连接部分的强度（销钉连接）

工程上经常需要把不同的构件连接在一起，起到固定、支撑、传递力量的作用。

常见的连接如榫卯连接，常用于家具制作和古建筑中，将构件加工成一凸（榫）一凹（卯）结构，再将构件利用凹凸特点进行嵌合组装（图1），形成浑然一体的整体结构。榫卯构件往往给人以结构稳固、造型精美的观感，以体现“天人合一”的哲学思想、代表精益求精的工匠精神，被认为是我国古代木作文化的瑰宝。

图1 榫卯举例：丁字榫（来源：网络）

对于金属构件，销钉（或螺钉）是最常见的一类连接方式，将需要连接的两个构件加工出孔，利用销钉同时穿过两个构件的孔，使其连接成为一个整体。例如挖掘机上的销钉连接，不仅把不同部件连接，同时也是挖掘机运动的“关节”。

图2  履带式挖掘机 （来源：网络）

无论是榫卯连接，还是销钉（螺钉）连接，由于其结构的特殊性，在设计连接时，其强度分析都是重要组成部分，若连接件强度估计不足将会造成断裂失效、或严重变形等工程问题，如图3所示。

图3 某工程现场挖掘机挖斗连接断裂事故（来源：网络）

为了便于分析，我们考虑图4所示的连接模型，假定部件B固定，部件A通过销钉与部件B相连，部件B通过销钉对部件A的作用力为F。试分析连接销钉的强度。

图4 连接模型——利用销钉将部件A和部件B相连

取销钉为研究对象，画销钉的受力图如图5(a)所示，图中红色虚线表示等效集中力，假定部件A、B与销钉之间的力均匀分布。

对于销钉，有两种可能的破坏形式：一是在1-1截面（或2-2截面）存在剪力Fs，如图5(b)，当剪力在该截面上产生的剪应力超过许用剪应力（也称为切应力），销钉将被剪断，我们称这种破坏为剪切破坏；二是在销钉和部件A、B的接触面上发生挤压，若销钉上的挤压应力超过了许用应力，销钉将被压“扁”，从而影响销钉的正常使用，导致连接失效，这种破坏被称为挤压破坏。

图5 销钉连接中销钉的受力分析图

工程应用中，既要保证销钉不被“剪”断，同时也不能被“挤”坏。因此需要同时满足剪切强度和挤压强度。

对于剪切破坏，假定截面上剪应力均匀分布，设截面积为A，则剪切强度条件可表示为

对于挤压破坏，在局部接触的圆柱面上，挤压应力分布如图5(c)所示，最大挤压应力发生在中部，设挤压力为，假设连接耳片长为，销钉直径为d，根据试验分析，最大挤压应力近似为

可见为圆柱面在相应径向面上的投影。挤压强度条件可表示为

榫卯连接虽然和销钉连接不同，但其在受力上类似。如图6所示管脚榫在横向载荷下，管脚处将产生挤压和剪切，同样需要使用公式(1)和(2)进行强度校核。

图6 管脚榫受横向载荷

下面我们通过一个例题来介绍连接部件的强度校核。

考虑图7所示铆钉（受力特点和销钉相同）连接部分，已知F=80kN,=10mm, b=80 mm, d=16mm, []=100MPa,

[]=300MPa, []= 160 Mpa。试校核该连接部件的强度。

图7 两块平板通过四个销钉连接在一起

首先，取其中一个部件做受力分析，如图8(a)所示，由于各铆钉的材料与直径均相同，且外力作用线在铆钉群剪切面上的投影，通过铆钉群剪切面形心，所以各铆钉剪切面上的剪力相等，每个铆钉承担F/4的力。

所以，代入剪切强度校核公式(1)，得

可见，满足剪切强度条件。再代入挤压强度条件(2)，得

同样，也满足挤压条件。此外，由于部件上开孔，还需要考虑连接部件开孔截面的强度，为此，将连接的两部分视为受拉的“杆件”，计算其轴力，如图8(b)所示。

图8 连接部件受力分析图

显然，1-1截面所受轴力最大，是危险截面；2-2截面虽然轴力有所减小，但其上开两个孔，截面面积也减小，因此，同样是危险截面；3-3截面与1-1截面相比，轴力小但截面面积与1-1截面相同，因此当1-1截面符合强度要求时，3-3截面一定也满足，校核了1-1截面就不再需要校核3-3截面。

按平均应力（去除孔后截面净面积）计算1-1截面和2-2截面应力（这是材料力学的简化分析方法），有

都小于许用应力，因此被连接的两个部件都满足强度条件。

可见，为了确保工程中连接部分的强度条件，首先要保证连接件的强度要求，如上例中的销钉，确保其满足剪切和挤压两方面的强度条件；此外，被连接部分由于开孔，也需要确保在开孔截面上满足强度条件。

-End-

免责声明：本文系网络转载或改编，仅供学习，交流所用，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删。