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1、第六章第六章典型机械零部件可靠性设计典型机械零部件可靠性设计-螺栓螺栓 可靠度的等级可靠度的等级 根据零部件的根据零部件的重要程度重要程度将可靠度分为将可靠度分为6个等级，个等级，随着等级的提高，可靠度也应逐步提高。随着等级的提高，可靠度也应逐步提高。 可靠度的等级可靠度的等级 考虑到故障所产生的考虑到故障所产生的后果严重的程度后果严重的程度也常将故障后也常将故障后果作为判别标准来确定可靠度果作为判别标准来确定可靠度。螺栓联接的可靠性设计螺栓联接的可靠性设计1 受轴向静拉伸载荷螺栓联接受轴向静拉伸载荷螺栓联接的可靠性设计的可靠性设计2 受轴向变载荷紧螺栓联接受轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计的
2、可靠性设计3 静载荷受剪螺栓联接静载荷受剪螺栓联接的可靠性设计的可靠性设计4 变载荷抗剪螺栓联接变载荷抗剪螺栓联接的的可靠性设计可靠性设计5 提高螺栓强度和可靠度的措施提高螺栓强度和可靠度的措施1 受轴向静拉伸载荷螺栓联接的可靠性设计受轴向静拉伸载荷螺栓联接的可靠性设计松联接螺栓（只受轴向静拉伸而没有预紧力）松联接螺栓（只受轴向静拉伸而没有预紧力）受轴向静拉伸载荷的螺栓联接可分为两种类型受轴向静拉伸载荷的螺栓联接可分为两种类型（紧螺栓联接副）既受预紧力又承受轴向力（紧螺栓联接副）既受预紧力又承受轴向力1.1 松联接螺栓的可靠性设计松联接螺栓的可靠性设计 只承受轴向静拉伸而无预紧力只承受轴向静拉
3、伸而无预紧力 ，设拉应力沿横，设拉应力沿横截面均匀分布，失效模式为截面均匀分布，失效模式为螺纹部分的塑性变形螺纹部分的塑性变形和断裂和断裂。 可靠性设计的可靠性设计的准则准则 ：可靠性设计内容：在已知轴向静拉伸载荷，螺栓可靠性设计内容：在已知轴向静拉伸载荷，螺栓材质和应达到的可靠性指标条件下，确定螺栓的材质和应达到的可靠性指标条件下，确定螺栓的直径与公差，求取可靠度对螺栓几何尺寸变化的直径与公差，求取可靠度对螺栓几何尺寸变化的敏感度。敏感度。1.1 松联接螺栓的可靠性设计松联接螺栓的可靠性设计设该螺栓联接在工作中仅受拉力设该螺栓联接在工作中仅受拉力F。则常规设计中计算螺。则常规设计中计算螺纹直
4、径的条件为纹直径的条件为1.1 松联接螺栓的可靠性设计松联接螺栓的可靠性设计1.1 松联接螺栓的可靠性设计松联接螺栓的可靠性设计螺栓材料强度也近似服从正态分布螺栓材料强度也近似服从正态分布例题：已知松螺栓联接的载荷为：( )=(26700, 900)N,材料为40Cr，强度极限为：( )=(900, 72)MPa.从经济效益出发，在保用期内，10000个螺栓只允许更换13个，设计此螺栓。1.1 松联接螺栓的可靠性设计松联接螺栓的可靠性设计 =34013/ Vdc=0.001s=1147/R(t)=1-13/10000=0.9987ZR=31.1 松联接螺栓的可靠性设计松联接螺栓的可靠性设计由联
5、接方程 =5.45mm（最小截面）选择合适的螺栓即可，查表选内径6.647，外径8mm。1.1 松联接螺栓的可靠性设计松联接螺栓的可靠性设计常规方法为许用应力安全系数n=3.86对于40Cr， s =750=194.3MPad=13.22选择外径16mm，内径13.835mm1.1 松联接螺栓的可靠性设计松联接螺栓的可靠性设计1.2 紧螺栓联接副的可靠性设计紧螺栓联接副的可靠性设计 紧螺栓联接副中的基本载荷也为紧螺栓联接副中的基本载荷也为轴向拉力，但包括了在工作载荷轴向拉力，但包括了在工作载荷作用前螺栓拧紧时就已存在的作用前螺栓拧紧时就已存在的预预紧力紧力。螺栓联接副构成一个超静定系统，螺栓联
6、接副构成一个超静定系统，载荷在各构件中的分配取决于联载荷在各构件中的分配取决于联接副的接副的变形协调条件变形协调条件，即与联接，即与联接副各构件间的柔度比有关。副各构件间的柔度比有关。螺栓联接副受力和变形关系螺栓联接副受力和变形关系 螺栓总载荷：螺栓总载荷： 螺栓联接副相对刚度：螺栓联接副相对刚度： 1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 -紧螺栓
7、联接副紧螺栓联接副受力分析受力分析1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 -紧螺栓联接副紧螺栓联接副受力分析受力分析1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 -紧螺栓联接副紧螺栓联接副受力分受力分析1.2 紧螺栓联接副的可靠性紧螺栓联接副的可靠性设计设计 -紧螺栓联接副紧螺栓联接副受力分析受力分析1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 螺栓承受扭矩应力螺栓承受扭矩应力拉、扭复合应力为拉、扭复合应力为1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 -紧螺栓联接副紧螺栓联接副受力分析受力分析-可靠性设计步骤可靠性设计步骤1.2 紧紧螺栓
8、联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 -可靠性设计步骤可靠性设计步骤1.2 紧螺栓联接副的可靠性设计紧螺栓联接副的可靠性设计 -可靠性设计步骤可靠性设计步骤1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性设计螺栓联接副的可靠性设计 -可靠性设计步骤可靠性设计步骤1.2 紧螺栓联接副的可靠性设计紧螺栓联接副的可靠性设计 -可靠性设计步骤可靠性设计步骤1.2 紧紧螺栓联接副的可靠性螺栓联接副的可靠性设计 Example（设计采用M16螺栓）ExampleExample(continued)Example(continued)Example(continued)Example(continued)Example(
9、continued)Example(continued)2 轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计 螺栓承受预紧力和轴变载荷时螺栓的失效形螺栓承受预紧力和轴变载荷时螺栓的失效形式主要是式主要是疲劳断裂疲劳断裂，危险部位则是几个应力集，危险部位则是几个应力集中的区域：中的区域：（1）与螺母结合的第一个螺纹根部；）与螺母结合的第一个螺纹根部；（2）螺栓头与螺栓的过渡区；）螺栓头与螺栓的过渡区；（3）螺纹与光杆的过渡区）螺纹与光杆的过渡区 螺栓的疲劳寿命服从对数正态分布，疲劳极限应力幅值可用下式确定：2 轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计 2
10、轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计 常用螺栓材料的疲劳极限常用螺栓材料的疲劳极限2 轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计 尺寸系数尺寸系数有效应力集中系数有效应力集中系数极限应力幅的变异系数为：极限应力幅的变异系数为： 对滚压螺纹对滚压螺纹 =0.080.09 对切削螺纹对切削螺纹 =0.110.13 2 轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计 根据紧螺栓的受力模型，当外加工作载荷根据紧螺栓的受力模型，当外加工作载荷从从0变化到变化到 而交变而交变 ，则在螺栓上发生的，则在螺栓上发生的拉力变化为从拉力变化为从
11、到到 之间交变。之间交变。螺栓所承受的平均拉力螺栓所承受的平均拉力:拉力幅拉力幅: 2 轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计 螺栓承受的平均拉应力和应力幅度分别为螺栓承受的平均拉应力和应力幅度分别为 2 轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计 对于随轴向变载荷螺栓联接副的螺栓在工作时，螺对于随轴向变载荷螺栓联接副的螺栓在工作时，螺栓截面上所作用的是非对称循环的交变应力。栓截面上所作用的是非对称循环的交变应力。用疲劳极限因素分析其应力和安全裕量用疲劳极限因素分析其应力和安全裕量可靠性安全系数可靠性安全系数 ：服从对数正态分布的联结系数服从对数
12、正态分布的联结系数 2 轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计轴向变载荷紧螺栓联接的可靠性设计 ExampleExample(continued)Example(continued)3 静载荷受剪螺栓联接的可靠性设计静载荷受剪螺栓联接的可靠性设计受剪螺栓联接，通常不计预紧力和被联接受剪螺栓联接，通常不计预紧力和被联接件之间摩擦力。其失效模式：件之间摩擦力。其失效模式：被联接件接合面处的螺杆被剪断被联接件接合面处的螺杆被剪断螺杆部分被联接件孔壁间的挤压损伤。螺杆部分被联接件孔壁间的挤压损伤。设计变量均被认为是服从正态分布的随机设计变量均被认为是服从正态分布的随机变量。变量。 3 静载荷受剪螺栓联接的可
13、靠性设计静载荷受剪螺栓联接的可靠性设计螺栓受剪切失效螺栓受剪切失效单个螺杆上所受的剪切应力为：单个螺杆上所受的剪切应力为：其均值为其均值为变异系数变异系数受剪螺栓强度按抗剪屈服强度受剪螺栓强度按抗剪屈服强度受剪螺栓强度变异系数按材料参数表取。受剪螺栓强度变异系数按材料参数表取。 根据剪应力的强度分布和应力分布建立联结方根据剪应力的强度分布和应力分布建立联结方程，得到相应的联接系数和可靠度程，得到相应的联接系数和可靠度 可靠性设计步骤可靠性设计步骤3 静载荷受剪螺栓联接的可靠性设计静载荷受剪螺栓联接的可靠性设计螺栓受挤压失效螺栓受挤压失效挤压应力为挤压应力为当当h为常量时为常量时 ； 根据载荷情
14、况而定。根据载荷情况而定。抗挤压强度，一般为材料抗拉强度的抗挤压强度，一般为材料抗拉强度的50%；根据剪应力的强度分布和应力分布建立联结根据剪应力的强度分布和应力分布建立联结方程，得到相应的联接系数和可靠度方程，得到相应的联接系数和可靠度 3 静载荷静载荷受剪螺栓联接的可靠性设计受剪螺栓联接的可靠性设计4 变载荷抗剪螺栓联接的可靠性设计变载荷抗剪螺栓联接的可靠性设计 设计计算方法与前述基本一致。根据载荷的交变情况求取剪应力幅 和变异系数 及标准差 ，然后根据材料确定抗交变剪应力强度 和标准差 。最后通过联结方程得到联结系数 和可靠度 。5 提高螺栓强度和可靠度的措施提高螺栓强度和可靠度的措施使用滚压螺纹，螺纹根部存在残余压缩应力，能提高疲劳强度使用滚压螺纹，螺纹根部存在残余压缩应力，能提高疲劳强度5 提高螺栓强度和可靠度的措施提高螺栓强度和可靠度的措施增大螺纹根部的圆角半径和增大螺杆与螺栓头的过渡圆角半径增大螺纹根部的圆角半径和增大螺杆与螺栓头的过渡圆角半径5 提高螺栓强度和可靠度的措施提高螺栓强度和可靠度的措施
