YL12型凸缘联轴器上连接螺栓的可靠性设计

摘要：凸缘联轴器的两个半联轴器靠螺栓连接在一起，螺栓的可靠性对联轴器的工作性能有很大的影响。本文就YL12型凸缘联轴器上连接螺栓利用可靠性理论进行可靠性设计，为螺栓的选用和设计提供理论依据。

关键词：凸缘联轴器 螺栓 可靠性设计

联轴器是机器传动中常用的部件。它主要用来联接轴与轴（或轴与其它回转零件），以传递运动与转矩。凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器用键分别与两轴联接，然后用螺栓把两个半联轴器联成一体，以传递运动和转矩。为保证凸缘联轴器的正常工作，现就连接两半联轴器的螺栓可靠性设计。

1 螺栓的受力分析

设分布在凸缘联轴器上所有的螺栓材料、直径、长度、预紧力均相同；螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；受载后联接接合面仍保持为平面。

螺栓在联接装配时，螺母需拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除受预紧力F的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T的扭转而产生扭转切应力，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。联轴器在正常工作时，转矩T作用在联接接合面内，采用螺栓杆与孔壁间留有间隙的普通螺栓联接时，主要靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩 T。

2 失效模式分析

基于以上对螺栓的受力分析，螺栓在工作过程中可能会在复合应力下发生断裂现象。但对于M10-M64 普通螺纹的钢制螺栓联接，在拧紧时虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时可以只按拉伸强度计算。

3 对YL12凸缘联轴器上连接螺栓的设计过程

YL12凸缘联轴器(如图所示)，用六个普通螺栓联接，螺栓分布在D=100mm的圆周上，若联轴器传递转矩T=1500N.m，螺栓用45号钢，联轴器本体材料用A3钢，设计可靠度R=0.999时的螺栓杆径尺寸。

3.1 常规设计

选螺栓性能等级为4.6级，可查得：σS=240Mpa

取S=1.5，f=0.16，KS=1.2，得

（1）

因为 F′f≥KS R（2）

所以 （3）

（4）

式中：S——螺纹连接安全系数

f——接合面的摩擦系数

KS——防滑系数，KS=1.1~1.3

F′——螺栓预紧力，单位N

d1——螺栓危险截面的直径，单位mm

[σ]——螺栓材料的许用拉应力，单位为Mpa

按强度要求d1≥14.573，选取M16螺栓。

3.2 可靠性设计

①应力均值

σ=DF′/d12（5）

②应力标准差

Sσ=GF′/d12（6）

式中，D、G为分析螺栓复合应力的两个计算参数，它们可由第四强度理论得到，计算式为：

设螺栓、螺母不作表面处理，无润滑拧紧，查得：

可求得:

D=1.71，G=0.185

故应力均值与标准差可表示为

③由性能等级及螺栓材料得，σS=240MPa，CσS=0.06，则SσS= 14.4MPa。

可靠度要求R=0.999，查表得[1]：μR=3.1。

建立联结方程:

（7）

求解得:d1=10.686mm。

④按标准及结构要求取d=12mm，即为M12螺栓。

通过上述二种方法的计算结果比较可知:常规机械设计由于安全系数选取相对保守，所以导致螺栓直径相对较大，造成了结构尺寸的相应增大，浪费了材料，提高成本;可靠性设计能较好地说明螺栓的工作情况，在一定的可靠度要求下能得到相对较小的结构。

4结束语

4.1 从实例的计算过程可以看出，可靠性设计方法将设计参数作为随机变量处理，是在确定了产品破坏概率的前提下进行的准确计算。因此，以概率论和数理统计等作为工具的可靠性设计方法，与常规设计方法相比，去除了主观的人为因素在设计过程中的影响，综合考虑了外界条件变化，设计结果更贴近实际，故得到了更为广泛的应用。

4.2 将螺栓联接可靠性设计结果与传统设计结果相比较，证明可靠性设计是比较科学、合理的。

参考文献：

[1]濮良贵，纪君刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社，2001.

[2]董玉革.机械模糊可靠性设计[M]. 北京:机械工业出版社，2000.

[3]王启，王文博.常用机械零部件可靠性设计[M].北京:机械工业出版社，1996.

[4]曾声奎，赵廷弟，张建国等.系统可靠性设计分析教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004

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