第5章螺紋連接

1、第五章 螺紋聯接§51螺紋（一） 螺紋的形成螺旋線動點在一圓柱體的表面上，一邊繞軸線等速旋轉，同時沿軸向作等速移動的軌跡。螺紋平面圖形沿螺旋線運動，運動時保持該圖形通過圓柱體的軸線，就得到螺紋。（二） 螺紋的類型及應用1、螺紋的分類：按螺紋的牙型分：三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋（如下圖）三角形螺紋 矩形螺紋、 梯形螺紋 鋸齒形螺紋按螺紋的旋向分：左旋、右旋按螺旋線的根數分：單頭、多頭（不超過4頭）按回轉體的內外表面分：內螺紋、外螺紋（內外螺紋組成螺旋副）按螺旋的作用分：聯接螺紋、傳動螺紋按母體形狀分：圓柱螺紋、圓錐螺紋2、各種螺紋的特點：按螺旋的作用分類來介紹。1）聯接

2、螺紋：普通三角形螺紋：牙型為等邊三角形，牙型角 =60°，同一公稱直徑下有粗牙及細牙。細牙的p小，小，自鎖性好；但牙淺不耐磨，易滑扣。故：一般聯接使用粗牙，變載荷、薄壁件用細牙。管螺紋：用于管子聯接的三角形螺紋，牙型為等邊三角形，牙型角 =55°。根據其密封性能，可將其分為密封管螺紋和非密封管螺紋。密封管螺紋的螺紋牙分布在圓錐體上，其螺旋副具有密封和機械聯接兩種功能；非密封管螺的螺紋牙分布在圓柱體上，螺旋副僅具有機械聯接一種功能。2）傳動螺紋：矩形螺紋：牙型角 =0°，其傳動效率較其它螺紋高，但牙根強度弱，螺旋副磨損后，間隙難以修復和補償，傳動精度降低。矩形螺紋尚

3、未標準化，已逐漸被梯形螺紋代替。梯形螺紋：牙型角 =30°，內外螺紋以錐面貼緊不易松動。與矩形螺紋相比，傳動效率略低，但工藝性好，牙根強度高，對中性好。如用剖分螺母，還可以調整間隙。梯形螺紋是最常用的傳動螺紋。鋸齒形螺紋：牙型為不等腰梯形，工作面的牙側角為 3°，非工作面的牙側角為30°，外螺紋牙根有較大的圓角,以減小應力集中。內、外螺紋旋合后，大徑處無間隙，便于對中。這種螺紋兼有矩形螺紋傳動效率高、梯形螺紋牙根強度高的特點，但只能用于單向受力的螺紋聯接或螺旋傳動中，如螺旋壓力機。（三）螺紋主要參數以三角形外螺紋（圖5-1）為例說明。主要幾何參數如下：大徑d即螺紋

4、的公稱直徑。如M20d=20mm小徑d1螺紋的最小直徑，常用于聯接的強度計算。中徑d2齒厚=齒槽寬處直徑，線數n螺紋的螺旋線數目。圖5-1螺距P螺紋相鄰兩個牙型上對應點間的軸向距離。導程S螺紋上任一點沿同一條螺旋線轉一周所移動的軸向距離，S=nP。螺紋升角螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。牙型角螺紋軸向截面內，螺紋牙型兩側邊的夾角。§52螺紋聯接的類型和標準聯接件（一）螺紋聯接的基本類型1、螺栓聯接1）普通螺栓聯接：被聯接件的通孔與普通螺栓的桿部之間留有一定的間隙。通孔的加工精度要求較低，結構簡單，裝拆方便，應用十分廣泛。螺栓孔的直徑大約是螺栓公稱直徑的1.1倍。2）絞制孔

5、螺栓聯接：鉸制孔用螺栓聯接（也稱配合螺栓聯接）的被聯接件通孔與螺栓的桿部之間多采用基孔制過渡配合，螺栓能精確固定被聯接件的相對位置，并能承受橫向載荷。這種聯接對孔的加工精度要求較高，應精確鉸制加工而成，聯接也因此得名。2、雙頭螺柱聯接使用于結構上不能采用螺栓聯接的場合，例如，被聯接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比較軟，且需要經常拆卸的場合。3、螺釘聯接螺釘直接擰入被聯接件的螺紋孔中，不必用螺母，結構簡單緊湊。當要經常拆卸時，易使螺紋孔磨損，導致被聯接件報廢，故多用于受力不大，不許經常拆卸的場合。4、緊定螺釘聯接緊定螺釘聯接是利用擰入的螺釘末端頂住另一零件的表面或頂入相應的凹坑中，以固定兩個零件

6、的相對位置，并可同時傳遞不太大的力或力矩。(二) 螺紋緊固件機械制造中常用的螺紋聯接件有：螺栓、雙頭螺栓、螺釘、螺母和墊圈（表5-2）。這些零件的結構和尺寸均已標準化，設計時根據有關標準選用。§53螺紋聯接的預緊預緊力：大多數螺紋聯接在裝配時都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，預先受到力的作用，這個預加作用力稱為預緊力，用F0表示。預緊的目的：在于增強聯接的緊密性，防止受載后出現間隙及滑動。預緊力大?。翰粦^其材料屈服極限的80%，一般聯接的預緊力：(碳素鋼螺栓)(合金鋼螺栓)預緊力矩：T=T1+T2T1螺紋副間的摩擦力矩：T2螺母支承面間的摩擦阻力矩：螺紋導程角，V螺旋副的當量摩

7、擦角，fc端面摩擦系數，d0螺栓孔直徑，D0螺母環(huán)形支撐面外徑。將一些已知條件代入，整理后的簡化公式：T0.2F0d（d螺紋公稱直徑）控制預緊力矩的方法：TF0拉斷、滑扣；T不能滿足工作要求，故需控制T的大小。方法如下：一般情況憑經驗，擰緊即可；測力矩扳手；定力矩扳手；測量螺栓伸長量。§54螺紋聯接的防松松動原因：螺紋聯接一般都能滿足自鎖條件，但在振動或變載荷作用下，螺紋聯接中的預緊力和摩擦力會減小或瞬時消失，導致聯接失效。為保證聯接安全可靠，設計時必須采取有效的防松措施。放松方法：按放松原理不同，分為三類：1) 摩擦放松如彈簧墊圈、對頂螺母等；2) 機械放松（直接鎖?。┤玳_口銷、槽

8、形螺母等。3) 破壞螺紋副關系（不可拆卸）如膠接、焊接等§5-5螺栓聯接的強度計算螺栓聯接中，螺栓、螺母、墊片均按等強度設計，故只要保證螺栓強度即可。螺栓的失效形式：受拉螺栓：主要是疲勞斷裂（90%），斷裂位置發(fā)生在尺寸有突變的地方（螺紋根部85%，螺桿頭與光桿部15%）。受剪螺栓：剪斷，壓潰 螺栓組的強度計算：通過受力分析找到受力最大的螺栓，然后再按下面介紹的方法進行強度計算。 （一）松螺栓聯接強度計算 例如起重滑輪螺栓，僅受軸向工作拉力F作用。強度條件：FFF0F0F0F0d1危險截面計算直徑；螺栓材料的許用應力， （二）緊螺栓聯接強度計算1、只受預緊力F0的緊螺栓聯接只受預緊力

9、的情況：以圖5-15的螺栓聯接為研究對象。這種情況，工作載荷施加前后螺栓的受力不改變，仍然是預緊力。強度條件：螺栓受軸向力（預緊力F0）和擰緊力矩，產生軸向拉伸應力和剪應力。 其中拉應力：圖5-15剪應力：（M10M64普通螺紋鋼制螺栓, , ，）根據第四強度理論得到的計算應力為：于是，只受預緊力的緊螺栓聯接的強度條件為：（5-14a） 螺栓小徑為：（5-14b）預緊力的確定：在圖5-15的情況下，F0的大小應能保證板不滑移：或（5-14c） 式中：f為接觸面的摩擦系數(f=0.10.15)，C為可靠性系數（C=1.11.3）討論：由5-14c，當f=0.1，C=1.2時，F0=12F，這表明

10、需要很大的預緊力，這將導致螺栓尺寸很大。為此采取下列措施減載：如圖514的減載零件，或采用鉸制孔螺栓（即受剪螺栓）。pFDF2、受預緊力F0和工作載荷F的緊螺栓聯接 受預緊力F0和工作載荷F的情況：典型的受力模型如圖5-24。1） 靜強度計算靜強度條件：設流體壓強為p，螺栓數目為Z，則缸體周圍每個螺栓的平均載荷,即工作載荷為：圖5-24設螺栓受到的總拉力為F2（F0+F），同理，考慮扭轉作用，強度條件為： （5-19）螺栓小徑為： （5-20）螺栓總拉力F2的確定： 圖5-15為螺栓受工作載荷作用前后變形與受力情況。受力三階段：a、螺母剛好擰到被連接件接觸；b、施加預緊力F0后：螺栓伸長，被連

11、接件被壓縮；b、工作拉力F2作用后：螺栓進一步伸長，被連接件被放松。結論：螺栓總拉力等于工作載荷與殘余預緊力之和。即 F2 =F1+F上述過程還可通過受力變形圖表示（圖5-16）。a b c圖5-15FbFma b c圖5-16由圖5-15a、b：，（為螺栓及被聯接件剛度）由圖5-15c： 或者： 其中：為螺栓的相對剛度，為被聯接件的相對剛度。討論：1）為螺栓的相對剛度，其取值范圍為01；2）由，當螺栓的相對剛度大（對應于Cb大，Cm?。ぷ鬏d荷作用后，螺栓總拉力增加較大；反之，螺栓總拉力增加很少。所以，應使螺栓的相對剛度盡量小些。3）F1的確定：F1>0，即不能出現縫隙。F1具體取值

12、按聯接時載荷的大小，聯接重要性等要求確定。有密封性要求的聯接： F1（1.51.8）F一般聯接：工作載荷F穩(wěn)定時： F1（0.20.6）F 工作載荷F不穩(wěn)定： F1（0.61）F 地腳螺栓： F1>F其他情況：如有滑動趨勢的接合面，要按不滑動條件確定2）疲勞強度校核：對重要的聯接，如內燃機的汽缸蓋，還應作疲勞強度校核。F0F2對變載荷，當工作拉力在0F 之間變化時，螺栓的總拉力將在F0F2之間變化，如圖517。，；圖517 疲勞強度校核條件：（各符號含義見教科書）3、承受工作剪力的緊螺栓聯接圖5-18示為受剪螺栓（即鉸制孔螺栓），螺栓桿與孔壁間無間隙，螺栓桿受剪切和擠壓作用，失效形式為剪

13、斷和壓潰。圖518擠壓強度條件：剪切強度條件：式中：F螺栓所受的工作剪（N）；d0螺栓剪切面的直徑（可取螺栓孔直徑，mm）；Lmin螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度（mm），設計時應使Lmin1.25d0。§56螺栓組聯接的設計 主要解決螺栓組聯接的結構設計及受力分析問題。（一）結構設計基本原則：1）為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證聯接結合面受力均勻，通常聯接結合面的幾何形狀都設計成:軸對稱的簡單幾何形狀。2）螺栓布置應使各螺栓的受力合理：（1）對于鉸制孔用螺栓聯接，不要在平衡于工作載荷的方向上成排地布置個以上的螺栓，以免載荷分布過于不均；（2）當螺栓聯接彎距或轉距時，應使螺栓的位置

14、適當靠近聯接接合面的邊緣，以減少螺栓的受力。（3）當同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷時，采用抗剪零件來承受橫向載荷。3）螺栓的排列應有合理的間距、邊距，以保證扳手空間。4）為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數目取成:2、4、6等偶數。同一螺栓組中的螺栓的材料、直徑、長度應相同。5）避免螺栓承受附加的彎曲載荷。（二）螺栓組的受力分析假設：a) 所有螺栓的材料、直徑、長度和預緊力均相同；b) 螺栓組的對稱中心與聯接接合面的形心重合；c) 受載后聯接接合面仍保持為平面。四種典型受載情況的受力分析：圖5-221、受橫向載荷的螺栓組聯接（1）普通螺栓聯接（5-22a）：按預緊

15、后接合面間所產生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷的要求，有： Z為螺栓數目，i為接合面數目（2）鉸制孔用螺栓聯接（5-22b）：每個螺栓所受工作剪力為：2、受轉矩的螺栓組聯接 （1）普通螺栓聯接（5-23a）：靠聯接預緊后在接合面間產生的摩擦力矩來抵抗轉矩T。（2）鉸制孔用螺栓聯接（5-23b）：圖5-23靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用來抵抗轉矩T。半徑越大受力越大：力的平衡條件：受力最大螺栓的工作剪力：3、受軸向載荷的螺栓組聯接圖5-24若作用在螺栓組上軸向總載荷F，作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，則各個螺栓受載相同，每個螺栓所受軸向工作載荷為：4.、受傾覆力矩的螺栓組聯

16、接受傾覆力矩作用的兩個階段：（1）底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已擰緊并承受預緊力F0（圖5-25a）；（2）傾覆力矩M 作用在底板接合面的對稱面內（圖5-25b），使其繞O-O傾轉一個角度，從而在O-O左側，螺栓被進一步拉伸，地基被放松；在O-O右側，螺栓被進放松，地基被進一步壓縮。將此刻左右螺栓作用在底板的力標在圖5-25c的底板上方，地基的應力標在底板下方。 a b c d圖5-25二個階段的受力分析：可借助受力變形圖（圖5-26）。（1）底板在承受傾覆力矩之前，螺栓和地基均受預緊力F0，工作點在A點；（2）傾覆力矩M 作用后：左側：螺栓被進一步拉伸，工作點在B1點，載荷為F2；地基被放松

17、，工作點在C1點，載荷為F1； 右側：螺栓被放松，工作點在B2點，載荷為F2m；圖5-26地基被進一步壓緊，工作點在C2點，載荷為F1m；螺栓的強度計算：顯然應按左邊來計算。由前推導：， 故須先求出螺栓的工作載荷F。由于有多個螺栓，應求最大的。設Fmax及Fi分別是M作用后螺栓的最大工作載荷及第i顆螺栓的工作載荷。因螺栓處的工作載荷等效于M作用效果，從而可求出工作載荷：（5-30a）由于螺栓受力與距O-O的距離（圖5-25d）成正比，故：（5-30b）聯立5-30a、b得：。從而可求出最大螺栓拉力F2max，作為強度計算的依據。地基的校核：為防止結合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現間隙，要求

18、：其中：，代表預緊力產生的擠壓應力；，代表M產生的附加擠壓應力之最大值。§57螺紋聯接的材料及許用應力（一）螺紋聯接件材料常用的螺紋聯接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。當強度要求高時，還可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。普通墊片用Q235，15鋼，彈簧墊片用65Mn鋼。國家標準規(guī)定了螺紋聯接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘的性能等級分為10級，從3.6到12.9（表58），螺母的性能等級分為 7級，從4到12（表59）。螺栓、螺柱、螺釘的性能等級的含義：小數點前的數等于B/100, 小數點后的數等于10S/B。在一般用途的設計中，通常選用4.8級左右的螺栓，在重要的或有特殊要求設計中的螺紋聯接件，要選用高的性能等級，如在壓力容器中常采用8.8級的螺栓。（二