1、精密制造与自动化2 0 1 7 年第1 期某称重仪传感器螺栓连接预紧力分析及优化木王名月缪炳荣李旭娟史艳民(西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都6 1 0 0 3 1)摘要以称重仪传感器为分析对象，了解螺栓预紧力对局部结构变形的影响，并寻求最优预紧力。采用P r o e三维建模软件建立称重仪传感器的几何装配体，建立了精确的螺栓螺纹三维模型；运用A N S Y SW o r k b e n c h 软件构造有限元分析模型，对受螺栓预紧力影响的局部结构进行预应力模态分析及静强度计算，得到局部结构相应的应力、应变和位移云图，最后建立螺栓预紧力与结构应力的关系曲线，确定最优预紧力值。模拟分析结果为称
2、重传感器连接螺栓预紧力的确定提供了依据，对产品的设计应用具有指导意义。关键词称重传感器螺栓预紧力有限元分析优化称重传感器是传感器的重要分支之一，称重传感器的基本原理是将物体的质量信号转变为可测量的输出电信号。随着称重传感器性能要求的提高，传感器厂商需要在传感器出厂之前对其性能进行检测，保证传感器的质量。称重传感器作为测量装置，其结构中包含多处螺栓连接，螺栓预紧力的大小直接关系到称重传感器的精确性，若结构预紧不足，被连接件可能发生松动、错位；若预紧力过大，垫片等结构被过度挤压，可能出现扭曲或开裂，螺栓可能被拧断或螺纹牙失效幢1，这些都会严重影响传感器精度，从而影响称重仪的性能。螺栓连接结构的独特
3、力学特性是由螺纹螺旋的特殊几何形态引起的。在传统的螺栓连接应力分析中，主要采用轴对称有限元模型，其三维几何模型也通常为光杆或轴对称螺纹，忽略了螺纹导程角和螺旋线对整个有限元模型分析的影响口1，在一些特殊的情况下，会降低分析的准确性。针对称重传感器的高精度要求，需考虑螺纹部分及接触对整个结构分析过程的影响。本文考虑了螺距、螺旋角、螺纹牙型等细节，利用P r o e 建立了精细的螺栓连接三维有限元模型；然后将实体模型导入A N S Y SW o r k b e n c h 中进行接触设置、网格划分、边界约束及预紧力施加，对螺钉预紧力进行仿真，得到了预紧力作用下的结构固有频率、局部结构及簧片最薄中心
4、位置的应力应变及位移变化；最后通过预紧力优化分析，确定结构国家自然科学基金资助项目编号：2 0 1 6 T P L T 1 02 2的最佳预紧力。1 预紧力计算螺栓连接结构易于组装和拆卸，因此在机械结构中得到广泛应用。在安装螺栓时，必须拧紧螺栓接头，使连接件在螺栓拉伸时被压缩，作用于螺栓的预加力称为预紧力H 1。预紧的目的是加强连接的可靠性和紧凑性。在使用中所施加的预紧力是由旋紧螺帽所施加的扭矩丁给出，丁可以使用测力扳手在旋紧螺帽时测出。拧紧力矩r 等于螺纹副间的摩擦阻力矩和螺母环形端面与被连接件(或垫片)支撑面间的摩擦阻力矩之和哺1，即：T=n+疋(1)螺纹副间的摩擦力矩为：n=q p 詈t
5、 a n(1 f，-I-)(2)螺母与支承面间的摩擦力矩为：疋=；五Q P 糕33(3)将公式(2)、(3)代入(1)得螺栓安装扭矩r与预紧力Q P 之间的关系如下式所示：丁=；Q P d 2 t a n(1 f I+)+；五孺D O-d o】(4)式中：Q P 为预紧力，d 2 为螺纹中径，1 f J 为螺纹升角，钆为当量摩擦角，兵为螺母与被连接件支撑面之间的摩擦因数，D o 为螺母环形支撑面的外径，d o 为螺栓孔直径。万方数据王名月等某称重仪传感器螺栓连接预紧力分析及优化设安装扭矩与预紧力之间的关系为丁=g d O p，由(4)式可得：K=批t a n 慨)+；五糊33(5)对于M 4
6、粗牙普通螺纹的钢制螺栓，螺旋升角1 f|=30 3 57，螺纹中径d 2=3 5 2 3 m m，螺纹副的当量摩擦角仍，=a r ct a n1 1 5 S 厂，其中摩擦因数厂通常为0 1,-O 2，螺栓孔直径d o 1 1 d，螺母环形支承面的外径1 5 d，螺母与支承面间的摩擦因数正=0 1 5，将上述参数代入式(4)整理后可得：T 0 2 6 2 Q p d(6)因此螺栓预紧力为：Q P 志(7)2 有限元分析2 1 局部结构精细楚模以某公司称重传感器为研究对象，该传感器是一个复杂精细的装配结构，在三维建模时，为确保计算的精确度，需对螺栓、簧片等重要结构进行精确建模，同时忽略工艺小孔等对局部结构变形影响较小的细节特征，并简化不必要的倒角、圆角等。图1 为局部分析结构的几何模型，从图中可以看出，该称重传感器主要由支架、杠杆、吊耳、簧片、螺栓及垫片等组成。为分析螺旋线几何特征引起的应力分布情况，利用螺栓公称直径d)4 m m、螺纹螺距0 7 r a m 以及牙根圆角半径等螺纹基本参数，构建了M 4 螺栓完整的螺旋螺纹结构，如图2 所示。一h将上述构建好的实体结构导入A N S Y S
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