第三章 螺纹连接

机械设计
第一节 概述 第二节 螺纹连接的类型与结构 第三节 螺纹连接的预紧和防松 第四节 单个螺栓的强度计算 第五节 螺栓组连接受力分析 第六节 提高螺栓强度的措施
第三章
螺纹连接
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第一节 概
一、螺纹的基本参数 （1）大径 d（D） ） （ ） 与外螺纹牙顶或内螺 纹牙底相重合的假想圆柱 面直径， 面直径，在标准中定为公 称直径。 称直径。
5.自攻螺钉 (由螺钉攻出螺纹 自攻螺钉 由螺钉攻出螺纹)
7.圆螺母 止动垫圈 圆螺母+止动垫圈 圆螺母
6.螺母 螺母 8.垫 圈 垫
三、螺纹连接零件常用材料和机械性能
1.常用材料 1.常用材料 一般工况：为中低碳钢 为中低碳钢， 一般工况 为中低碳钢，如Q215、 Q235、10、 、 、 、 15、35和45钢等。 钢等。 、 和 钢等 变载荷或有冲击、振动的重要连接中：合金钢， 变载荷或有冲击、振动的重要连接中：合金钢，如 40Gr、15MnVB和30CrMnSi等。 、 和 等 2.机械性能等级 2.机械性能等级 国家标准规定螺纹连接件按材料的机械性能分级。 国家标准规定螺纹连接件按材料的机械性能分级。 螺栓、螺柱、螺钉的机械性能等级分为十级， 螺栓、螺柱、螺钉的机械性能等级分为十级，自3.6 螺母的性能等级分为七级， 至12.9 ；螺母的性能等级分为七级，从4到12。 到 。
4.梯形螺纹 梯形螺纹
牙型为等腰梯形， 牙型为等腰梯形，牙型角 α = 55o , 矩形螺纹相比，传动效率略低， 与 矩形螺纹相比，传动效率略低，但 工 艺 性好，牙根强度高，对中性好， 性好，牙根强度高，对中性好， 是 应用 较广的传动螺纹 。
5.锯齿形螺纹 牙型为不等腰梯形，工作面的牙型半 锯齿形螺纹 牙型为不等腰梯形， 角为3° 非工作面的牙型半角为 非工作面的牙型半角为30° 角为 °,非工作面的牙型半角为 °, 它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹 牙根强度高的特点。 牙根强度高的特点。用于单向受力的 传力螺旋中，如螺旋压力机。 传力螺旋中，如螺旋压力机。
测力矩板手： 测力矩板手：测出预紧力矩
定力矩板手：达到固定的拧紧力矩 时 定力矩板手：达到固定的拧紧力矩T时， 弹簧受压将自动打滑。 弹簧受压将自动打滑。
拧紧力矩: 拧紧力矩
3 3 F ′ f c D0 d 0 d2 T1 = F ′ tan(λ + ρ v ) T2 = 2 2 3 D0 d 02
W2 Fπd 2 tan λ FS tan λ η= = = = W 1 2πT Fπd 2 tan(λ + ρ v ) tan(λ + ρ v )
3.螺纹的自锁 螺纹的自锁
F sin λ ≤ fN = f v F cosλ = F cosλ tan ρv
λ ≤ ρv
第二节 螺纹连接的类型与结构
一、螺纹连接主要类型 1.螺栓连接 螺栓连接 (a) 普通螺栓连接 被连接件 普通螺栓连接—被连接件 上开有通孔，通孔不带螺纹， 上开有通孔，通孔不带螺纹，装配 后孔与杆间有间隙。结构简单， 后孔与杆间有间隙。结构简单，装 拆方便，应用较广。 拆方便，应用较广。 (b) 铰制孔用螺栓连接 装配后 铰制孔用螺栓连接—装配后 无间隙，主要承受横向载荷， 无间隙，主要承受横向载荷，也可作 定位用。 定位用。孔和螺栓杆间采用基孔制过 渡配合(H7 m6、H7／n6)。 (H7／ 渡配合(H7／m6、H7／n6)。
3 3 1 2 D0 d 0 T = F ′d 2 tan(λ + ρ v ) + f c 2 2 3 D0 d 02
扳手拧紧力矩: 扳手拧紧力矩 T=FL 拧紧时螺母： 拧紧时螺母：T=T1+T2
3 1 d2 2 f c D02 d 0 令 K = [ tan(λ + ρ v ) + ( 2 )] 2 2 d 3d D0 d 0
第四节 单个螺栓的强度计算
受载形式 轴向受拉和横向受剪 受力性质 静载荷和变载荷
失效形式（工程中螺栓联接 为疲劳失效） 失效形式（工程中螺栓联接90%为疲劳失效） 为疲劳失效 静载荷：螺纹部分发生塑性变形或断裂 静载荷： 受拉螺栓 变载荷：疲劳断裂。 变载荷：疲劳断裂。失效部位 螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断。 受剪螺栓 螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断。 设计计算准则 受拉螺栓：疲劳拉伸强度和静强度合格。 受拉螺栓：疲劳拉伸强度和静强度合格。 受剪螺栓： 受剪螺栓：挤压强度和剪切强度合格 。
Ft = F tan(λ ρ )
对于牙型角 α 不等于零的三角形螺纹和梯形螺纹等
拧紧螺母时 Ft = F tan(λ + ρ v )
f fv = cos β
ρ v = arctan f v
松退螺母时
1 T = F tan(λ + ρ v )d 2 2
Ft = F tan(λ ρ v )
2.螺纹传动的效率 螺纹传动的效率 旋转螺母一周所作的功为 W = 2πT 1 有效功为 W = FS 2 螺纹传动的效率为
5.特殊连接 特殊连接
地脚螺栓连接
吊环螺钉连接
T型槽螺栓连接 型槽螺栓连接
二、标准螺纹连接件 1.六角头螺栓 六角头螺栓 六角头 2.双头螺柱 双头螺柱
3. 螺 钉
A型——有退刀槽 型 有退刀槽 B型——无退刀槽 型 无退刀槽
4.紧定螺钉 紧定螺钉 适于零件表面硬度较低不常拆卸的场合。 锥 端: 适于零件表面硬度较低不常拆卸的场合。 接触面积大、不伤零件表面， 平 端: 接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度 较大的平面，适于经常拆卸的场合。 较大的平面，适于经常拆卸的场合。 圆柱端: 圆柱端 压入轴上 凹抗中， 凹抗中，适于 紧定空心轴上 零件的位置轻 材料和金属薄 板。
公称直径相同时，按螺距 的大 公称直径相同时，按螺距P的大 小分为粗牙和细牙两种。细牙螺纹的螺距小， 小分为粗牙和细牙两种。细牙螺纹的螺距小，自锁性 适于薄壁细小零件和冲击变载等。 好，适于薄壁细小零件和冲击变载等。
2.圆柱管螺纹 英制细牙三角形螺纹，牙型角 α = 55o ， 圆柱管螺纹 英制细牙三角形螺纹， 牙顶有较大圆角， 牙顶有较大圆角，内外螺纹旋合后无径 向间隙。公称直径近似为管子内径， 向间隙。公称直径近似为管子内径，紧 密性好。多用于压力为1.568MPa以下 密性好。多用于压力为 以下 的水、煤气管道、润滑和电线管路系统。 的水、煤气管道、润滑和电线管路系统。 3.矩形螺纹 3.矩形螺纹 牙型为正方形，牙型角为0°，所以当 牙型为正方形，牙型角为 ° 量摩擦角小，效率高。但牙根强度差， 量摩擦角小，效率高。但牙根强度差， 磨损后无法补偿间隙，定心性能差。 磨损后无法补偿间隙，定心性能差。矩 形螺纹尚未标准化，很少采用， 形螺纹尚未标准化，很少采用，目前已 逐渐被梯形螺纹所代替。 逐渐被梯形螺纹所代替。
螺钉直接拧人被连接件之一的螺 纹孔内，不用螺母。 纹孔内，不用螺母。用途和双头 螺柱连接相似， 螺柱连接相似，但不适合经常装 否则易使螺纹孔磨损。 拆，否则易使螺纹孔磨损。
4.紧定螺钉连接 紧定螺钉连接 拧入后， 拧入后，利用末端顶住另一零件表面或旋入零件相 应的缺口中以固定零件的相对位置。 应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的 轴向力或转矩。 轴向力或转矩。
（4）螺 距 p ）
（10）工作高度 h ）
内、外螺纹的径向接触高度。 外螺纹的径向接触高度。
（11）螺纹升角 λ 中径圆柱面上螺旋线的切线与垂 ） 直于螺旋线轴线的平面的夹角。 直于螺旋线轴线的平面的夹角。
S nP tanλ = = πd 2 πd 2
。
二、螺纹的种类、特点及应用 螺纹的种类、
对于常用M10-M68粗牙普通钢制螺纹 粗牙普通钢制螺纹 对于常用
K≈0.2
T ≈ 0.2F ′d
二、螺纹连接的防松 1 . 防松目的 防止实际工作中，在冲击、 防止实际工作中 ， 在冲击 、 振动或变载荷的作用 螺纹副间的摩擦力可能减小或瞬时消失， 下 ， 螺纹副间的摩擦力可能减小或瞬时消失 ， 从而使 螺纹联接松动。 螺纹联接松动。 2 . 防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对转动。 消除（或限制）螺纹副之间的相对转动。 3 . 防松办法 摩擦防松 机械防松 破坏螺纹副关系
按牙型可将螺纹分为普通螺纹、管螺纹、 按牙型可将螺纹分为普通螺纹、管螺纹、 矩形 螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。三角形螺纹、 螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。三角形螺纹、管螺 纹用于连接，其他用于传动。 纹用于连接，其他用于传动。 1.普通螺纹 普通螺纹 应用最广，是米制三角形螺纹， 应用最广，是米制三角形螺纹，牙型角 o 当量摩擦角大， α = 60 ，当量摩擦角大，自锁 性能好，主要用于连接。 性能好，主要用于连接。
σB ／100
10
σS σB
F′
第三节 螺纹连接的预紧和防松
一、螺纹连接的预紧 预紧：在装配时拧紧，即在承载时， 预紧：在装配时拧紧，即在承载时，已预先受预 紧力 F ′ 。 目的： 增强连接的可靠性和紧密性， 目的： 增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后 被连接件间出现缝隙或发生相对滑移； 被连接件间出现缝隙或发生相对滑移；增加 联接刚度，提高防松能力； 联接刚度，提高防松能力；适当选用较大的 预紧力可提高螺纹连接件的疲劳强度。 预紧力可提高螺纹连接件的疲劳强度。 预紧力控制： 预紧力控制： 通常通过控制拧紧力矩等方法来控制 预紧力的大小。 预紧力的大小。用测力矩扳手或定力矩扳手 可控制拧紧力矩。 可控制拧紧力矩。
三、螺纹副的受力分析、自锁和效率 螺纹副的受力分析、 1.螺纹副中轴向力与圆周力的关系 螺纹副中轴向力与圆周力的关系
拧紧螺母
拧紧螺母受力图和 拧紧螺母受力图和力的封闭三角形
Ft = F tan(λ + ρ )
1 T = F tan(λ + ρ )d 2 2
松退螺母