螺栓组联接中螺栓的受力和相对刚性系数

一、实验目的

1.了解在受倾覆力矩时螺栓组联接中各螺栓的受力情况；

2.了解螺栓相对刚度系数即被联接件间垫片材料对螺栓受力的影响； 3.了解单个螺栓预紧力的大小对螺栓组中其它各螺栓受力的影响; 3.根据实验结果计算出螺栓相对刚性系数，填入实验报告。

4.了解和部分掌握电阻应变片技术、计算机技术在力测量中的应用。从而验证螺栓组联接受力分析理论和现代测量技术在机械设计中的应用。

二.实验要求：

1.实验前预习实验指导书和教科书中有关本实验的相关内容；

2.实验中按指导教师要求和实验指导书中实验步骤进行实验，注意观察实验中各螺栓载荷变化情况，并能用螺栓组联接受力分析理论解释其现象； 3.根据实验结果计算出螺栓相对刚性系数，填入实验报告。 4.按指导教师要求完成指定思考题。

三、实验设备：

1. 螺栓组实验台 一台 2. 计算机 一台 3. 10通道A/D转换板（包括放大器） 一块 4. 调零接线盒 一个 5. 25线联接电缆 一条

四、实验原理 1. 机械部分：

当将砝码加上后通过杠杆增力系统可作用在被联接件上一个力P，该力对被联接件上的作用效果可产生一个力矩，为平衡该力矩，已加上预紧力的螺栓组中各螺栓受力状况会发生变化，且受力情况会因垫片材料不同而不同；螺栓所处位置不同而不同。测出各螺栓受力变化(如图11-2)，即可检验螺栓组受力理论。

螺栓实验台(如图一)本体由①机座、②螺栓（10个）、③被联接件、④175的杠杆增力系统、⑤砝码（2—2kg，1—1kg）、⑥垫片六部分组成。

各螺栓的工作拉力Fi可根据支架静力平衡条件和变形协调条件求出 。设在M（PL）作用下接触面仍保持为平面，且被联接件④在M作用下有绕O－O线翻转的趋势(如图11-3)。为平衡该翻转力矩M，各螺栓将承受工作拉力Fi；此时，O－O 线上侧的螺栓进一步受拉，螺栓拉力加大；O－O 线下侧的螺栓则被放松，螺栓拉力减小。

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ P LL ①机座 ②螺栓 ③垫片 ④被联接件 ⑤杠杆系统 ⑥砝码 图11-1 DLS-I型螺栓组联接实验台 由静力平衡条件可知：

MPLF1L1F2L2FiLiF10L10 （1） 式中：Fi— 第i个螺栓所受工作拉力；

Li— 第i个螺栓轴线至O－O 线的距离 ；

根据螺栓变形的协调条件，各螺栓拉伸变形量（工作拉力）与该螺栓距O－O线的距离成正比，即

F1F2FFi10L2LiL10 （2） L1 由（1）、（2）两式可推出任一螺栓的工作拉力Fi

Fi

PLLiL1L2L10 （3）

Qpi、

222 根据受轴向载荷紧螺栓联接的受力理论，各螺栓受载荷后的总拉力不仅与预紧力工作拉力Fi有关，而且与螺栓的刚度Cb和被联接件的刚度Cm有关。 O－O 线上侧各螺栓的总拉力为：

QiQpiFiCbCbCm （4） CbCbCm （5）

O－O 线下侧各螺栓的总拉力为：

QiQpiFi力 9 4 FF 8 7 3 2 O QP b QPQ m 变形 O L2 6 b 'bm 1 0 L1 5

图11-2 螺栓受力图

图11-3 螺栓位置图 Cb 由（3）、（4）、（5）式可求出该实验中的螺栓相对刚度系数 CbCm

QiQpiCbFi CbCm （6）

2. 测试部分：

实验测试部分由传感器、放大器、A/D转换板、计算机（采数及数据处理）四部分组成。

传 感 器 放 大 器 A/D 模 数转换 板 计 算 机 其作用是将每个螺栓的受力值转换为能被计算机读出的值。其框图如下：

1)传感器

采用电阻应变片在螺栓上布置成全桥电路，即四片均为工作片，采用两横两纵贴法，使得温度自动补偿，且提高传感器灵敏度，其中R1、R3为纵片，R2、R4为横片。 由应变技术理论可知：

R1 R2 5v

R4 R3

uiu0K(1234)(1t2t3t4t)4 （1）

ui — 电桥输出电压（测量量） u0 — 电桥桥压

i — 第i个应变片的应变值

it — 第i个应变片因温度变化而引起的应变值变化 K — 应变片灵敏系数（购买电阻应变片时厂家给出）

由于该实验过程中，螺栓只承受沿轴向的拉伸，因此可认为R2和R4受压。 21，43， — 材料的泊松比 1t2t3t4t ，（用全桥电路满足温度补偿） 则（1）式可写成：

uiu0KuK(1133)0(13)(1)44

即通过电阻应变片所组成的传感器将螺栓的受力情况转变成电压（ui）值。

2) 放大器

采用由差分型放大电路构成的放大模块，具有稳定性好，抗干扰能力强等优点，但其放大倍数较大（1000倍），时间较长（约17ms）。 3) A/D转换板

分辨率： 12位 通道数： 16 转换时间： 转换速度：

输入电压： 0～5V

为了使本实验测试部分更准确，采用了实验定标的方法，即当测试部分综合调整好后，分别在螺栓试件上加上不同力值的载荷，用计算机采回相应的数字量，再经过计算，确定出每个螺栓的刚度值。

五、实验步骤

1. 进入“螺栓定标”栏，核对各螺栓定标系数是否与实验台上所给定标系数相同，如不同，请找指导教师进行修正，数据正确后存盘并按Esc键退回主菜单。

2. 进入“实验”栏中“预紧力初读数”栏，用↑或↓键将光标移到“逐点采集数”，按回车键，然后按屏幕指示操作。采集完成后，按Esc键。若有螺栓预紧力超出3050N－2950N范围时，①将光标移到“单点采集”后，按回车键；②将需调整预紧力螺栓号输入后，按回车键，用扳手调整该螺栓螺母，直到调整到所要求的范围后，（注意：在调整时不要用力过大过猛）按回车键。③再将下一个需调整预紧力螺栓号输入，重复上述②③过程。直至所有螺栓预紧力满足要求后，按Esc键，屏幕将显示“自动进入逐点采集预紧力程序”按回车键后，将进入“逐点采集”的预备状态，此时再按回车键，系统将再次采集各螺栓预紧力，采集完成后，按Esc键，屏幕显示“预紧力文件已存盘”，按回车键。若仍有螺栓预紧力不满足要求时，重复上述①②③过程，满足要求后，按Esc键，退回上级主菜单。

3. 进入“加载实验”栏，用↑或↓键选择垫片种类，然后按回车键。将载荷砣（2个2kg，1个1kg，共5kg）轻轻逐个放在加载盘上后按回车键，系统将自动采集当前各螺栓受力情况，注意观察此时螺栓组受力规律，并讨论其原因。完成后将载荷砣轻轻卸掉，按Esc键，并将加载文件存盘，系统将自动回上级菜单。

4. 进入“退出”栏，按回车键，系统回主菜单。进入“打印实验结果”栏，按回车键打印实验报告，打印完成后，系统自动回主菜单。

5. 进入“实验”栏中“预紧力初读数”栏，将光标移到“单个螺栓加预紧力对整体影响”，按回车键。输入准备调整力的螺栓号（任意选择)后，用扳手轻轻拧动其螺母，（注意：扳手在原位置的±10°范围内），按回车键，屏幕将自动显示各螺栓受力变化状况，观察现象并讨论原因，完成后按Esc键退出，系统回上级菜单。 6. 进入“退出”栏，按回车键，退回主菜单。

7. 进入“思考题”栏，考虑每道思考题，并按教师要求书面完成指定思考题，完成后，按Esc键，退回到主菜单。

8. 请指导教师检查实验结果，教师确认后方可退出实验。

9. 根据实验结果和公式（3）、（6），计算出相对刚性系数值，填入实验报告。

六.思考题:

1. 螺纹是怎样形成的？

2. 常用的牙形有哪些？用于联接的是什么牙形，为什么？用于传动的是什么牙形，为什么？

3. 粗牙螺纹与细牙螺纹的区别？细牙螺纹用于何种场合？

4. 如何识别螺纹的旋向？自行车左、右脚蹬子固定用的螺纹旋向是否相同？各为何旋向？

5. 为什么要控制预紧力？用什么方法控制预紧力？

6. 拧紧螺母时，要克服哪些阻力矩？此时螺栓和被联接件各受什么力？拧紧后螺栓还受什么力？何谓拧紧力矩？

7. 常用的螺纹失效形式有哪几种？失效部位通常发生在何处？

8. 在一组螺栓联接中，为何把各个螺栓的材料、直径和长度均取成相同？

9. 判断实验中的螺栓组联接承受哪些载荷？指出哪个螺栓受力最大及所受哪些载荷？ 10. 在拧紧螺栓时，加载杠杆应放在什么位置？为什么？ 11. 理论计算与实验结果之间的误差产生的原因有哪些？ 12. 由实验测得的螺栓工作受力分布规律，若翻转轴线不在O－O线上，说明什么问题？被联接件及垫片的材料和刚度对此分布有何影响？

13. 实验计算所得的相对刚度系数值与表中所列值有何区别？原因有哪些？

14. 为什么螺栓组联接的接触面大多具有对称性？ 15. 实验的测试部分由哪几部分组成？

16. 传感器是由什么组成的？ 17. 放大器的作用是什么？

18. 模拟量（电压）是通过什么器件转化成数字量的？

19. 单个螺栓预紧力的变化对其它的螺栓有何影响？（结合题8考虑） 20. 定标的作用是什么？

21. 在使用螺栓组固定联接受翻转力矩的两构件时应注意什么？ 22. 通过此次实验有哪些收获？ 七.实验报告:

螺栓组联接中螺栓的受力和相对刚性系数实验报告

班级学号 实验日期 指导教师 姓 名 同组人 成 绩

（一）实验目的:

（二）螺栓组试验台结构示意图:

（三）试验台主要参数：

试验台型号：

螺栓最小直径：d = mm 杠杆比：

载荷砝码重量：G = kg

垫片材料：

（四）实验记录: 螺栓号 预紧力(N) 加载后受力(N) 载荷变化量(N) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

（五）计算结果分析:

(六) 受力图:

1.各螺栓预紧力受力图 2. 各螺栓加载后受力图

（七）思考题: