机械设计 第四章 螺 纹 连 接 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 第四章 螺 纹 连 接

§4—1 概述 一、螺纹的形成 将一直角三角形abc绕在直径为d2的圆柱表面上，使三角形底边ab与圆柱体的底边重合，则三角形的斜边amc在圆柱体表面形成一条螺旋线am1c1。三角形abc的斜边与底边的夹角ψ，称为螺纹升角。若取一平面图形，使其平面始终通过圆柱体的轴线并沿着螺旋线运动，则这平面图形在空间形成一个螺旋形体，称为螺纹。

二、螺纹的主要参数 1）外径（大径）d（D）——与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱 面直径，亦称公称直径 面直径（危险剖面直径） 3）中径d2 —— 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱 面的直径，d2≈0.5(d+d1)

4）螺 距 P ——相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间 的轴向距离 5）导程（S）——同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面母线 上的对应两点间的轴向距离 6）线 数 n ——螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n≤4 螺距、导程、线数之间关系：S =nP

线数n 单线螺纹 双线螺纹

螺距P和导程S 导程S=P×n 螺距P 螺距P 导程S

7）螺旋升角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 8）牙型角α ——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角 9）牙型斜角β——螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角

三 螺纹的类型 螺纹分为内螺纹和外螺纹，二者共同组成螺纹副用于联接和传动。 左旋螺纹和右旋螺纹 单线螺纹和多线螺纹 螺纹的牙型 三角形 矩形 有普通三角螺纹和管螺纹，普通三角螺纹的牙型角为60°,又可分为粗牙螺纹和细牙螺纹,粗牙螺纹用于一般联接，细牙螺纹在相同公称直径时,螺距小,螺纹深度浅,导程和升角也小，自锁性能好，适合用于薄壁零件和微调装置。管螺纹属英制细牙三角形螺纹。多用于有紧密性要求的管件联接，牙型角为55° 三角形 矩形 梯形 锯齿形 牙型角为0°，传动效率高，但齿根强度较低，适用于作传动螺纹 牙型角为30°，是应用最广泛的一种传动螺纹 两侧牙型斜角分别为β＝3°和β‘＝30°。前者的侧面用来承受 载荷，可得到较高效率；后者的侧面用来增加牙根强度。适用于 单向受载的传动螺旋

§4—２ 螺纹联接的类型与结构 螺纹连接是利用螺纹连接件将被连接件连接起来而构成的一种可拆连接，在机械中应用较广。它的结构简单、工作可靠、装拆方便。螺纹连接的类型很多，设计时可根据装拆的次数、被连接件的厚度和强度以及机构的尺寸等具体条件来选用。常用的有四种基本类型：螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和紧钉螺钉连接。

一、螺纹联接主要类型 1、螺栓联接 a) 普通螺栓联接 被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多次装拆，应用较广。 b) 铰制孔用螺栓联接 装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制孔螺栓联接

2、双头螺栓联接 螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被联接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。 3、螺钉联接 适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况

　 4、紧定螺钉联接——紧钉螺钉是用其端部紧压在被连接件的表面、或顶入相应的小孔、坑中，使得两个被连接件之间不能产生相对运动。所以，紧钉螺钉连接用于固定两个被连接件的相对位置。 拧入后，利用杆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。可传递不大的轴向力或扭矩。 　在工程应用中，紧钉螺钉连接大多用于轮毂与轴之间的固定。通常在轴上加工出小锥坑，如图所示；在轮的轮毂上加工出螺纹孔。在连接的时候，将轮套在轴上，再将紧钉螺钉拧入轮毂上的螺纹孔内，并用其锥形端部紧压在轴上的小锥坑内，从而使得轮毂与轴之间不能产生相对运动，固定了两者的相对位置。

特殊联接：地脚螺栓联接 , 吊环螺钉联接

二、螺纹联接件 件，又称为螺纹紧固件。螺纹连接的类型很多，在工程实际中， 常用的螺纹紧固件有螺栓、双头螺柱、螺钉、紧钉螺钉、螺母 　　螺纹连接件指的是通过螺纹旋合起到紧固、连接作用的零 件，又称为螺纹紧固件。螺纹连接的类型很多，在工程实际中， 常用的螺纹紧固件有螺栓、双头螺柱、螺钉、紧钉螺钉、螺母 和垫圈等。这些零件大都已经标准化，设计时应根据螺纹的公 称直径，从相关的标准中选用。 1）螺栓 普通螺栓 铰制孔螺栓

直接拧入被连接件螺纹孔内的一端，称为座端，一般为螺纹长度较短的一端。另一端称为紧固端或螺母端。 2）双头螺柱——两端带螺纹 A型——有退刀槽 B型——无退刀槽 直接拧入被连接件螺纹孔内的一端，称为座端，一般为螺纹长度较短的一端。另一端称为紧固端或螺母端。

3）螺钉 与螺栓区别——要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹 4）紧定螺钉 ：端部形状有 锥 端——适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 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 圆柱端——压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置轻材料和金属薄板 螺栓、螺柱、螺钉 紧定螺钉

５）螺母 　　 根据六角螺母厚度的不同，又有标 准、厚、薄等三种。薄螺母用于尺 寸受到限制的场合，厚螺母用于经 常拆卸、易于磨损之处。 圆螺母用于轴上零件的轴向固定， 在圆螺母的外圆表面上，开有对 称的四个槽，圆螺母常与止动垫 圈配合使用，作为滚动轴承的轴 向定位。 六角螺母 圆螺母+止退垫圈——带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧 圆形螺母

它的作用是增加被连接件的支承面积，以减少接触处的压强，避 免拧紧螺母时划伤被连接件的表面． ６）垫圈 垫圈是螺纹连接中不可缺少的零件，位于螺母和被连接件之间。 它的作用是增加被连接件的支承面积，以减少接触处的压强，避 免拧紧螺母时划伤被连接件的表面． 普通垫圈有平垫圈和斜垫圈两种，平垫圈呈环状，斜垫圈只用 于倾斜的支承面。 常用的具有防松作用的垫圈有止动垫圈和弹簧垫圈。 止动垫圈为圆螺母专用，在止动垫圈的外圆上有六个凸起的 外翅，内圆上有一个凸起的内翅。 弹簧垫圈是一个开有斜口、形状扭曲并具有弹性的垫圈。

７）止动垫片 止动垫片也有防松作用，按其形状可分为单耳止动垫片和双耳 止动垫片。 螺纹联接件精度： A:精度最高，用于要求配 合精度高，防止振动的重 要联接 B:用于受载较大且经常装 拆调整或承受变载荷的联接 C:一般联接，最常用。

一、预紧 §4—3 螺纹联接的预紧和防松 在实际应用中，绝大多数的连接在装配时都必须拧紧， 使连接件在承受工作载荷之前，预先受到力的作用。 §4—3 螺纹联接的预紧和防松 一、预紧 在实际应用中，绝大多数的连接在装配时都必须拧紧， 使连接件在承受工作载荷之前，预先受到力的作用。 螺纹联接：松联接——在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用 紧联接——在装配时需拧紧，即在承载时，螺栓已预先受力，预紧力F0 预紧目的——增加联接的可靠性与紧密性，防止受载后被联接件间出现缝隙与相对滑移。保持正常工作。 预紧力F0——预先轴向作用力（拉力），预紧力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和紧密性都有很大的影响． 预紧过紧——拧紧力F0过大，可能使连接过载，甚至断裂破坏。 过松——拧紧力F0过小，在承受工作载荷之后，被连接件　　　　　　之间可能会出现缝隙，或者发生相对位移。

预紧力的大小可以根据爆栓的受力情况和连接时工作要求来决定， 通过拧紧螺母时产生的拧紧力矩来控制。 扳手拧紧力矩：T∑=T1+Tf T∑——拧紧力矩 T1——螺纹摩擦阻力矩 Tf——螺母端环形面与被联接件间的摩擦力矩 对于M10---68粗牙普通螺纹： T≈0.2F0d　　　　F0－初拉力 d－螺栓的公称直径　　

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，如右图 预紧力F0的控制： 　　　　　　　测力矩板手——测出预紧力矩，如左图 　　　　　　　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，如右图 重要联结若不能严格控制预紧力，而只靠安装经验来拧紧螺栓时，为避免螺栓拉断，通常不宜采用小于M12的螺栓，一般采用M12-M24的螺栓

二、螺纹防松 (1)、防松目的 实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故 (2)、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。 (3)、防松办法及措施 1）摩擦防松 原理是：在螺纹副中产生正压 力，以形成阻止螺纹副相对转 动的摩擦力。适用于机械外部 静止构件的连接以及防松要求 不严格的场合。

双螺母、弹簧垫圈等 双螺母 弹簧垫圈 这种防松方法的结构简单，适用于低速、 重载的场合，但是连接的外廓尺寸较大． 弹簧垫圈上的切口是一个倾斜的切口，其倾斜 的方向应与螺栓上螺纹的旋向反。一般来说， 螺栓上的螺纹为右旋，则弹簧垫圈上斜口的斜 向相当于左旋 2）机械防松： 机械方法防松是采用各种专用的止动元件来限制相对转动。这种防松方法可靠，但装拆麻烦，适用的连接，以及防松要求较高的场合。 开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，弹簧垫片，轴用带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等

圆螺母 与止动垫圈 开槽螺母 与开口销 串联钢丝 3）永久防松：端铆、冲点、点焊 4）化学防松——粘合 防松

§4-4 螺纹联接设计 螺纹联接设计包括参数设计和结构设计 一、受力分析 §4-4 螺纹联接设计 螺纹联接设计包括参数设计和结构设计 一、受力分析 拧紧螺母时，可看作推动重物沿螺纹表面运动。将螺纹沿中径处展开，滑块代表螺母，螺母和螺杆间的运动可视为滑块在斜面上运动。 　根据力的平衡条件可得： 　　旋紧螺母时作用在螺纹中径上的水平推力(圆周力)： 　转动螺纹需要的转矩为： 　 螺母等速松退时相当于滑块沿斜面等速下滑，由力的封闭三角形，得松开螺母时的圆周力为： 若λ≤ρv，则F≤0，这时必须加一反向作用力F才会使滑块下滑，若不加外力，则不论Q有多大，滑块也不会下滑，这种现象叫"自锁" . 自锁条件为： 　　三角形螺纹升角λ小、当量摩擦系数 ρν大，自锁性好，主要用于联接； 　　其余三种螺纹用于传动。为提高传动效率，线数要尽可能地多一些，但线数过多，加工困难，所以，常用的线数为2～3，最多到4。

二、参数设计 1、松螺栓联接 2、紧螺栓联接 T1= 松螺栓联接是指装配时螺母不被拧紧，螺栓不受预紧力 及螺纹间摩擦力矩的作用。这种联接只受工作拉力的作用， 即螺栓所受的总拉力就是工作拉力 F，如图所示的起重机吊 钩的螺栓联接。 2、紧螺栓联接 (1)只受预紧力作用的紧螺栓联接 　 这种联接靠螺栓旋紧后使被联接件接合面之间产生正压力进而产生摩擦力来抵抗 横向外载荷R，通常采用普通螺栓，如图所示。螺栓受因旋紧螺母而产生的预紧力 F’ 和螺纹副间的阻力矩 的作用，其中 T1=

要使联接的接合面不产生滑移，若每个螺栓的受载相同，则必须 每个螺栓的所需的预紧力为 z  为螺栓个数 m为接合面对数； μ为接合面间的摩擦系数 Kf为考虑摩擦传力的可靠性系数 常取    Kf    =1.1～1.3。 F’ 和T1分别使螺栓产生拉应力和剪应力，对于M10～M68的普通螺栓，摩擦力矩的作用 相当于使拉伸载荷F' 增大30%,可求出螺栓的当量拉力为： 　(2)受预紧力和轴向工作载荷作用的紧螺栓联接 这类联接在拧紧后还要承受轴向载荷F，由于弹性变形的影响，螺栓所受的总拉力 F0并不等于预紧力F‘ 和工作拉力F 之和，还与螺栓的刚度 C1、被联接刚度C2 等因素有关。 这类螺栓也常用普通螺栓联接。 单个螺栓联接的受力变形图: 图a为螺母刚好拧到与被联接件接触，此时螺栓与被联接件未受力，也不产生变形。 图b是螺母已拧紧，但尚未承受工作拉力，螺栓仅受预紧力F‘ 的作用 此时，螺栓产生伸长量 δ1，被联接件产生压缩量δ2 。但 δ1≠δ2 ，因为C 1≠C2 图c是螺栓受轴向工作载荷  F后的情况。 这时，螺栓拉力增大到 F0 ，拉力增量为  F0 －F′ ，伸长增量为△δ1；

｝ 被联接件由于螺栓的继续伸长而放松，所受压力由F‘ 减小到F〝 (称之为剩余预紧力)，压缩减量为 △δ2。 　 　 　由上可知，紧螺栓受轴向载荷后，被联接件反作用在螺栓上的力已不是原来的预紧力F’ ，而是剩余预紧力F‘’ ，螺栓所受的总拉力F0 为： F0 ＝ F〝＋ F 因为联接件和被联接件变形的相互制约和协调，有△δ1 ＝△δ2 。 根据图中几何关系可知: F0=ΔF+Fˋ=F+F〝 ΔF=ΔδLtanγL=ΔδLCL ｝ 式中:tanγL=CL为螺栓刚度;tanγF为被连接件刚度. F-ΔF=ΔδFCF

为螺栓的相对刚度,其大小与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料、以及垫片、工作载荷的作用位置等因素有关。 图d为螺栓工作载荷过大时联接出现间隙的情况，这是不允许的。为了保证联接 的刚性或紧密性，   F〞 应大于零。 设计时，可先求出工作载荷F，再根据联接的工作要求确定残余预紧力F〝，然后计算出总拉伸载荷Q。同时考虑扭矩产生的剪应力的影响，故螺栓的计算载荷Fv为1.3Q (F0=ΔF+Fˋ=F+F〝) 　(3)受剪的铰制孔螺栓联接 　　这种联接的特点是：受横向载荷作用后螺栓组中每个螺栓受剪切应力和挤压应力，且靠此直接承受外载荷。螺栓拧紧力矩不大，预紧力和摩擦力矩可以忽略(如图所示)。 若螺栓组受载均匀，则每个螺栓承受的横向工作载荷均为剪力 FS ，根据平衡条件得： 或 式中：z为螺栓数目

三、主要失效形式和强度约束条件 1、受拉螺栓（普通螺栓联接） 失效形式：螺栓杆的塑性变形或断裂 1、受拉螺栓（普通螺栓联接） 　　失效形式：螺栓杆的塑性变形或断裂 把螺栓小径所对应的剖面视为危险剖面，则受拉螺栓的约束强度条件为 或 式中：Fv为螺栓所受的当量拉力； 　　 [σ]为螺栓联接的许用应力，其值见教材或手册。 2、受剪螺栓（铰制孔螺栓联接） 　　失效形式：螺栓杆和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件： 螺栓杆的剪切强度条件： 　式中： Fs 为螺栓所受的工作剪力(N)； 　　　　　d0 为螺栓受剪面直径(螺栓杆直径)(mm)；m 为螺栓抗剪面数目； 　 　h 为选定计算处的挤压高度；[t] 为螺栓材料的许用剪切应力(MPa) ； 　　　　　[sp]为螺栓杆或孔壁材料的许用挤压应力(MPa)； 考虑到各零件的材料和受挤压高度可能不同，应选取h[sp]乘积小者计算。

四、结构设计 1、联接接合面的几何形状应与机器的结构形状相适应 一般都设计成轴对称的简单几何形状(图示)，便于加工制造，且使联接的接合面受力比较均匀

2、螺栓的数目应取为易于分度的数目(如4、6、8、12等)，以利于划线钻孔。同一组螺栓的材料直径和长度应尽量相同，以简化结构和便于装配。 3、应有合理的钉距、边距和足够的板手空间。 4、被联接件上的支承面应做成凸台或沉头座，以免引起偏心载荷而削弱 螺栓的强度 。

例题一、有一受预紧力和轴向工作载荷F=1 000 N作用的紧螺栓连接，已知预紧力=1 000N，螺栓的刚度CL与被连接件的刚度Cm相等。试计算该螺栓所受的总拉力F0和残余预紧力F″。在预紧力不变的条件下，若保证被连接件间不出现缝隙，该螺栓的最大轴向工作载荷Fmax为多少? 或 为保证被连接件间不出现缝隙，则 ≥0。由 ≥0得 F ≤ ∴

例题二、 有一气缸盖与缸体凸缘采用普通螺栓连接，如图所示。已知气缸中的压力P在0~2MPa之间变化，气缸内径D=500mm，螺栓分布圆直径D0=650mm。为保证气密性要求，剩余预紧力 （F为螺栓的轴向工作载荷），螺栓间距 （d为螺栓的大径）。螺栓材料的许用拉伸应力=120MPa，许用应力幅 MPa。选用铜皮石棉垫片，螺栓相对刚度 ，试设计此螺栓组连接。 1．初选螺栓数目Z 因为螺栓分布圆直径较大，为保证螺栓间间距不致过大，所以应选用较多的螺栓，初取Z=24。 2．计算螺栓的轴向工作载荷F （1）螺栓组连接的最大轴向载荷FQ： FQ= N （2）螺栓的最大轴向工作载荷F： F = 16 362.5 N 3．计算螺栓的总拉力F0 16 632.5 =45 815 N

4．计算螺栓直径 mm=25.139mm 查GB196-81，取M30（d1=26.211mm>25.139mm）。 5．校核螺栓疲劳强度 故螺栓满足疲劳强度。 6．校核螺栓间距 实际螺栓间距为 故螺栓间距满足连接的气密性要求。

习题: 一、单项选择题（从给出的A、B、C、D中选一个答案） 1、用于连接的螺纹牙型为三角形，这是因为三角形螺纹 。 A. 牙根强度高，自锁性能好 B. 传动效率高C. 防振性能好 D. 自锁性能差 2、当铰制孔用螺栓组连接承受横向载荷或旋转力矩时，该螺栓组中的螺栓 。 A. 必受剪切力作用 B. 必受拉力作用 C. 同时受到剪切与拉伸 D. 既可能受剪切，也可能受挤压作用 3、在螺栓连接中，有时在一个螺栓上采用双螺母，其目的是 。 A. 提高强度 B. 提高刚度 C. 防松 D. 减小每圈螺纹牙上的受力 4、对于受轴向变载荷作用的紧螺栓连接，若轴向工作载荷F在0～1 000 N之间循环变化，则该连接螺栓所受拉应力的类型为 。 A. 非对称循环应力 B. 脉动循环变压力C. 对称循环变应力 D. 非稳定循环变应力 二、问答题： 螺纹连接有哪些基本类型?各有何特点?各适用于什么场合? 三、计算题

§4-5 螺旋传动简介 螺旋传动是用螺杆和螺母传递运动和动力的机械传动，主要用于把旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。 §4-5 螺旋传动简介 　螺旋传动是用螺杆和螺母传递运动和动力的机械传动，主要用于把旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。 按相对运动关系，螺旋传动常用的运动形式有以下三种： 1、螺杆原位转动、螺母移动，多用于机床进给机构 2、螺母固定、螺杆转动和移动，多用于螺旋压力机构中 3、螺母原位转动、螺杆移动，多用于升降装置 螺旋按其用途，还可分为传动螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。 1、传动螺旋 　　它以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴向推力。一般为间歇工作， 工作速度不高，而且通常要求自锁，如千斤顶，搬动手柄对螺杆加一个转矩，则螺杆 旋转并产生很大轴向力推力以举起重物。。

3、调整螺旋 它用以调整并固定零件或部件之间的相对位置。一般不在工作载荷作用下 2、传导螺旋 　　它以传递运动为主，常要求具有高的运动精度。一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高。例如用于机床进给机构的传导螺旋，螺杆旋转，推动螺母连同滑板和刀架作直线运动。 3、调整螺旋 　　它用以调整并固定零件或部件之间的相对位置。一般不在工作载荷作用下 转动，要求能自锁，有时也要求有很高的精度。例如用于带传动张紧的调整螺 旋(图）。在调整带的张紧力时，先松开螺栓，旋转调整螺旋，把滑轨上的电动 机推到所需的位置，然后再将螺栓拧紧。 螺旋传动按螺旋副摩擦的性质不同，可分滑动螺旋传动和滚动螺旋传动， 滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。 滚动螺旋传动 用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动﹐又称滚珠丝杠传。滚动体通常为滚珠﹐也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦係数﹑效率﹑磨损﹑寿命﹑抗爬行性能﹑传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差﹐但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90％以上。它不自锁﹐具有传动的可逆性﹔但结构复杂﹐製造精度要求高﹐抗衝击性能差。它已广泛地应用於机床﹑飞机﹑船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。 静压螺旋传动 螺纹工作面间形成液体静压油膜润滑(见液体静压轴承)的螺旋传动。静压螺旋传动摩擦係数小﹐传动效率可达99％﹐无磨损和爬行现象﹐无反向空程﹐轴向刚度很高﹐不自锁﹐具有传动的可逆性﹐但螺母结构复杂﹐而且需要有一套压力稳定﹑温度恆定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋

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单线螺纹和多线螺纹 ◇沿一条螺旋线所形成的螺纹为单线螺纹。单线螺纹的自锁性好多用于联接。 　　◇沿两条或两条以上在轴向等距分布的螺旋线所形成的螺纹为多线螺纹。多线螺纹的传动效率高，多用于传动。 　　◇多线螺纹由于加工制造的原因，线数一般不超过4条。 　　　在垂直于螺纹轴线的平面内，多线螺纹是均匀分布的。 返回