CN113624389B

CN113624389B - 一种螺栓拉力值计算尺机构及其使用方法

Info

Publication number: CN113624389B
Application number: CN202110903335.4A
Authority: CN
Inventors: 张月玲
Original assignee: Fuzhou College of Foreign Studies and Trade
Current assignee: Fuzhou College of Foreign Studies and Trade
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2041-08-06
Also published as: CN113624389A

Abstract

本发明涉及一种螺栓拉力值计算尺机构及其使用方法，变形轴与力轴垂直设置，螺栓刚度杆和被连接件刚度杆交叉分布且在交叉处通过铰接单元相连接，铰接单元分别与螺栓刚度杆和被连接件刚度杆滑动连接，螺栓刚度杆的下端与变形轴和力轴的交点处相铰接；被连接件刚度杆的下端与变形轴滑动配合；力值标尺竖直设置且分别与螺栓刚度杆和被连接件刚度杆交叉分布，力值标尺的下端与变形轴滑动配合，力值标尺用于各个交点的高度值，高度值对应力值。本发明设计合理，使用方便，直观性强，通过机构的运动模拟螺栓及被连接件受力变形的计算过程，既可以正求螺栓所受总拉力和残余预紧力，也可反求预紧力和螺栓及被连接件刚度。

Description

一种螺栓拉力值计算尺机构及其使用方法

技术领域：

本发明涉及一种螺栓拉力值计算尺机构及其使用方法。

背景技术：

螺栓连接广泛应用于各种机械设备、建筑构件、桥梁桁架等结构。螺栓连接受力分析计算是螺栓连接强度计算的依据，是工程设计重要内容之一。螺栓连接预紧后，螺栓受到预紧力F ₀作用，此时被连接件间压力亦为F ₀，如图1所示。当预紧后的螺栓连接受到工作拉力F作用后，螺栓拉力增大到F ₂（称为螺栓总拉力），被连接件间压力减小为F ₁（称为残余预紧力），如图2所示。螺栓总拉力F ₂大小和预紧力F ₀、工作拉力F以及螺栓拉伸刚度（以下简称螺栓刚度）C _b和被连接件压缩刚度（以下简称被连接件刚度）C _m有关。同样，残余预紧力F ₁也和这些参数有关。螺栓连接在这些因素耦合下达到受力平衡。螺栓连接受力分析目的就是求解螺栓及被连接件受力情况，也可反求螺栓和被连接件刚度值大小。

螺栓总拉力求解要结合螺栓刚度、被连接件刚度、预紧力和工作拉力进行。该求解方法为抽象的公式计算，不方便观察参数间相互影响的动态规律，也不方便反求预紧力和刚度值，更不方便动态调整相关参数。

发明内容：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种螺栓拉力值计算尺机构及其使用方法，不仅设计合理，而且使用方便，通过可动机构来模拟理论计算过程，把抽象的理论形象化、动态化，正求、反求同样便捷。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种螺栓拉力值计算尺机构，包括变形轴、力轴、螺栓刚度杆、被连接件刚度杆以及力值标尺，所述变形轴与力轴垂直设置，所述螺栓刚度杆和被连接件刚度杆交叉分布且在交叉处通过铰接单元相连接，所述铰接单元分别与螺栓刚度杆和被连接件刚度杆滑动连接，所述螺栓刚度杆的下端与变形轴和力轴的交点处相铰接；所述被连接件刚度杆的下端与变形轴滑动配合；所述力值标尺与力轴平行设置且分别与螺栓刚度杆和被连接件刚度杆交叉分布，力值标尺的下端与变形轴滑动配合，所述力值标尺表面标刻有力值刻度，所述力值标尺用于读取螺栓刚度杆和被连接件刚度杆交叉点对应的力值、力值标尺与被连接件刚度杆交叉处对应的力值、力值标尺与螺栓刚度杆交叉处对应的力值以及各交叉处之间标段对应的力值。

进一步的，所述变形轴与力轴的交点处固定有用于指示螺栓刚度的螺栓刚度标盘；所述被连接件刚度杆的下端与一预紧力调整滑块相铰接，所述预紧力调整滑块与变形轴沿横向滑动连接，预紧力调整滑块上固定有用于指示被连接件刚度的被连接件刚度标盘。

进一步的，所述螺栓刚度杆的下端开设有沿其轴线方向延伸的并以利于观察螺栓刚度标盘上刻度的第一观察槽孔；所述被连接件刚度杆的下端开设有沿其轴线方向延伸的并以利于观察被连接件刚度标盘上刻度的第二观察槽孔。

进一步的，螺栓连接预紧力为F ₀，螺栓结合面残余预紧力为F ₁，螺栓总拉力为F ₂，螺栓连接工作拉力为F，螺栓刚度杆与变形轴之间的夹角为θ _b，被连接件刚度杆与变形轴之间的夹角为θ _m，螺栓刚度为C _b，被连接件刚度为C _m，其中θ _b= tan^-1 C _b，θ _m= tan^-1 C _m，且各力之间满足如下关系：

，

，螺栓刚度杆和被连接件刚度杆交叉处的高度值为螺栓连接预紧力F ₀、力值标尺与被连接件刚度杆交叉处的高度值为螺栓结合面残余预紧力F ₁、力值标尺与螺栓刚度杆交叉处的高度值为螺栓总拉力F ₂。

进一步的，所述铰接单元包括中部相铰接的第一滑块和第二滑块，所述第一滑块与螺栓刚度杆滑动配合，所述第二滑块与被连接件刚度杆滑动配合，第二滑块远离第一滑块的一侧中部铰接有第三滑块，所述第三滑块的内部沿横向滑动连接有水平设置的预紧力值标杆，所述预紧力值标杆用于指示力值标尺上的刻度。

进一步的，所述力值标尺上滑动连接有指示滑块，所述指示滑块与预紧力值标杆固定连接，指示滑块的中部开设有以利于观察力值标尺上的力值刻度的观察窗口，预紧力值标杆对应的预紧力值可从该观察窗口读出。

进一步的，所述力值标尺的下端固定有标尺滑块，所述标尺滑块与变形轴滑动连接。

本发明采用的另外一种技术方案是：一种螺栓拉力值计算尺机构的使用方法，使用时，根据螺栓刚度C _b和被连接件刚度C _m大小，按照螺栓刚度标盘和被连接件刚度标盘上的刻度，调整螺栓刚度杆和被连接件刚度杆的角度；接着根据已知力的大小，调整被连接件刚度杆和力值标尺的左、右位置，最后通过力值标尺读取所需求取力的大小。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，使用方便，直观性强，通过机构的运动模拟螺栓及被连接件受力变形的计算过程，将抽象的理论计算可视化、动态化、便捷化；既可以求解螺栓总拉力、残余预紧力，也可以反求预紧力以及螺栓和被连接件的刚度；既可以用作教具，也可以直接应用于工程计算。

附图说明：

图1是螺栓连接受力示意图（预紧后）；

图2是螺栓连接受力示意图（加载后）；

图3是本发明实施例的构造示意图；

图4是本发明实施例中螺栓连接受力计算原理图。

图中：

1-变形轴；2-力轴；3-螺栓刚度杆；4-被连接件刚度杆；5-螺栓刚度标盘；6-被连接件刚度标盘；7-力值标尺；8-预紧力值标杆；9-预紧力调整滑块；10-第一滑块；11-第二滑块；12-第三滑块；13-标尺滑块；14-第一观察槽孔；15-第二观察槽孔；16-指示滑块；17-观察窗口；F ₀ -螺栓连接预紧力；F-螺栓连接工作拉力；F ₁ -接合面残余预紧力；F ₂ -螺栓总拉力。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “横向”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、 “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

根据机械学基本知识，对于图2所示受力状态螺栓连接，若螺栓刚度为C _b，被连接件刚度为C _m，螺栓连接预紧力为F ₀，工作拉力为F，则螺栓最大拉力F ₂、残余预紧力F ₁与F ₀、F之间满足图4所示几何关系。图中，θ _b = tan^-1 C _b，θ _m = tan^-1 C _m，且各力之间满足如下关系：

（1）；

（2）。

根据上述原理，如图3所示，本发明一种螺栓拉力值计算尺机构，包括变形轴1、力轴2、螺栓刚度杆3、被连接件刚度杆4、力值标尺7以及预紧力值标杆8，所述变形轴1与力轴2垂直设置且两者在交点处固定连接，形成L形的固定支架；变形轴1的方向即为螺栓和被连接件受力变形的方向，而力轴2的方向即为螺栓和被连接件的受力方向；所述螺栓刚度杆3和被连接件刚度杆4位于变形轴1与力轴2之间，螺栓刚度杆3和被连接件刚度杆4交叉分布且在交叉处通过铰接单元相连接，所述铰接单元分别与螺栓刚度杆3和被连接件刚度杆4滑动连接，所述螺栓刚度杆3的下端与变形轴1和力轴2的交点处相铰接；所述被连接件刚度杆4的下端与变形轴1滑动配合；所述力值标尺7竖直设置且分别与螺栓刚度杆3和被连接件刚度杆4交叉分布，力值标尺7的下端与变形轴1滑动配合，力值标尺7表面标刻有力值刻度；所述预紧力值标杆8用于指示力值标尺7上的力值刻度，所述力值标尺7用于读取螺栓刚度杆3和被连接件刚度杆4交叉处对应的预紧力值、力值标尺7与被连接件刚度杆4交叉处对应的力值、力值标尺7与螺栓刚度杆3交叉处对应的力值，以及各交叉处之间标段对应的力值。此时螺栓刚度杆3和被连接件刚度杆4交叉处对应的力值为螺栓连接预紧力F ₀、力值标尺7与被连接件刚度杆4交叉处对应的力值为螺栓结合面残余预紧力F ₁、力值标尺7与螺栓刚度杆3交叉处对应的力值为螺栓总拉力F ₂。

本实施例中，所述变形轴1与力轴2的交点处固定有用于指示螺栓刚度的螺栓刚度标盘5，所述螺栓刚度标盘5呈扇形，其表面设有弧状分布的刚度值刻度。为了观察、调整方便，所述螺栓刚度杆的下端开设有沿其轴线方向延伸的并以利于观察螺栓刚度标盘上刻度的第一观察槽孔。

本实施例中，所述被连接件刚度杆4的下端与一预紧力调整滑块9相铰接，所述预紧力调整滑块9与变形轴1沿横向滑动连接，预紧力调整滑块9与变形轴1形成左、右移动的移动副，预紧力调整滑块9可沿变形轴方向左右移动。当预紧力调节滑块9左右移动时，螺栓刚度杆3与被连接件刚度杆4的交叉点相应上下移动，交叉点的高度坐标即为预紧力F ₀数值，可根据预紧力F ₀大小来调整预紧力调整滑块9的左右位置。

本实施例中，所述预紧力调整滑块9上固定有用于指示被连接件刚度的被连接件刚度标盘6，所述被连接件刚度标盘6呈扇形，其表面设有弧状分布的刚度值刻度。为了观察、调整方便，所述被连接件刚度杆的下端开设有沿其轴线方向延伸的并以利于观察被连接件刚度标盘上刻度的第二观察槽孔。

本实施例中，所述铰接单元包括中部相铰接的第一滑块10和第二滑块11，所述螺栓刚度杆3滑动贯穿第一滑块10，两者形成移动副，即第一滑块10可沿着螺栓刚度杆3滑动；所述被连接件刚度杆4滑动贯穿第二滑块11，两者形成移动副，即第二滑块11可沿着被连接件刚度杆4滑动。当预紧力调节滑块沿着变形轴左右移动时，螺栓刚度杆3与被连接件刚度杆4的交叉点相应上下移动，交叉点的高度值即为预紧力值。

本实施例中，所述第二滑块11远离第一滑块的一侧中部铰接有第三滑块12，所述第三滑块12的内部沿横向滑动连接有水平设置的预紧力值标杆8，所述预紧力值标杆8用于指示力值标尺7上的力值刻度。

本实施例中，所述力值标尺7上滑动连接有指示滑块16，所述指示滑块16与预紧力值标杆8固定连接，指示滑块16的中部开设有以利于观察力值标尺7上的力值刻度的观察窗口17。使用时，指示滑块沿着力值标尺滑动，通过观察窗口观察预紧力值标杆对应的刻度，即可快速读取力值标尺的刻度。

本实施例中，所述力值标尺7的下端固定有标尺滑块13，所述标尺滑块13与变形轴1滑动连接，标尺滑块13与变形轴形成左、右移动的移动副，标尺滑块13可沿变形轴方向左右移动，进而实行调整力值标尺7的左右位置。

本实施例中，螺栓刚度杆3与变形轴1的夹角θ _b大小对应螺栓刚度值C _b，透过螺栓刚度杆3上的第一观察槽孔，可以观察到螺栓刚度标盘5上的刚度刻度值，需根据螺栓刚度大小来调整螺栓刚度杆3的角度。被连接件刚度杆4与变形轴1夹角θ _m大小对应被连接件刚度值C _m，透过被连接件刚度杆4上的第二观察槽孔，可以观察到被连接件刚度标盘6上的刚度刻度值，需根据被连接件刚度大小来调整被连接件刚度杆4的角度。

本实施例中，垂直分布的变形轴1（X轴）与力轴2（Y轴）形成平面坐标系，变形轴1的方向表示螺栓和被连接件变形方向，而力轴2的方向表示螺栓和被连接件受力方向。而交叉分布的螺栓刚度杆3和被连接件刚度杆4设置在该平面坐标系内，螺栓刚度杆3代表螺栓受力变形曲线、被连接件刚度杆4代表被连接件受力变形曲线，螺栓刚度杆3的下端与变形轴1和力轴2的交点处（即坐标系的原点）相铰接，此时螺栓刚度杆3可绕着该原点在变形轴1和力轴2之间转动，而被连接件刚度杆4通过预紧力调整滑块9与变形轴1组成移动副，预紧力调整滑块9可带动被连接件刚度杆4沿着变形轴1左、右移动。螺栓刚度杆3与被连接件刚度杆4通过铰接单元实现连接，当预紧力调整滑块9左右移动时，螺栓刚度杆3与被连接件刚度杆4的交点相应上下移动，交点的高度坐标通过预紧力值标杆8对应到力值标尺7上的刻度，即为预紧力F ₀数值，需根据预紧力F ₀大小来左、右调整预紧力调整滑块9和被连接件刚度杆的位置。具体实施过程如下：

记：力值标尺7与被连接件刚度杆4、预紧力值标杆8和螺栓刚度杆3的交点分别为A、B、C，变形轴1与力轴2的交点为O ₁，力值标尺7与标尺滑块8的连接点与变形轴1的轴线重合并记为O ₂，被连接件刚度杆4与预紧力调整滑块9的铰接点为O ₃，螺栓连接预紧力为F ₀，螺栓结合面残余预紧力为F ₁，螺栓总拉力为F ₂，螺栓连接工作拉力为F，螺栓刚度杆与变形轴之间的夹角为θ _b，被连接件刚度杆与变形轴之间的夹角为θ _m，螺栓刚度为C _b，被连接件刚度为C _m，通过上述关系式：θ _b= tan^-1 C _b，θ _m= tan^-1 C _m，

，

可知，预紧力F ₀ = O ₂ B；工作拉力F = AC；总拉力F ₂ = O ₂ C；残余预紧力F ₁ = O ₂ A。各力值可从力值标尺7上的刻度直接读出。反之，可根据力值大小来确定力值标尺7的左右位置。使用时，根据螺栓刚度C _b和被连接件刚度C _m大小，按照螺栓刚度标盘和被连接件刚度标盘上的刻度，调整螺栓刚度杆3和被连接件刚度杆4的角度；接着根据已知力的大小，调整被连接件刚度杆4和力值标尺7的左、右位置，最后通过力值标尺7读取所需求取力的大小。

实施例1：

已知：螺栓刚度C _b、被连接件刚度C _m、预紧力F ₀、工作拉力F。求：螺栓最大拉力F ₂和残余预紧力F ₁；

使用方法包含如下步骤：

1）根据螺栓刚度C _b和被连接件刚度C _m大小，按照螺栓刚度标盘5和被连接件刚度标盘6上的刻度，调整螺栓刚度杆3与变形轴1之间的角度θ _b，以及被连接件刚度杆4与变形轴1之间的角度θ _m；

2）根据预紧力F ₀大小，在保持被连接件刚度杆4的角度θ _m不变的情况下，左、右调整预紧力调整滑块9的位置，使O ₂ B = F ₀；

3）根据工作拉力F大小，调整力值标尺7的左右位置，使AC长度为F；

4）读数：螺栓最大拉力F ₂ = O ₂ C，残余预紧力F ₁= O ₂ A。

实施例2：

已知：螺栓刚度C _b、被连接件刚度C _m、残余预紧力F ₁、工作拉力F。求：预紧力F ₀大小；

使用方法包含如下步骤：

1）根据螺栓刚度C _b和被连接件刚度C _m大小，按照螺栓刚度标盘5和被连接件刚度标盘6上的刻度，调整螺栓刚度杆3与变形轴之间的角度θ _b，以及被连接件刚度杆4与变形轴之间的角度θ _m；

2）根据残余预紧力F ₁和工作拉力F的值，左、右调整力值标尺的位置；

3）根据残余预紧力F ₁的值，调整预紧力调整滑块9的位置，使得O ₂ A = F ₁；

4）读数：螺栓预紧力F ₀ = O ₂ B。

应说明的是，本发明只需把机构中螺栓刚度杆和被连接件刚度杆拨到相应角度，并设定好预紧力和工作拉力，即可在力值标尺中直接读出螺栓总拉力值，也可同时读出残余预紧力值。反之，也可以先设定螺栓总拉力值和残余预紧力值，反求预紧力、螺栓和被连接件刚度。该机构实现了计算过程的手动化、可视化，非常直观、方便，反求逆算也更方便，可直接用于工程计算，也可用于教学演示。

本发明的优点在于：该计算尺机构简便易行，直观性强，可以用作教具，用来演示螺栓受力时各参数对应关系，也可以直接应用于工程计算，用来求解螺栓最大拉力，或者反求螺栓及被连接件刚度。该计算尺机构精度高，满足工程计算需要。同时搭建了可动机构，通过机构的运动模拟螺栓及被连接件受力变形的计算过程，将抽象的理论计算可视化、便捷化。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种螺栓拉力值计算尺机构，其特征在于：包括变形轴、力轴、螺栓刚度杆、被连接件刚度杆以及力值标尺，所述变形轴与力轴垂直设置，所述螺栓刚度杆和被连接件刚度杆交叉分布且在交叉处通过铰接单元相连接，所述铰接单元分别与螺栓刚度杆和被连接件刚度杆滑动连接，所述螺栓刚度杆的下端与变形轴和力轴的交点处相铰接；所述被连接件刚度杆的下端与变形轴滑动配合；所述力值标尺与力轴平行设置且分别与螺栓刚度杆和被连接件刚度杆交叉分布，力值标尺的下端与变形轴滑动配合，所述力值标尺表面标刻有力值刻度，所述力值标尺用于读取螺栓刚度杆和被连接件刚度杆交叉点对应的力值、力值标尺与被连接件刚度杆交叉处对应的力值、力值标尺与螺栓刚度杆交叉处对应的力值；

所述变形轴与力轴的交点处固定有用于指示螺栓刚度的螺栓刚度标盘；所述被连接件刚度杆的下端与一预紧力调整滑块相铰接，所述预紧力调整滑块与变形轴沿横向滑动连接，预紧力调整滑块上固定有用于指示被连接件刚度的被连接件刚度标盘；

螺栓连接预紧力为F ₀，螺栓结合面残余预紧力为F ₁，螺栓总拉力为F ₂，螺栓连接工作拉力为F，螺栓刚度杆与变形轴之间的夹角为θ _b，被连接件刚度杆与变形轴之间的夹角为θ _m，螺栓刚度为C _b，被连接件刚度为C _m，其中θ _b= tan^-1 C _b，θ _m= tan^-1 C _m，且各力之间满足如下关系：

，

2.根据权利要求1所述的一种螺栓拉力值计算尺机构，其特征在于：所述螺栓刚度杆的下端开设有沿其轴线方向延伸的并以利于观察螺栓刚度标盘上刻度的第一观察槽孔；所述被连接件刚度杆的下端开设有沿其轴线方向延伸的并以利于观察被连接件刚度标盘上刻度的第二观察槽孔。

3.根据权利要求1所述的一种螺栓拉力值计算尺机构，其特征在于：所述铰接单元包括中部相铰接的第一滑块和第二滑块，所述第一滑块与螺栓刚度杆滑动配合，所述第二滑块与被连接件刚度杆滑动配合，第二滑块远离第一滑块的一侧中部铰接有第三滑块，所述第三滑块的内部沿横向滑动连接有水平设置的预紧力值标杆，所述预紧力值标杆用于指示力值标尺上的刻度。

4.根据权利要求3所述的一种螺栓拉力值计算尺机构，其特征在于：所述力值标尺上滑动连接有指示滑块，所述指示滑块与预紧力值标杆固定连接，指示滑块的中部开设有以利于观察力值标尺上的力值刻度的观察窗口，预紧力值标杆对应的预紧力值可从该观察窗口读出。

5.根据权利要求1所述的一种螺栓拉力值计算尺机构，其特征在于：所述力值标尺的下端固定有标尺滑块，所述标尺滑块与变形轴滑动连接。

6.一种螺栓拉力值计算尺机构的使用方法，其特征在于：包括采用如权利要求1～5中任意一项所述的一种螺栓拉力值计算尺机构，使用时，根据螺栓刚度C _b和被连接件刚度C _m大小，按照螺栓刚度标盘和被连接件刚度标盘上的刻度，调整螺栓刚度杆和被连接件刚度杆的角度；接着根据已知力的大小，调整被连接件刚度杆和力值标尺的左、右位置，最后通过力值标尺读取所需求取力的大小。