CN111853005A - 一种非平行安装端面的螺栓防松结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于螺栓连接结构防松设计领域，提供了一种非平行安装端面的螺栓防松结构，包括上被连接件、下被连接件、螺栓和螺母；螺栓穿过上被连接件和下被连接件，其两端与螺母配合，螺栓与螺母夹持上被连接件和下被连接件，上被连接件表面加工有非平行安装端面；当螺栓节点受到横向振动载荷时，所受到的额外接触摩擦力会提高螺栓防松结构的防松性能。该防松结构无需引入其他零件，区别于传统的摩擦防松、机械防松和永久防松方法，只需要改变螺栓安装端面的倾斜角度就能实现螺栓连接结构防松，不改变螺栓和螺母的结构，拆卸方便，便于重复使用且拧紧力矩适中，应用范围广。本防松结构可以与现有的其他螺栓连接防松方法配合使用，增强防松效果。

Description

一种非平行安装端面的螺栓防松结构

技术领域

本发明属于螺栓连接结构防松设计领域，具体为一种非平行安装端面的螺栓防松结构。

背景技术

螺栓连接具有安装简单、拆卸方便、成本低廉和互换性高等优点，是机械、建筑、交通、航空、航天、船舶、家具等领域中应用最广泛的连接方式之一。然而，螺栓连接在服役的过程中，经常受到振动、冲击、周期性温度变化等外部载荷的作用，导致螺纹预紧力随着服役时间的增加而逐渐衰退。预紧力不足不仅使螺纹连接失去原有的紧固、密封等功能，还可能降低连接件的疲劳寿命，引发连接件断裂，甚至导致严重的安全事故。

目前工程上所使用的螺栓连接的防松措施，按照防松的工作原理不同，分为摩擦防松、机械防松和永久防松三大类。

1.摩擦防松

摩擦防松是应用最广的一种防松方式，这种方式在螺纹副之间产生一不随外力变化的正压力，以产生一可以阻止螺纹副相对转动的摩擦力。这种正压力可通过轴向或同时两向压紧螺纹副来实现。

但是这种方法不是十分可靠，故通常只应用于对防松要求不严格的地方。摩擦常用的形式有使用弹簧垫圈和使用双螺母。

2.机械防松

机械防松是使用机械装置将螺母与螺栓连成一体，直接限制螺纹副的相对转动，这种方法而可靠，应用较广。

但是种方法造成后期拆卸不方便。如采用开口销、串连钢丝和止动垫圈等。

3.永久防松

永久防松是利用定位焊、点铆等方法把螺母固定在螺栓或被连接件上，可以把螺钉固定在被连接件上。

这种方法这种防松方法可靠，但拆卸后联接件不能重复使用。

目前这些防松措施还无法完全满足结构紧凑、装配简单和反复可拆的要求。针对上述情况，本发明提供一种利用非平行安装端面实现螺栓连接结构防松的方法。

发明内容

本发明中提供的非平行安装端面的螺栓防松结构，区別于传统的摩擦防松、机械防松和永久防松方法，只需要改变安装端面倾斜角度就能完成螺栓连接结构的防松，本方法不需额外零件，且满足了结构紧凑、装配简单和反复可拆的要求。

本发明的技术方案：

一种非平行安装端面的螺栓防松结构，包括上被连接件1、下被连接件2、螺栓3和螺母4；所述螺栓3穿过上被连接件1和下被连接件2，其两端与螺母4配合，螺栓3与螺母4夹持所述上被连接件1和下被连接件2，所述上被连接件1表面加工有非平行安装端面；当螺栓3节点受到横向振动载荷时，所受到的额外接触摩擦力会提高螺栓防松结构的防松性能，实现结构的防松效果；

所述非平行安装端面的几何倾斜角θ的极限值为：

其中，δ为上被连接件1的变形

p_G为材料的许用最大应力，K为安全系数，F为螺栓连接结构预紧力的初始值，A(z)为被连接件区域受压层的面积，E为被连接件的弹性模量，l为实际夹持长度。

所述非平行安装端面加工在螺母4与被连接件的接触表面。

所述非平行安装端面由被连接件中心向边缘倾斜。

所述非平行安装端面为非平行端面、沉头非平行端面或凸台非平行端面。

所述上被连接件1和下被连接件2的实际夹持长度范围在40cm～55cm之间。

本发明的有益效果：根据本发明所述非平行安装端面的螺栓防松结构，通过非平行端面和螺母下表面的接触，会在螺纹接触处引入附加的接触压力和接触摩擦扭矩，当螺栓节点受到横向振动载荷时，额外接触摩擦力会提高螺栓连接结构的防松性能。该防松结构无需引入其他零件，区别于传统的摩擦防松、机械防松和永久防松方法，只需要改变螺栓安装端面的倾斜角度就能实现螺栓连接结构防松，不改变螺栓和螺母的结构，拆卸方便，便于重复使用且拧紧力矩适中，应用范围广。本防松结构可以与现有的其他螺栓连接防松方法配合使用，增强防松效果。

附图说明

图1为螺栓防松结构示意图。

图2为现有螺栓连接结构示意图。

图3为普通非平行端面的螺栓防松结构的示意图。

图4为沉头非平行端面的螺栓防松结构的示意图。

图5为凸台非平行端面的螺栓防松结构的示意图。

图6为非平行端面的螺栓防松结构的螺纹面上的摩擦的分解示意图。

图7为非平行端面的螺栓防松结构中螺母与被连接件实际接触面积的示意图。

图8为非平行端面的螺栓防松结构实际夹持长度的示意图。

图9为加工有普通非平行端面的上连接件的示意图。

图10为加工有沉头非平行端面的上连接件的示意图。

图11为加工有凸台非平行端面的上连接件的示意图。

图12为加工有普通非平行端面的上连接件的剖视图。

图13为加工有沉头非平行端面的上连接件的剖视图。

图14为加工有凸台非平行端面的上连接件的剖视图。

图15为不同倾斜角度端面的螺栓防松结构在施加横向位移载荷时预紧力下降曲线，其中纵坐标表示螺栓预紧力，其下降程度越小则其结构越稳固，横坐标表示振动时间。

图中：1上被连接件；2下被连接件；3螺栓；4螺母。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种非平行安装端面的螺栓防松结构，包括上被连接件1、下被连接件2、螺栓3和螺母4，所述螺栓3穿过上被连接件1和下被连接件2与螺母4配合，螺栓3与螺母4夹持所述上被连接件1和下被连接件2。所述上被连接件1表面加工有非平行安装端面。

所述上被连接件1表面的非平行安装端面的加工可以采用但不限于铣削加工：

1.上被连接件1倾斜铣削加工非平行安装端面：在立式或卧式铣床上，铣刀无法实现转动角度的情况下，将上被连接件1倾斜所需角度安装进行铣削非平行安装端面。

2.铣削刀具倾斜铣削加工非平行安装端面：在立铣头可偏转的立式铣床、装有立铣头的卧式铣床、万能工具铣床上均可将端铣刀、立铣刀按要求偏转一定角度进行非平行安装端面的铣削。

3.角度铣刀铣削加工有非平行安装端面：切削刃与轴线倾斜成某一角度的铣刀称为角度铣刀，非平行安装端面的倾斜角度由角度铣刀保证。

如图7所示，所述上被连接件1的非平行端面不应改变影响整体几何尺寸或性能，本发明中螺栓连接结构的实际夹持长度为非平行安装端面与螺栓轴线交点到螺栓头部与下被连接件接触面的垂直距离。

如图9～14所示，所述上被连接件1的非平行端面在不改变影响整体几何尺寸或性能前提下，根据安装要求，可以加工为普通非平行端面，或沉头非平行端面，或凸台非平行端面。

沉头非平行端面的深度可以作为补偿尺寸根据安装要求设计。

凸台非平行端面的高度可以作为补偿尺寸根据安装要求设计。

如图6所示，作用在外螺母的输入扭矩可以分解为螺纹摩擦扭矩、螺距扭矩和端面摩擦扭矩。由于存在非平行安装端面，在外螺纹上接触面存在一个额外的接触力，此接触力会产生一个额外的接触摩擦，进而产生额外的摩擦扭矩。当螺栓节点受到横向振动载荷时，额外接触摩擦会提高螺栓的防松性能。

将上被连接件和螺栓底部固定，此时，螺纹、螺栓和被连接件可近似看成悬臂梁结构，其刚度分别为K₁、K₂和K₃、弯曲角分别为θ₁、θ₂和θ₃。由于是存在几何不平度的端面接触，所以在螺栓节点处会产生弯矩M，弯矩M会产生一个附加接触力，这证明内外螺纹在拧紧过程中存在横向挤压，进而产生额外接触摩擦力F_f，即：

额外接触摩擦扭矩M′为：

其中，r_c为端面摩擦半径，μ_t为螺纹摩擦因数，r_t为螺纹摩擦半径，β为牙型半角。

根据

可知，当r_c为端面摩擦半径，μ_t为螺纹摩擦因数，r_t为螺纹摩擦半径，β为牙型半角不变时，非平行端面的几何倾斜角θ越大，额外接触摩擦扭矩M′也越大，非平行端面防松效果增强。

如图7所示，在螺母与上被连接件之间的承载区域，由于非平行安装端面使实际接触面积A减小，

在装配过程中不应因装配载荷过大，使被上连接件产生塑性变形造成预紧力下降。因此，表面接触应力不超过材料的许用最大应力。选用合适的安全系数K非平行端面几何倾斜角θ的极限值为：

其中，δ为上被连接件的变形

p_G为材料的许用最大应力，K为安全系数，F为螺栓连接结构预紧力的初始值，A(z)为被连接件区域受压层的面积，E为被连接件的弹性模量，l为实际夹持长度。

如图14所示，为进一步验证防松效果，对本发明进行实验检测，实验采用12.9级，M10×1.5螺栓螺母，材料为40Cr，被连接件材料也采用40Cr，试验设置的横向载荷振动幅值0.4mm，频率为4HZ。实验中所用实验试件共有4个不同倾斜度的可换被连接件垫块，分别为0度、0.6度、0.8度和1度。在0度倾斜角时，预紧力基本呈现直线下降趋势。随着倾斜角增大，螺栓预紧力下降斜率减小，非平行端面防松效果增强。倾斜角达到1度时，螺栓预紧力下降斜率趋近于0，非平行端面防松效果达到极限。

以上所述是本发明的实施方式，本发明一种非平行安装端面的螺栓防松结构与其他传统方法可以配合使用，增强防松效果。

Claims (10)

1.一种非平行安装端面的螺栓防松结构，其特征在于，该螺栓防松结构包括上被连接件(1)、下被连接件(2)、螺栓(3)和螺母(4)；所述螺栓(3)穿过上被连接件(1)和下被连接件(2)，其两端与螺母(4)配合，螺栓(3)与螺母(4)夹持所述上被连接件(1)和下被连接件(2)，所述上被连接件(1)表面加工有非平行安装端面；当螺栓(3)节点受到横向振动载荷时，所受到的额外接触摩擦力会提高螺栓防松结构的防松性能，实现结构的防松效果。

2.根据权利要求1所述的螺栓防松结构，其特征在于，所述非平行安装端面的几何倾斜角θ的极限值为：

其中，δ为被连接件的变形

p_G为材料的许用最大应力，K为安全系数，F为螺栓连接结构预紧力的初始值，A(z)为被连接件区域受压层的面积，E为被连接件的弹性模量，l为实际夹持长度。

3.根据权利要求1或2所述的螺栓防松结构，其特征在于，所述非平行安装端面为非平行端面、沉头非平行端面或凸台非平行端面。

4.根据权利要求1或2所述的螺栓防松结构，其特征在于，所述非平行安装端面加工在螺母(4)与被连接件的接触表面。

5.根据权利要求3所述的螺栓防松结构，其特征在于，所述非平行安装端面加工在螺母(4)与被连接件的接触表面。

6.根据权利要求1、2或5所述的螺栓防松结构，其特征在于，所述非平行安装端面由被连接件中心向边缘倾斜。

7.根据权利要求3所述的螺栓防松结构，其特征在于，所述非平行安装端面由被连接件中心向边缘倾斜。

8.根据权利要求4所述的螺栓防松结构，其特征在于，所述非平行安装端面由被连接件中心向边缘倾斜。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的螺栓防松结构，其特征在于，所述上被连接件(1)和下被连接件(2)的实际夹持长度范围在40cm～55cm之间。

10.根据权利要求6所述的螺栓防松结构，其特征在于，所述上被连接件(1)和下被连接件(2)的实际夹持长度范围在40cm～55cm之间。

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