作用下，托架下部或立柱 被压溃；受力最大的螺栓被拉断（或塑性变形）。由上述失效分析可知，为防止分离 和下滑的发生，应保证有足够的
8、预紧力；而为避免托架或立柱被压溃，又要求把预紧力 控制在一定范围。因此，预紧力的确定不能仅考虑在横向载荷作用下接合面不产生相对 滑移这一条件，还应考虑接合面上部不分离和托架下部或立柱不被压溃的条件。同时， 要特别注意此时在接合面间产生足够大的摩擦力来平衡横向载荷的不是预紧力F,而 是剩余预紧力F。螺栓所受的轴向工作载荷是由螺栓组连接所受的轴向载荷和倾覆力 矩来确定的。显然，对上边两个螺栓来说，由螺栓组连接所受的轴向载荷和倾覆力矩所 产生的轴向工作载荷方向相同，矢量叠加后数值最在，是受力最大的螺栓。最后就以受 力最大螺栓的轴向工作载荷和预紧力确定螺栓所受的总拉力F。，根据螺栓的总拉力F0 计算螺
9、栓的直径尺寸，以满足螺栓的强度。解题要点：1. 螺栓组受力分析如图所示，载荷F的可分解为横向载荷 F 二 Fcos30o = 6000cos30o = 5196 N (铅垂向下)y轴向载荷 F 二 Fsin30J 6000cos30J 3000 N (水平向右)x把 F 、 F y 向螺栓组连接的接合面形心 O 点处简化，得到倾覆力矩 xyM 二 F x 180 + F x 420xy二(3000 x 180 + 5196 x 420)二 2.722 x 106 n mm显然，该螺栓组连接受横向载荷Fy、轴向载荷F和倾覆力矩M三种简单载荷的共 yx同作用。(1)确定受力最大螺栓的轴向工作载荷F
10、 。在轴向载荷F作用下，每个螺栓受到m axx的轴向工作载荷为厂 F 3000750NF =y=750 NP 44而在倾覆力矩 M 作用下，上部螺栓进一步受到拉伸，每个螺栓受以的轴向工作载荷为12 = 2722 x 106 x 210 =320 Ni4 x 2102显然，上部螺栓受力最大，其轴向工作载荷为F =F + F =750 + 3240 = 3990 nmax P m(2)确定螺栓的预紧力F1)由托架不下滑条件计算预紧力F。该螺栓组连接预紧后，受轴向载荷F作用时，其接x合面间压力为剩余预紧力F，而受倾覆力矩M作用时，其接合面上部压紧力减小，下部压紧力增大，故 M 对接合面间压紧力的影响
11、可以不考虑。因此，托架不下滑的条件式为4 fF = KfFyC )1 bCb+C 丿bm(C F 1 bFVC + C丿bmp=K Ffy所以KFF =4 fC )bC + C丿bm将已知数值代入上式，可得1.2x 5196(C(M )1bF +AV C+ C丿V x W 丿m式中=irnr+(1.2) x 750=10992 NZF(C F(C )t=1bx 1 bp min AVC + C JbmAVC + C Jbm由接合面不分离条件计算预紧力F2)可得M , oWF 2A接合面面积，A=280X( 500-280) =61 600mm2；W接合面抗弯载面模量，即W 二 280 X 50
12、02 x1500丿=9.618 x 106 mm3Z螺栓数目，Z=4。其他参数同前。将已知数值代入上式，可得F r - x (1 0.2) x| 3000 +42.722 x 1 06x61600 =4087 N9.618 x 106丿3)由托架下部不被压溃条件计算预紧力F (钢立柱抗挤压强度高于铸铁托架)。ZF，(C F(C )t一一1 bx 1 bP minAVC + C JbmAVC + C丿bmM扬W P可得 A + |1 PC YbCb+C 人bmF MA x W丿式中，t为托架材料的许用挤压应力，t =60MPa。PP其他参数同前。将已知数值入上式，可得FV 4 x 60 x 61
13、600 + (1 0.2) x 3000 E x 106 x 616009.618 x 106丿= 921 113 N综合以上三方面计算，取F =11000N。2计算螺栓的总拉力 F0这是受预紧力F作用后又受轴向工作载荷F作用的紧螺栓连接，故螺栓的总拉力为CF 二 F +1 -bF 二 11000 + 0.2x 3990 二 11798N0C + Cbm3确定螺栓直径d 1 4 x 1.3F式中为螺栓材料的许用拉伸应力，由题给条件知LLq /Is =360/3=120MPa。s所以dx L3x 心8 二 12.757 mm1n x 120查 GB196-81，取 M16 (d=13.855mm12.757mm)
