6.1　螺纹连接的主要类型、材料和精度 6.2　螺纹连接的预紧和防松 6.3 单个螺栓的受力分析和强度计算 6.4 螺栓组连接的受力分析 6.5 提高螺栓连接强度的措施 6.6　螺旋传动

引 言 由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此联接。 机械零件之间的联接分为： 静联接：被联接件之间相互完全固定。（形锁合、摩擦锁合、材料锁合） 动联接：被联接件之间相互完全固定。（形锁合、摩擦锁合、材料锁合） 被联接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。 本课程介绍的联接主要是静联接。

联接的类型： 铆接 焊接 粘接 联接 可拆联接 不可拆联接 过盈联接 （介于两者之间） 螺纹联接 键联接、花键联接、销联接 弹性环联接等

补充 螺 纹 一、螺纹的形成 d2 螺纹 螺旋线----一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同 时沿轴向作等速移动的轨迹。 补充　螺 纹 一、螺纹的形成 螺旋线----一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同 时沿轴向作等速移动的轨迹。 螺纹------一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱 体的轴线，就得到螺纹 d2 螺纹

螺纹的分类 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 螺纹的分类

螺纹的牙型 30º 15º 30º 3º 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 潘存云教授研制 潘存云教授研制

粗牙 细牙 细牙 普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。 粗牙螺纹应用最广。 细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高 缺点：不耐磨，易滑扣。 应用：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。 P d 粗牙 60˚ d P 细牙 d P 细牙

梯形螺纹：β= 15º 锯齿形螺纹:β= 3º 常用于传动 30º 梯 形 锯齿形 3º 30º 为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角β比三角形螺纹的要小得多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。 梯 形 3º 螺纹的基本尺寸： 粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基本尺寸见后续各表（或查阅相关机械设计手册）。

管螺纹 d d d2 φ 2φ 普通细牙螺纹 非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁α = 55˚） 用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁α = 55˚） 60˚圆锥管螺纹 管螺纹的公称直径不是螺纹大径而近似等于管子的公称通径。与普通螺纹不同。 管螺纹 55˚ 55˚ d d2 d1 P d d2 d1 P φ 2φ 非螺纹密封的管螺纹 用螺纹密封的管螺纹

螺纹的分类 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 螺纹的分类 右旋螺纹 左旋螺纹

螺纹的分类 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 S=P S=2P 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 螺纹的分类 n线螺纹:S=n·P 一般:n ≤ 4 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹 多线螺纹 单线螺纹 多线螺纹 P S P S S=P S=2P

单头螺纹： 按螺旋线数目分 多头螺纹：

螺纹的分类 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 螺纹副 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 螺纹的分类 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹 多线螺纹 外螺纹 内螺纹 螺纹副

内螺纹 外螺纹 潘存云教授研制 潘存云教授研制

螺纹的分类 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 螺纹的分类 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹 多线螺纹 外螺纹 内螺纹 连接螺纹 传动螺纹 螺旋传动

潘存云教授研制 连接螺纹 传动螺纹

螺纹的分类 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分 按母体形状分 螺纹的分类 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹 多线螺纹 外螺纹 内螺纹 连接螺纹 传动螺纹 圆柱螺纹 圆锥螺纹

圆柱螺纹 圆锥螺纹 潘存云教授研制 管螺纹

二、螺纹的主要几何参数 d h d1 d2 ψ nP tanψ= πd2 P/2 P S (5)导程S S = nP 同一条螺旋线上的相邻两牙 在中径线上对应两点间的轴向距P (6)螺纹升角ψ 中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角

(7)牙型角α 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。 牙侧角β 牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。 (7)牙型角α 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。 牙侧角β 牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。 (8)接触高度h 内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。 β ψ S α β πd2 螺纹的精度等级: A级 公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合 B级 受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接 C级 用于一般连接，最常用

6.1　螺纹连接的主要类型、材料和精度 一、螺纹连接的主要类型 紧联接 松联接 受拉螺栓 受剪螺栓 按工作前拧紧否 按受力情况

按主要联接件的结构特征，机器中的常见螺纹联接有四种： 1.螺栓联接

螺栓联接又分： 工作原理：螺栓受以拉力承受外载荷 普通螺栓 应用：应用于被联接件不太厚的常拆卸处

普通螺栓联接

普通螺栓联接

普通螺栓联接

普通螺栓联接

普通螺栓联接 29

铰制孔用螺栓联接（受剪螺栓连接）

侧壁受挤压 杆横截面受剪承受外载 工作原理 受剪螺栓 应用：需精确固定两被联接件的相对位置

铰制孔用螺栓联接

铰制孔用螺栓联接

铰制孔用螺栓联接

2.双头螺柱联接 被联接件较厚或为了结构紧凑而必须采用盲孔时，螺栓联接不便而用双头螺柱联接。可以多次装拆而不损坏被联接件。 工作原理：螺栓受拉力，承受外载 应用：被联接件较厚，且常拆卸处 被联接件较厚或为了结构紧凑而必须采用盲孔时，螺栓联接不便而用双头螺柱联接。可以多次装拆而不损坏被联接件。

双头螺柱连接

螺钉直接旋入被联接件中，结构比双头螺柱简单。但被联接件螺纹孔易滑扣，不宜经常拆卸。 3.螺钉联接 工作原理：螺栓受拉承受外载 应用：一被联件较厚，但不常拆卸处

螺钉联接

螺钉联接

螺钉联接

螺钉联接

螺钉联接

螺钉联接

4.紧定螺钉联接 工作原理：靠Fu承受外载 应用：薄壁件联接

吊环 地脚螺栓

潘存云教授研制 地脚螺栓 T 型螺栓 起吊螺钉

T型槽螺栓连接

6.1.2 螺纹紧固件的性能等级和材料 螺栓的结构形式 1.螺纹紧固件 1）螺栓 L L0 d 六角头 L L0 d 小六角头

2）双头螺柱 d L0 L1 L L1 ——座端长度 L0 ——螺母端长度

3）螺钉、紧定螺钉 头部结构 末端结构

4）螺母 国标罗列有６０余种不同结构的螺母。用于经常拆装易磨损之处。 六角厚螺母 圆螺母 六角螺母 六角扁螺母 用于尺寸受限制之处。

A型平垫圈 B型平垫圈 5）垫圈 作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。 平垫圈 薄平垫圈 圆螺母用止动垫圈 弹簧垫圈 斜垫圈

2. 性能等级：按机械性能分10级（螺母等级低于螺栓） 3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9 点前的数字表示 点后数字为 3.6----低碳钢 4.6~6.8----低碳钢或中碳钢 8.8~9.8----中碳钢或低碳合金钢 10.9----中碳钢,低碳钢或中碳合金钢 12.9----合金钢 #8.8和8.8级以上的材料需要经淬火并回火处理 #有防蚀或导电要求时采用铜合金以及其它有色金属 3. 材料 常用低碳钢和中碳钢 变载、冲击用合金钢（特殊场合用有色金属）

6.1.3 螺纹公差和精度 1. 公差：内螺纹 G、H 外螺纹 e、f、g、h 2. 精度：精密 中等 一般用途 粗糙 精度要求低

6.2　螺纹连接的拧紧和防松 6.2.1螺栓连接的拧紧 预紧力：大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷 之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。 预紧的目的：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移动。 预紧力的确定原则：拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的 屈服极限ss的80%。 碳素钢螺栓：F0≤(0.6～0.7) σs A1 合金钢螺栓：F0 ≤(0.5～0.6) σs A1 A1 ——危险截面积， A1 ≈πd21/4 一般螺纹连接在装配时都必须拧紧，这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性，强度和密封均有很大影响。

1. 拧紧力矩和预紧力 图6.1 a 拧紧力矩T 螺纹间摩擦力矩T1：T1=T3+T4 支承面处与螺母间摩擦力矩T2

其中 式中 kt－ 拧紧力矩系数 可查表 分析：对于M16~M68粗牙，副间无润滑剂 T 与 有关联，故可由 限制T

LS LM LS 预紧力控制方法: (1)凭手感经验 (2)测力矩扳手 (3)定力矩扳手 P103 (4)测定伸长量 测力矩扳手 定力矩扳手 通常螺纹连接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。 连接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。 但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可能松动。 高温下的螺栓连接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。 LM LS LS 测力矩扳手 定力矩扳手

6.2.2 螺纹连接的防松 弹簧垫圈 对顶螺母 尼龙圈锁紧螺母 防松原理：防止螺旋副相对转动。 防松的方法： 1. 利用附加摩擦力防松 6.2.2　螺纹连接的防松 连接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可能松动而失效。高温下的螺栓连接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松，即防止相对转动。 防松原理：防止螺旋副相对转动。 防松的方法： 1. 利用附加摩擦力防松 对顶螺母 尼龙圈锁紧螺母 弹簧垫圈

对顶螺母（双螺母）防松 单一螺母拧紧后螺母向上拉伸螺栓，拉力为预紧力Qp ，螺纹力矩由预紧力Qp产生，当拧紧双螺母后，下面的螺母向下拉伸螺栓，拉力为Q’p,上面的螺母向上拉伸螺栓，拉力为 Q’p +Qp ，两个螺母上的拉力方向虽然不同，但是可能派生的摩擦力矩方向却相同，如果螺纹要反转时需要克服的阻力矩（螺纹力矩）增大了，发生松脱的可能性就小了。 60

弹簧垫圈防松 弹簧垫圈防松方法是使用最广泛的一种防松方法，这种方法结构简单，价格便宜，操作方便，垫圈使用弹簧钢制造，拧紧螺母的同时将垫圈压缩，当螺母与螺栓反向旋转时垫圈的两个刃口分别嵌入螺母与被联接件表面，阻止其旋转，而当螺母与螺栓正向旋转（拧紧）时垫圈的刃口不起作用，刃口对旋转的单向阻止作用对联接起到防止松动的作用， 61

自锁螺母防松 自锁螺母防松所使用的螺母是特殊的螺母，螺母制成后上端开口，并收口，这种螺母拧紧后由于螺母上端的开口处涨开，产生弹性变形，抱紧外螺纹，是内外螺纹间的摩擦力更大，并且增大的摩擦力与预紧力无关，始终保持不变，使联接在受到震动时也不会松动，这总防松方法简单易行，但需要专门加工的螺母，拧紧时需要更大的拧紧力矩。 62

圆螺母用止动垫圈 开口销与六角开槽螺母 止动垫圈 串联钢丝 2. 采用专门防松元件防松 潘存云教授研制 潘存云教授研制 开口销与六角开槽螺母 止动垫圈 串联钢丝

开口销+开槽螺母防松 这种防松方法是一种形状防松方法（机械防松方法），通过将开口销插入螺栓尾部的孔和螺母槽中使螺母与螺栓不能相对转动，为防止开口销本身脱落，将销尾部掰开，这种防松方法可靠，可在具有较大冲击的工作条件下保证螺纹联接不松脱，但需要专门的螺栓与螺母，操作也较复杂。 64

串联钢丝防松 串联钢丝防松方法也是一种性能可靠的形状防松方法，正确安装的串联钢丝使得要将任何一个螺栓向松动方向旋转都必须以钢丝被拉长，拉断，或其他螺栓被拧紧为前提，这就使得在自然震动情况下螺栓组不可能自行松动。 65

3. 其它方法防松 涂粘合剂 用冲头冲2至3点 冲点防松法 粘合法防松 1～1.5P

6.3 单个螺栓的受力分析和强度计算 受拉螺栓 受剪螺栓 经常拆卸 断裂 塑性变形 螺纹部分 疲劳断裂-----轴向变载荷 剪断 塑性变形 螺纹部分 疲劳断裂-----轴向变载荷 受拉螺栓 螺栓连接的主要失效形式 剪断 压溃 螺杆和孔壁的贴合面 受剪螺栓 经常拆卸 滑扣 因经常拆装 断裂

1. 受拉松螺栓联接 强度条件： (6.3) 式中 为松联接螺栓的许用 拉应力（MPa）,查表

2. 受拉紧螺栓联接 T1 （1）受横向力FR 的普通螺栓联接 扭剪应力 螺栓 （对于M10～68单头） 拉伸应力 据第四强度理论（螺栓塑性） 或 (6.4) 式中 为紧联接螺栓的许用拉应力,见表6.3

紧螺栓联接虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以将所受的拉力增大30%，来考虑扭转的影响。 公式物理意义: 紧螺栓联接虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以将所受的拉力增大30%，来考虑扭转的影响。 受力特点：载荷与螺栓轴线垂直,靠被联接件间的摩擦力传递。螺栓受载前需预紧,受载前后受力相同。 由前以知： 当 f =0.15,C=1.2,m=1,z=1 时, F’= 8FR →d1 ↑ 可采减载装置,靠键、套筒、销来承受横向载荷, 螺栓只受F’,联接强度按键、套筒、销的强度计算。

（2） 受F’和轴向工作载荷F的紧螺栓联接 p 典型例子：压力容器缸盖的螺栓组联接 受力特点：载荷方向与螺栓轴向一致,螺栓受载前需预紧,受载前后受力不同。 设：流体压力p，螺栓数z，每栓均受F’ 作用在缸盖上的总工作载荷Fz： 每个螺栓的轴向工作载荷F： 每个螺栓承受的总拉力Fo: F0＝F+F/ 下面从分析联接受力与变形的关系中求出螺栓的总拉力F0 。 1）分析 图6.5为螺栓和被联接件的受力与变形示意图： 图a) 螺母刚好拧到与被联接件接触,但没拧紧,螺栓和被联接件均未受力。

图b) 装配后，螺母被拧紧。在预紧力F/的作用下，螺栓产生拉伸变形δ1，被联接件产生压缩变形δ2 。根据静力平衡条件，螺栓与被联接件所受拉力、压力大小相等（F/相等）,但二者刚度不同（K2≠K2）,故变形不同(δ1≠δ2) 。 图c) 工作状态，螺栓除承受F’外，又承受工作载荷F

2)受力变形图 螺栓的预紧和受载后螺栓轴向拉力的分析 螺栓不受载 a：螺栓未预紧 被联接件不受载 （拉力） 螺栓 （伸长量） b：螺栓预紧 （压力） 被联接件 （压缩量） （拉力） 螺栓 （伸长量） c：螺栓受工作载荷 联件 （压力） （压缩量）

× F0＝F+F/ F0=F+F// 式中,F//—残余预紧力。 螺栓未预紧 预紧 承受工作载荷 受力 变形 螺栓 F/ δ1 被联件 δ2 ∵螺栓与被联件的应力都在比例极限内∴变形与载荷成正比，则螺栓与被联件的载荷与变形的关系可用下页图表示：   螺栓未预紧 预紧 承受工作载荷 受力 变形 螺栓 F/ δ1 F0=F+F// δ1+Δδ 被联件 δ2 F// δ２－Δδ

为讨论方便，用螺栓与被联接件的力与变形图表示： α β β α 受轴向工作拉力F β α 螺栓联接的受力与变形关系 ∵ tgα=F’／δ1=c1——螺栓刚度 tgβ=F’／δ2=c2——被联件刚度 刚度—产生单位变形所需要的力

(由螺栓受 ＋被联件受力 ) 由 可得： (6.6) (6.7) (6.8) 式中： 相对刚度 提高联接件刚度

3)考虑到补充拧紧：与联接只受预紧力时的 螺纹力矩 相仿，可得 此时的螺纹力矩 （6.9）

4)变载 力 时间 O F2 F1 工作载荷变化 变形 (F02、F01减去相同的 ，得式6.8 ) (6.10）

6.3.2 受剪螺栓联接

1.抗剪切强度条件 （6.11）

2.挤压强度条件 （6.12）

6.3.3 许用应力 表6.3 受拉螺栓静：许用拉应力 变载：应力幅 表6.4 受剪螺栓许用剪应力 许用挤压应力 例6.1 变载螺栓：

6.4 螺栓组连接的受力分析 三角形 圆形 圆环形 矩形框 矩形 一、螺栓组连接的结构设计 大多数机械中螺栓都是成组使用的。 6.4　螺栓组连接的受力分析 在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式。 一、螺栓组连接的结构设计 大多数机械中螺栓都是成组使用的。 基本原则（六项）： １、为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常连接接合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状 三角形 圆形 圆环形 矩形框 矩形

２、螺栓布置应使各螺栓的受力合理 (1)对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置８个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均； F (2)当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。 潘存云教授研制 潘存云教授研制 合理 不合理

(3)当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件来 承受横向载荷。（键、套筒、销等）

３、螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间 扳手空间的尺寸见有关标准。 E C 60˚

螺栓间距t0 工作压力/MPa t0 /mm 对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。 t0 d 　　对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。 潘存云教授研制 螺栓间距t0 工作压力/MPa 7d 5d 　4.5 4d 3.5 3d t0 /mm ≤ 1.6 1.6～4 4～10 10～16 16～20 20～30 d t0 ４、为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的 螺栓数目取成4、6、8等偶数。 同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同

支承面倾斜 ５、避免螺栓承受附加的弯曲载荷 切削加工支承面 ６、合理选择螺栓组的防松装置 保证被连接件，螺母和螺栓头支承面平整，并与螺栓轴线相互垂直。对于在铸、 锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座。当支承面为倾斜表面时， 应采用斜面垫圈等。特殊情况下也可采用球面垫圈。 支承面倾斜 支承面不平 切削加工支承面 支承面倾斜 采用凸台或沉孔结构 ６、合理选择螺栓组的防松装置

二、螺栓组连接的受力分析 受轴向载荷 受倾覆力矩 M 受转矩 受横向载荷 受力分析的目的: 根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。 受力分析时所作假设: (1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均同； (2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合； (3)受载后连接接合面仍保持为平面。 受力分析的类型： 受轴向载荷 受倾覆力矩 M 受转矩 受横向载荷

F∑ F p D F0 = F〞 + F 1．受轴向载荷的螺栓组连接

FR 2．受横向载荷的螺栓组连接 或 （1）对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为 普通螺栓 铰制孔螺栓 式中z为螺栓数目。 图示为由四个螺栓组成的 受横向载荷的螺栓组连接。 普通螺栓 式中z为螺栓数目。 （2）对于普通螺栓连接 ，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有 或 Ks为防滑系数，设计中可取Ks =1.1～1.3。

3．受转矩的螺栓组连接 O T r1 f F′ f F′ r2 采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。 ri 潘存云教授研制 O 采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。 3．受转矩的螺栓组连接 T r1 f F′ f F′ r2 　　采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。 ri Fi 潘存云教授研制 T O rmax Fmax 　　采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。 假设底板受载仍为平面，则螺栓的剪切变形量与距离成正比，Fｉ=Kri 剪切力与距离r的比值为常数

4．受倾覆力矩的螺栓组连接 F′ M σp ( F ′引起) O F2 M F2m x Li Lmax σp1( F1引起) 假设底板受载仍为平面，则螺栓受力与螺栓中心到螺栓组排列中心的距离成正比。 4．受倾覆力矩的螺栓组连接 螺栓承受的载荷与距离成正比　 F′ O x M 单个螺栓拉力产生的力矩为Mi= Fi Li σp ( F ′引起) 倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已被拧紧并承受预紧力F0且被拉伸，地基有均匀的压缩。在作用M后，接触面绕0-0线转动一个角度，左边的地基被放松，而螺栓被进一步拉伸；右边的螺栓被放松，而地基被进一步压缩。 F2 M F2m σp1( F1引起) σp2( F1m引起) Li Lmax

单个螺栓的受力分析 F1m Fm F2m F1 F F2 C2 Om 力 变形 Ob C1 B2 B1 A F′ 单个螺栓的受力分析　 强调是基座上的压力 F1m Fm F2m F1 F F2 C2 Om 力 变形 Ob C1 B2 B1 A F′ 未加倾覆力矩时，工作点在A。∑Mi=0 施加倾覆力矩M时， 左边的螺栓，工作点移至B1和C1 右边的螺栓，工作点移至B2和C2 左边螺栓总拉力增加， 右边螺栓总拉力减小。

为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求 作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即 求得最大工作载荷 　　为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求 Ａ—接合面的有效面积 Ｗ—接合面的有效抗弯截面系数 ［σｐ］—地基接合面的许用压应力

螺栓的总拉力 连接接合面材料的许用挤压应力 材料 钢 铸铁 混凝土 砖(水泥浆缝) 木材 材料 钢 铸铁 混凝土 砖(水泥浆缝) 木材 [σp] (MPa) 0.8σS (0.4～0.5)σB 2.0～3.0 1.5～2.0 2.0～4.0 螺栓的总拉力　

6.5 提高螺栓连接强度的措施 65% 20% 15% 承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂 容易断裂部位： 6.5　提高螺栓连接强度的措施 承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂 容易断裂部位： 以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。 65% 20% 15% 提高螺栓连接强度的措施有哪些呢？

一、均匀螺纹牙受力分配 加厚螺母不能提高连接强度！ 措施: 采用均载螺母 加厚螺母 普通螺母

F1>F2>F3>F4>F5 F =F1+F2+F3+F4+F5 螺母体 F1>F2>F3>F4>F5 螺母体 螺栓杆 Fa 潘存云教授研制 螺母体 螺栓杆 F 螺栓杆 潘存云教授研制 螺栓杆 F 螺栓杆 F 螺母体 螺栓杆 F5/2 F4/2 F3/2 F2/2 F1/2 螺母和螺杆均为拉伸变形，有助于减小两者螺距变化，使受载均匀。 均载螺母均载原理 10圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。

均载 元件 10～15˚ 10～15˚ 悬置螺母 均载原理相同螺母也受拉 环槽螺母 内斜螺母 内斜与环槽螺母 钢丝螺套 都是改变螺母旋合部分的变形性质，使之和螺栓变形性质相同，均为拉伸变形，从而使螺纹牙上载荷分布趋于均匀； 悬置螺母 环槽螺母 内斜螺母 内斜与环槽螺母 钢丝螺套 均载原理相同螺母也受拉 均载 元件 内斜螺母因力的作用点外移可使载荷较大的头几圈螺纹牙容易变形，使载荷上移而改善载荷分布不均。 加工复杂，仅限于用在重要场 合或大型连接。 悬置螺母 环槽螺母 内斜螺母 10～15˚ 内斜与环槽螺母 10～15˚

悬置螺母 环槽螺母 内斜螺母 内斜螺母 上述为均载螺母，加工复杂，只适用于重要或大型联接处。

二、降低影响螺栓总拉伸载荷F0的变化范围（应力幅） 轴向工作载荷F 的变化范围　 0～F C1 F’～ F’+F =F0 总拉伸载荷的F0 变化范围 C1+ C2 C1 ↓ 所以 C2 ↑ → F0变化范围 ∆F ↓ 措施一：降低螺栓刚度

措施二：提高被连接件刚度 前两种措施会导致残余预紧力减小，使密封性能降低。为保证可靠工作，可适当增大预紧力。 措施三：综合措施

宜采取措施: d d 0.8d 0.7d 采用柔性结构：加弹性元件、 或采用柔性螺栓（腰杆、空心螺栓）。 2. 有密封要求时，宜采用刚度较大的金属垫片 或密封环 d d 0.8d 0.7d

r 三、减小应力集中 1.增大过渡圆角 2.切制卸载槽 3.卸载过渡结构 四、避免或减小附加应力 要从结构、制造与装配精度采取措施 潘存云教授研制 支承面不平 切削加工支承面 采用凸台或沉孔结构

五、采用特殊制造工艺 采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。 球面垫圈 腰环螺栓 冷镦头部、滚压螺纹 疲劳强度提高30% 比车削 潘存云教授研制 　　采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。 五、采用特殊制造工艺 球面垫圈 冷镦头部、滚压螺纹 潘存云教授研制 疲劳强度提高30% 比车削 若热处理后再滚压可提高70%-100%； 表面处理氰化、氮化也能提高疲劳强度。

6.6 螺旋传动 一、螺旋传动的类型和应用 类 型 作用：回转运动 直线运动，同时传递运动和动力。 螺杆转动，螺母移动 车床 刀架 溜板 6.6　螺旋传动 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。 一、螺旋传动的类型和应用 作用：回转运动 直线运动，同时传递运动和动力。 螺杆转动，螺母移动 车床 刀架 溜板 螺母固定，螺杆转动并移动 千斤顶 P119运动形式有 传力螺旋传递动力（起重加压装置） 按用 途分 传导螺旋传递运动,要求精度高机床丝杠 类 型 调整螺旋调整相对位置微调机构 滑动螺旋（滑动摩擦，效率30—40%） 按摩擦 性质分 滚动螺旋（滚动摩擦） 效率90%以上 静压螺旋（流体摩擦）

潘存云教授研制 调整螺旋

机床的进给机构、起重设备（千斤顶） 、锻压机械(压力机)、测量仪器（千分尺）、夹具、玩具、机器人及其他工业装备中。 潘存云教授研制 应用实例: 机床的进给机构、起重设备（千斤顶） 、锻压机械(压力机)、测量仪器（千分尺）、夹具、玩具、机器人及其他工业装备中。 机床的进给机构

应用实例 起重设备（千斤顶） 锻压机械(压力机)

潘存云教授研制 应用实例 潘存云教授研制 工件夹紧装置(锯床)

潘存云教授研制 钳工虎钳 应用实例 潘存云教授研制 千分尺

二、滑动螺旋的结构和材料 1.结构 滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。 整体螺母 组合螺母 剖分螺母 螺母结构 固定螺钉 调整楔块 调整螺钉 潘存云教授研制 组合螺母 剖分螺母

2. 滑动螺旋的材料 螺旋副材料要求：足够的强度、耐磨性、摩擦因子小 螺杆材料: Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn 螺母材料: ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、 ZCuAl10Fe3. 滑动螺旋副材料的许用压力[p]及摩擦因子 螺杆-螺母材料 滑动速度 m/min 许用压力/MPa 摩擦因子 低速 18~25 ≤ 3 11~18 钢－青铜 0.08~0.1 6~12 7~10 >15 1~2 淬火钢－青铜 6~12 10~13 0.06~0.08 <2.4 13~18 钢－铸铁 0.12~0.15 6~12 4~7 钢－钢 低速 7.5~13 0.11~0.17

滑动螺旋副材料的许用应力 许用应力/MPa 螺旋副材料 螺母 三、滑动螺旋传动的设计计算 注：1) σs 为材料的屈服极限； [σ] [σb] [τ] 螺杆 钢　　　 [σＳ] /(3~5) 青铜 40~60 30~40 螺母 铸铁 45~55 40 钢 (0.1~0.2)[σ] 0.6 [σ] 注：1) σs 为材料的屈服极限； 2)载荷稳定时，许用应力取大值。 三、滑动螺旋传动的设计计算 承受载荷: 转矩、轴向力 主要失效形式: 螺纹的磨损 设计准则：按耐磨损确定螺杆直径螺母高度，选择螺距，校核螺杆、螺母强度等（自锁性；螺杆刚度稳定性；临界转速）

F p = ≤[p] π d2 hz 耐磨性计算 校核公式： 耐磨性条件确定滑动螺旋基本尺寸（螺杆直径、螺母高度）； 受力较大的传力螺旋需校核螺杆危险截面强度和螺母螺纹牙强度，以防发生塑性变形或断裂； 有自锁要求的螺杆需校核其自锁性； 精密传导螺旋校核螺杆刚度（根据刚度确定螺杆直径），以免受力后螺距变化引起传动精度降低； 长径比大的螺杆，需校核螺杆稳定性，以防螺杆受压后失稳； 高速长螺杆需校核临界转速，以防产生过度的横向振动。 耐磨性计算 p = ≤[p] π d2 hz F 校核公式： Fa为轴向力； z为参加接触的螺纹圈数； d2为螺纹中径；h为螺纹的工作高度；[p]为许用压强。(P97表5-12)

p = π d2 hu F = p ≤[p] π d2 hH FP h F F/u 设计方法和步骤 螺杆 螺母 H d2 D2 P α 滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其强度条件： 1．耐磨性计算 D2 d2 F——轴向力；d2 ——螺纹中径； h ——螺纹的工作高度; P ——螺距; H ——螺母高度; u——螺纹工作圈数 P 显然有： u =H / P 校核公式： 许用压强 p = π d2 hu F = p ≤[p] π d2 hH FP 令φ =H/ d2 ， 又因为h =0.5P－矩形、梯形螺纹的工作高度 h =0.75P－锯齿形螺纹的工作高度。 代入上式得螺纹中径的计算公式：

螺纹中径的计算公式 φ= φ[p] F d2 ≥ 0.8 梯形螺纹 φ[p] F d2 ≥ 0.65 锯齿形螺纹 1.2～2.5 整体式螺母 1.2～2.5 整体式螺母 2.5～3.5 剖分式螺母 一般取 u≤10 φ值越大，螺母越厚，螺纹工作圈数越多。 φ =H/d2 依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。 验算 若不满足要求，则增大螺距。 对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件： 螺纹升角、当量摩擦角、当量摩擦系数

2．螺杆的强度计算 对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力 式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩 螺杆的强度条件 对碳素钢, [σ]=50～80MPa

πD πD2 a F/u πD a πD πD2 a F / u 3．螺母螺牙的强度计算 4．螺母外径与凸缘的强度计算 F 其危险截面 a – a 的 剪切强度条件 弯曲强度条件 在螺旋起重器螺母的设计计算中，除了进行耐磨性计算与螺纹牙的强度计算外，还要进行螺母下段与螺母凸缘的强度计算，螺母凸缘与底座的接触面上产生挤压应力；凸缘根部受到弯曲和剪切作用；螺母下段承受拉力和螺旋副摩擦力矩的作用。 b 4．螺母外径与凸缘的强度计算 （1）考虑螺旋副摩擦力矩的作用，螺母悬置部分危险截面b—b的拉伸强度条件： b F D3 D

对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作压力F要小于临界载荷Fcr （2）凸缘与底座接触表面挤压强度条件： D3 D4 H a （3）凸缘根部弯曲强度条件： 5．螺杆的稳定性计算 　　对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作压力F要小于临界载荷Fcr

Ss= l l 3.5～5 传力螺旋 2.5～4 传导螺旋 >4 精密螺杆或水平安装 螺杆的稳定性条件为 l 为螺杆的工作长度: 3.5～5 传力螺旋 2.5～4 传导螺旋 >4 精密螺杆或水平安装 Ss= 螺杆的稳定性条件为 I 为螺杆危险截面的惯性矩 l l 为螺杆的工作长度: 当螺杆两端支承时， l 取两支点间的距离 当螺杆一端以螺母支承时， l 取从螺母中部到另一支点上的距离。 μ－螺杆长度系数，由下表确定。 l

(1)若采用滑动支承时，则以轴承长度l0与直径d0的比值来确定： 螺杆长度系数 两端支承情况 长度系数μ 两端固定 0.50 一端固定，一端不完全固定 0.60 一端铰支，一端不完全固定 0.70 两端不完全固定 0.75 两端铰支 1.00 一端固定，一端自由 2.0 判断螺杆端部支承情况的方法： (1)若采用滑动支承时，则以轴承长度l0与直径d0的比值来确定： l0 / d0 <1.5  为铰支； l0 / d0 =1.5~3  为不完全固定； l0 / d0 >3  为固定支承。

(2) 若以整体螺母作为支承时，仍按上述方法确定。但取 l /H (3) 若以剖分螺母作为支承时，可作为不完全固定支承。 H为螺母高度 (4) 若采用滚动轴承支承，且有径向约束时，可作为铰支； 有径向和轴向约束时，可作为固定支承。 系数含义随后解释 临界载荷Fcr与材料、螺杆长细比λ=μl / i 有关。 i 螺杆危险截面的惯性半径，若危险截面面积A=πd12/4 则 i = I/A =d1/4

π2EI Fcr= N (μl)2 πd12 4 （1）当λ≥100时, 临界载荷为 E——螺杆的弹性模量,对于钢 E=2.06×105 Mpa I——危险截面惯性距, I=πd14/64 （2）当40<λ<100时 对σB≥ 370 MPa的碳素钢，取 πd12 Fc = (304-1.12)λ 4 对σB≥ 470 MPa的优质碳素钢（如35、40钢），取 πd12 Fc = (461-2.57)λ 4

（3）当λ<40时，不必进行稳定性校核 Fa ≤ S Fc 稳定性校核的条件： 为稳定性校核的安全系数，取 S=2.5～4 当不满足条件时，应增大螺纹小径d1。

四、滚动螺旋简介 返回通道 返回通道 组成：螺杆、螺母、滚珠 滑动摩擦 滚动摩擦 类型：外循环、内循环 反向器（返回通道） 返回通道 内循环 在螺旋和螺母之间设有封闭的循环滚道，其间充以滚珠，这样就使螺旋面的滑动摩擦成为滚动摩擦。 组成：螺杆、螺母、滚珠 滑动摩擦 滚动摩擦 类型：外循环、内循环 返回通道 反向器（返回通道） 返回通道 返回通道 不离开螺旋表面，每圈有一个反向器 外循环 内循环 螺旋

优点: (1)摩擦损失小、效率在90%以上； (2)磨损很小，传动精度高； (3)不自锁，可实现直线 旋转运动转换； 缺点：(1)结构复杂、制造困难； (2)有些机构为防止逆转需要另加自锁机构。 应用实例：飞机机翼和起落架的控制、水闸的升降、 数控机床、机器人。