螺纹连接与螺旋传动

1、第第5 5章螺纹连接和螺旋传动章螺纹连接和螺旋传动5 51 1螺纹螺纹5 52 2螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件5 53 3螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧5 55 5螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算5 57 7螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力5 58 8提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施5 59 9螺旋传动螺旋传动5 54 4螺纹连接的防松螺纹连接的防松5 56 6螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计5 50 0 引言引言5-0 5-0 引引 言言 由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零

2、件需要彼此联接。中很多零件需要彼此联接。 机械零件之间的联接分为：机械零件之间的联接分为：被联接件之间相互完全固定。被联接件之间相互完全固定。（形锁合、摩擦锁合、材料锁合）（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。被联接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。例如：运动副。静联接：静联接：动联接：动联接：本课程介绍的联接主要是本课程介绍的联接主要是静联接静联接。联接的类型：联接的类型：螺纹联接螺纹联接键联接、花键联接、销联接键联接、花键联接、销联接弹性环联接等弹性环联接等铆接铆接焊接焊接粘接粘接联联接接可拆可拆联接联接不可拆不可拆联接联接过盈联接过盈联接（介于两者之间）

3、（介于两者之间）一、螺纹的形成一、螺纹的形成5 51 1螺螺 纹纹d d2 2螺旋线螺旋线一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋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转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺纹螺纹一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过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。圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹螺纹按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹

4、矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹螺纹的牙型螺纹的牙型矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹151530303 33030潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋

5、线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹一般一般: : n n 4 4PSS=S=2 2P PP PS SP PS=PS=Pn n线螺纹线螺纹: :S = nS = nP P单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分按螺旋的作用

6、分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹螺纹副螺纹副外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹外螺纹外螺纹

7、内螺纹内螺纹连接螺纹连接螺纹传动螺纹传动螺纹螺旋传动螺旋传动连接螺纹连接螺纹传动螺纹传动螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按螺旋的作用分按母体形状分按母体形状分矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹左旋螺纹单线螺纹单线螺纹多线螺纹多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹连接螺纹连接螺纹传动螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹潘存云教授研制圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹潘存云教

8、授研制潘存云教授研制管螺纹管螺纹(3(3) )中径中径d d2 2 也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。d d1 1d d2 2d d(1)(1)大径大径d d 与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。(2)(2)小径小径 d d1 1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。(4)(4)螺距螺距P P 相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。(5)(5)导程导程S S(6)(6)螺纹升角螺纹升角 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tan=d d2 2 nPnP S = nPS = nP同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线

9、上对应两点间的轴向距P二、螺纹的主要几何参数二、螺纹的主要几何参数S SP PP P/2/2P P/2/2h h(7)(7)牙型角牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。牙侧角牙侧角 d d2 2S(8)(8)接触高度接触高度 h h 内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。 螺纹的精度等级螺纹的精度等级: :A A级级B B级级C C级级公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接用于一般连接，最常用用于一般连接，最常用 普通螺纹以大

10、径普通螺纹以大径d d为公称直径，同一公称直径可以有多种为公称直径，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。纹。6060粗牙螺纹应用最广。粗牙螺纹应用最广。细牙螺纹的优点细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高：升角小、小径大、自锁性好、强度高缺点：缺点：不耐磨，易滑扣。不耐磨，易滑扣。应用：应用：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。P Pd d粗牙粗牙d dP P细牙细牙d dP P细牙细牙梯形螺纹：梯形螺纹：梯梯 形形锯齿形锯齿形30303 33030为了减

11、少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角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。锯齿形螺纹锯齿形螺纹: :常用于传动。常用于传动。= 1515= 3 3 粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基粗牙普通螺纹、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）。本尺寸见后续各表（或查阅相关机械设计手册）。螺纹的基本尺寸：螺纹的基本尺寸：直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mmmmH H=0.866=0.866P P d d2 2= =d d-0.6495-0.6

12、495P P d d1 1= =d d-1.0825-1.0825P PD D1 1、d d1 1内、外螺纹小径内、外螺纹小径 D D2 2、d d2 2内、外螺纹中径内、外螺纹中径 D D、d d 内、外螺纹大径内、外螺纹大径 P P螺距螺距 标记示例：标记示例：M24(M24(粗牙普通螺纹、直径粗牙普通螺纹、直径2424、螺距、螺距3) 3) M24M241.5(1.5(细牙普通螺纹细牙普通螺纹, ,直径直径24,24,螺距螺距1.5)1.5) P PP P/8/8P P/8/8P P/8/8H H/4/4D D d dD D2 2 d d2 2 D D1 1 d d1 1 P P/2/2

13、P P/4/43030 6060 9090 3 0.5 2.675 2.459 3 0.5 2.675 2.459 公称直径（大径）公称直径（大径） 粗粗 牙牙 细细 牙牙 D D d d 螺距螺距P P 中径中径 D D2 2 d d2 2 小径小径 D D2 2 d d2 2 螺距螺距P P 4 0.7 3.545 3.242 4 0.7 3.545 3.242 5 0.8 3.545 4.1345 0.8 3.545 4.1340.350.350.50.56 1 5.350 4.918 6 1 5.350 4.918 8 1.25 7.188 6.647 8 1.25 7.188 6.6

14、47 10 1.5 9.026 8.376 1.25, 1 0.75 10 1.5 9.026 8.376 1.25, 1 0.75 12 1.75 10.863 10.106 1.5, 1.25 0.5 12 1.75 10.863 10.106 1.5, 1.25 0.5 (14) 2 12.701 11.835 (14) 2 12.701 11.835 1.5, 11.5, 116 2 14.701 13.835 16 2 14.701 13.835 (18) 2.5 16.376 15.294 (18) 2.5 16.376 15.294 20 2.5 18.376 17.294 20

15、 2.5 18.376 17.294 (20) 2.5 20.376 19.294 (20) 2.5 20.376 19.294 24 3 22.052 20.752 24 3 22.052 20.752 (27) 3 25.052 23.752 (27) 3 25.052 23.752 30 3.5 27.727 26.211 30 3.5 27.727 26.211 2, 1.5, 12, 1.5, 1注：括号内的公称直径为第二系列注：括号内的公称直径为第二系列 梯形螺纹基本尺寸梯形螺纹基本尺寸 mmmm内螺纹内螺纹外螺纹外螺纹d dP PR R1 1R R2 2D D1 1D D4 4H

16、 H1 1D D2 2 d d2 2d d3 3a ac ca ac c3030 H H4 4R R2 2标记示例：标记示例：Tr48Tr488 8( (梯形螺纹，直径梯形螺纹，直径4848，螺距，螺距8 8) )P P h h3 3= =H H4 4 a ac c 第第1 1系列系列 第第2 2系列系列 D D2 2 d d2 2 D D1 1 螺距螺距 螺纹牙高螺纹牙高 牙顶间隙牙顶间隙 公称直径公称直径d d 中中 径径 内螺纹小径内螺纹小径 12 6.5 0.5 9012 6.5 0.5 90、100 85100 85、95 95 d d-6 -6 d d-12-12 10 5.5 0

17、.5 4010 5.5 0.5 40、7070、80 3880 38、4242、65 65 d d-5 -5 d d-10-10 8 6.5 0.5 488 6.5 0.5 48、52 4652 46、50 50 d d-4 -4 d d-8-8 4 2.25 0.25 164 2.25 0.25 16、18 18 d d-2 -2 d d-4-4 5 2.75 0.25 245 2.75 0.25 24、28 2228 22、26 26 d d-2.5 -2.5 d d-5-5 6 2.25 0.5 326 2.25 0.5 32、36 3036 30、34 34 d d-3 -3 d d-

18、6-6 d dd d2 2d d1 1P P用螺纹密封的管螺纹用螺纹密封的管螺纹普通细牙螺纹普通细牙螺纹管螺纹管螺纹非螺纹密封管螺纹非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁（圆柱管壁 = 55 = 55）用螺纹密封管螺纹用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁（圆锥管壁 = 55 = 55）60圆锥管螺纹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55 55 55 55 非螺纹密封的管螺纹非螺纹密封的管螺纹d dd d2 2d d1 1P P2 25 52 2螺纹连接的类型及标准连接件螺纹连接的类型及标准连接件一、一、螺

19、纹连接的基本类型螺纹连接的基本类型1 1、螺栓连接、螺栓连接e ea aa al l1 1l l1 1可承受横向载荷螺纹余留长度螺纹余留长度l l1 1 ; 铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓静载荷静载荷l l1 1=(0.3=(0.30.5)0.5)d d ;变载荷变载荷l l1 1=0.75=0.75d d ;冲击载荷或弯曲载荷冲击载荷或弯曲载荷l l1 1d d ;铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓l l1 1d d ;螺纹伸出长度螺纹伸出长度a a=(0.2=(0.20.3)0.3)d d ;螺栓轴线到被连接件边缘的螺栓轴线到被连接件边缘的距离距离 e e= =d d+(3+(36) mm6) mm用于经

20、常拆装易磨损之处。潘存云教授研制潘存云教授研制d dd d孔与螺杆之孔与螺杆之间留有间隙间留有间隙普通螺栓普通螺栓潘存云教授研制座端拧入深度座端拧入深度H H，当螺孔材料为：当螺孔材料为：a ae e双头螺柱连接双头螺柱连接连接件厚，允许拆装。钢或青铜钢或青铜 H H= =d d; ;铸铁铸铁 H H=(1.25=(1.251.5)1.5)d d铝合金铝合金 H H=(1.5=(1.5 2.5)2.5)d d螺纹孔深度螺纹孔深度 H H1 1= =H H+(2+(2 2.5)2.5)P P; ;钻孔深度钻孔深度 H H2 2= =H H1 1+(0.5+(0.5 1)1)d d; ;参数参数l

21、 l1 1 、e e、a a与螺栓相同与螺栓相同 l l1 1H HH1H1H1H1H H2 2螺钉连接螺钉连接用于结构简单，省用于结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。免损坏螺孔而修复困难。e el l1 1H HH H2 2d d2 2、螺钉连接和双头螺柱连接、螺钉连接和双头螺柱连接 潘存云教授研制紧定螺钉紧定螺钉3、紧定螺钉连接、紧定螺钉连接紧定螺钉连接紧定螺钉连接用于固定两个零件的相对位置并可传递不大的力或转矩。二、二、螺纹紧固件螺纹紧固件1 1、螺栓、螺栓螺栓的结构形式螺栓的结构形式L LL L0 0d d六角头六角头L Ld dL L0

22、0小六角头小六角头d dL L0 0L L1 1L LL L1 1 座端长度座端长度L L0 0 螺母端长度螺母端长度2 2、双头螺柱、双头螺柱末端末端结构结构头部头部结构结构3、螺钉、紧定螺钉、螺钉、紧定螺钉潘存云教授研制地脚螺栓地脚螺栓 起吊螺钉起吊螺钉 4 4、专用螺纹连接、专用螺纹连接T T 型螺栓型螺栓 用于经常拆装易磨损之处。用于尺寸受限制之处。国标罗列有余种不同结构的螺母5、螺母、螺母六角螺母六角螺母六角扁螺母六角扁螺母六角厚螺母六角厚螺母圆螺母圆螺母潘存云教授研制6、其它螺母：、其它螺母：潘存云教授研制7 7、垫圈、垫圈 平垫圈平垫圈薄平垫圈薄平垫圈A A型平垫圈型平垫圈B B

23、型平垫圈型平垫圈斜垫圈斜垫圈弹簧垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈作用作用：增加支撑面积以减小压：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。防松。普通螺栓连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普通螺栓联接普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接螺钉联接螺钉联接螺钉联接螺钉联接螺钉联接螺钉连接螺钉连接螺钉拧入深度H: 钢或青铜 Hd 铸铁 H=(1.251.5)d 铝合金 H=(1.52.5)d双头螺柱连接其他螺纹连接类型紧定螺钉连接地脚螺栓连接吊环螺栓连接T型槽螺栓连接紧定螺钉连接紧定螺钉连接锥端紧

24、定螺钉平端紧定螺钉地脚螺栓连接吊环螺栓连接吊环螺栓连接T型槽螺栓连接5 53 3螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧预紧力：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。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：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。接件间出现缝隙或发生相对移动。预紧力的确定原则预紧力的确定原则： 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超

25、过其材料的屈服极限材料的屈服极限s ss s的的80%80%。 一、概述一、概述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。碳素钢螺栓：碳素钢螺栓：F F0 0(0.6(0.60.7) s s A1合金钢螺栓：合金钢螺栓：F F0 0 (0.5(0.50.6) s s A1A A1 1 危险截面积，危险截面积， A A1 1 d d2 21 1/4/40212c0 f()2vF dTTTtgf F r0212tan()2vFdTTT二、二、 拧紧力矩拧紧力矩T T1 1 克服螺纹副

26、相对转动的阻力矩；克服螺纹副相对转动的阻力矩；T T2 2 克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；设预紧力为设预紧力为F F0 0 或预紧力（不受轴向载荷） f fc c 摩擦因子。摩擦因子。 无润滑时取无润滑时取 f fc c =0.15 =0.15r rf f 支撑面摩擦半径支撑面摩擦半径简化公式简化公式 适用于M10M-64的粗牙螺纹， f=0.15, fc=0.15, T T 0.2 0.2 F F0 0 d d总力矩总力矩 F Fa ad d0 0d dT T测力矩扳手测力矩扳手预紧力控制方法预紧力控制方法: :连接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变

27、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。F F定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。(1)(1)凭手感经验凭手感经验(2)(2)测力矩扳手测力矩扳手(3)(3)定力矩扳手定力矩扳手(4)(4)测定伸长量测定伸长量L LS SL LM ML LS S尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母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，

28、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。防松的方法防松的方法 1. 1. 利用附加摩擦力防松利用附加摩擦力防松弹簧垫圈弹簧垫圈对顶螺母对顶螺母5 53 3螺纹连接的防松螺纹连接的防松防松防松防止螺旋副相对转动。防止螺旋副相对转动。 开口销与六开口销与六角开槽螺母角开槽螺母串联钢丝串联钢丝2. 2. 采用专门防松元件防松采用专门防松元件防松圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈潘存云教授研制止动垫圈止动垫圈潘存云教授研制潘存云教授研制冲点防松法冲点防松法3. 3. 其它方法防松其它方

29、法防松1 11.51.5P P用冲头冲用冲头冲2 2至至3 3点点粘合法防松粘合法防松涂粘合剂涂粘合剂5 55 5螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算螺栓连接螺栓连接的主要失的主要失效形式效形式滑扣滑扣 因经常拆装受拉螺栓受拉螺栓塑性变形塑性变形 螺纹部分疲劳断裂疲劳断裂受剪螺栓受剪螺栓 剪断剪断压溃压溃 螺杆和孔壁的贴合面经常拆卸经常拆卸 轴向变载荷轴向变载荷断裂断裂潘存云教授研制螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。 一、松螺栓连接强

30、度计算一、松螺栓连接强度计算强度条件强度条件21 /4Fd式中式中 d d1 1 螺纹小径螺纹小径 mmmm ， 许用许用应力应力二、紧螺栓连接强度计算二、紧螺栓连接强度计算FF力除以面积设计公式设计公式14 Fd装配时需要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。1. 1. 仅承受预紧力的紧螺栓连接仅承受预紧力的紧螺栓连接2. 2. 承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接3. 3. 承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接装配时不须要拧紧在拧紧力矩的作用下，螺栓受轴向拉力在拧紧力矩的作用下，螺栓受轴向拉力F F0和螺纹摩擦力矩和螺纹摩擦力矩T T1的双重作用。的

31、双重作用。021/ 4Fd拉应力拉应力1. 1. 仅承受预紧力的紧螺栓连接仅承受预紧力的紧螺栓连接扭转切应力扭转切应力113T1/16TTWd0231tan()2/16vFdd022112tan()/4vFddd分母为抗剪截面系数1.3对于对于M10M10M64M64的普通钢制螺纹，可取：的普通钢制螺纹，可取： 得：得： 0.5 0.5计算应力计算应力22ca322)5 . 0( 3由此可见，对于M10 - M64普通螺纹的钢制紧螺栓连接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑扭转的影响。0ca211.3/ 4Fd强度条件强度

32、条件又又螺栓材料塑性，根据第四强度理论可得螺栓材料塑性，根据第四强度理论可得Tanv f =0.17， d2 /d1=1.041.08, tan 0.05 当普通螺栓连接承受横向工作载荷时，当普通螺栓连接承受横向工作载荷时， 预紧力预紧力F F0 0导致接合面所产生的摩擦力应大导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷于横向载荷F F。K Ks s 可靠性系数，常取可靠性系数，常取 K Ks s =1.1=1.11.31.30sKFFfz i预紧力预紧力F F0 0 f f 接合面接合面摩擦系数，对钢与铸铁，摩擦系数，对钢与铸铁， 取取 f f =0.1=0.10.160.16i i 结合面数结合

33、面数 上图上图 i i=1,=1,下图下图 i i=2=2若取若取 f f =0.15=0.15， K Ks s=1.2, =1.2, i i=1, z =1=1, z =1则则F F0 0 8 8F F螺栓结构尺寸大螺栓结构尺寸大F FF FF FF/2F/2F/2F/2F F0 0F F0 0F F0 0F F0 0F FF/2F/2F/2F/2改进措施：改进措施： (1)(1)采用键、套筒、销承担横向工作载荷。采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用螺栓仅起连接作用(2)(2)采用无间隙的铰制孔用螺栓。采用无间隙的铰制孔用螺栓。2. 2. 受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接受预紧力

34、和工作拉力的紧螺栓连接设缸内流体压强为设缸内流体压强为p p，螺栓数目为，螺栓数目为Z Z，则缸体周围每个螺，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为栓的平均载荷为p pD D2 2/4/4F F = =Z ZD Dp pF FF F潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制 预预紧紧 状态状态潘存云教授研制特别注意，轴向载荷：特别注意，轴向载荷：F F2 2 F F+ +F F0 0加预紧力后加预紧力后螺栓受拉伸长螺栓受拉伸长b b被连接件受压缩短被连接件受压缩短m m加载加载 F F 后后: :螺栓总伸长量增加为螺栓总伸长量增加为 总拉力为总拉力为 被连接件压缩量减少为被

35、连接件压缩量减少为 残余预紧力减少为残余预紧力减少为 F F1 1 很显然很显然 F F1 1 F F0 0 被连接件放松了 F F1 1推荐值推荐值 见见 P83P83+ +b bm m - - F F0 0F F0 0受载受载变形变形松弛松弛状态状态潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F F2 2F F2 2F F2 2= =F F+ +F F1 1F F1 1F F1 1F FF Fm mb b F F0 0F F0 0螺栓变形螺栓变形b b力力F F0 0arctanarctanC Cb bF Fb bF Fm m螺栓变形螺栓变形力力F F2 2F F1 1F FF F0 0b

36、bm m连接件变形连接件变形力力F F0 0arctanarctanC Cm mm mF F1 1推荐值推荐值 见见 P83P83力力螺栓变形螺栓变形arctanarctanC Cb bF= F= F Fb b + +F Fm m=(=(C Cb b +C +Cm m ) ) F F1 1= F= F0 0- - F Fm m= F= F0 0 - - C Cm m F F2 2= F= F0 0 + + F Fb b= F= F0 0 + +C Cb b C Cb b +C +Cm mF F= =F FF F2 2F Fb bF F0 0F Fm mF F1 1相对刚度系数相对刚度系数C C

37、b b +C +Cm mC Cb bF F2 2 = F = F0 0 +F +FC Cb b +C +Cm mC Cb bF F1 1 = F = F0 0 F F代入得：代入得：1表表5 54 4螺栓的相对刚度系数螺栓的相对刚度系数垫片类型垫片类型 金属垫片或无垫片金属垫片或无垫片 皮革皮革 铜皮石棉铜皮石棉 橡胶橡胶 0.20.20.3 0.7 0.8 0.90.3 0.7 0.8 0.9C Cb b +C +Cm mC Cb b2ca211.3/ 4Fd静强度条件静强度条件2141 .3Fd设计公式设计公式受轴向变载荷的重要连接，还应进行疲劳强度校核。受轴向变载荷的重要连接，还应进行疲

38、劳强度校核。当工作拉力在当工作拉力在0 0F F之间变化时，之间变化时，螺栓所受总拉力在螺栓所受总拉力在F F0 0 F F2 2之间之间变化。变化。F F2 2 F F0 0 m m b bF F 若不考虑摩擦力矩的影响，有若不考虑摩擦力矩的影响，有2max21/ 4Fd最大拉应力：0min21/ 4Fd最小拉应力：maxminba2bm122CFCCd应 力 幅 ：D DI I因为因为min min = =constconst , , 应力工作点应力工作点M M落在落在ODG IODG I区域内，依据疲劳强度区域内，依据疲劳强度理论有理论有-1tcmincaamin2()()(2)KSSK

39、其中其中 -1tc-1tc 螺栓材料的对称螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。循环拉压疲劳极限。疲劳极限疲劳极限-1-1 -1tc-1tc10 16010 160220 120220 120150150Q215 170Q215 170220 120220 12016016035 22035 220300 17030025045 250340 190340 19025025040Cr 32040Cr 320440 240440 240340340材材 料料 材料特性系数材料特性系数碳素钢碳素钢 =0.1=0.10.20.2合金钢合金钢 =0.3=0.30.30.3minmi

40、n-1e-1e-1-1a am mO OC CA AS S G GMM3K K 综合影响系数综合影响系数S S 安全系数安全系数 见见P87 表表5-10这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在连接接合面处，螺栓杆则受剪切。3 3承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 螺栓杆的剪切强度条件为螺栓杆的剪切强度条件为 F F 螺栓所受的工作剪力，单位为螺栓所受的工作剪力，单位为N N；PP0minFd L 204FdL Lminmin铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓FFd d0 0设计时应使设

41、计时应使 L Lminmin1.251.25d d0 0d d0 0 螺栓剪切面的直径螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直（可取螺栓孔直径径），单位为），单位为mmmm；L Lminmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度， 单位为单位为mmmm。5 56 6螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计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。、为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连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接结合面受力均匀，通常连接接合面的几何形状都设计成设计成一、螺栓

42、组连接的结构设计一、螺栓组连接的结构设计基本原则基本原则（六项）：（六项）：大多数机械中螺栓都是成组使用的。大多数机械中螺栓都是成组使用的。轴对称的简单几何形状轴对称的简单几何形状 圆形圆形 圆环形圆环形 矩形矩形 矩形框矩形框 三角形三角形 、螺栓布置应使各螺栓的受力合理螺栓布置应使各螺栓的受力合理FF(1) (1) 对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向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个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；上成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；潘存云教授研制潘存云教授研制合理不合理(2)(2)当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓

43、的位置适当靠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。近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。(3)(3)当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗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）剪零件来承受横向载荷。（键、套筒、销等）dhD、螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间潘存云教授研制60CCEE60扳手空间的尺寸见有关标准。AB对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺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。栓的间

44、距不大于下表所推荐的取值。t0潘存云教授研制螺栓间距t0工作压力/MPa7d 5d 4.5 4d 3.5 3d t0 /mm 1.6 1.64 410 1016 1620 2030 d、为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通、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常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4 4、6 6、8 8等偶数。等偶数。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同支承面倾斜支承面倾斜采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构支承面不平支承面不平保证被连接件，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

45、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。、避免螺栓承受附加的弯曲载荷避免螺栓承受附加的弯曲载荷切削加工支承面切削加工支承面支承面倾斜支承面倾斜、合理选择螺栓组的防松装置合理选择螺栓组的防松装置二、螺栓组连接的受力分析二、螺栓组连接的受力分析受力分析的目的受力分析的目的: : 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。受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。受力分析时所作假设受力分析时所作假设: : (1) (1)所有螺栓的材料、直径

46、、长度和预紧力均同；所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均同； (3)(3)受载后连接接合面仍保持为平面受载后连接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：受力分析的类型：(2)(2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；受转矩受转矩受横向载荷受横向载荷受轴向载荷受轴向载荷受倾覆力矩受倾覆力矩M M（1 1）对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为（2 2）对于普通螺栓连接对于普通螺栓连接 ，按预紧后接合面间所产生的最大摩，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，有擦力必须大于或等于横向载

47、荷的要求，有式中式中 z z为螺栓数目。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。1 1受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接zFF0SfF ziK FK Ks s为防滑系数，设计中可取为防滑系数，设计中可取K Ks s =1.1 =1.11.31.3。铰制孔螺栓铰制孔螺栓FFFF普通螺栓S0K FFfzi或或潘存云教授研制TO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。2 2受转矩的螺栓组连接受转矩的螺栓组连接01020zsF frF frF frK T1,zi iiFrT采用普通螺栓，是靠连接预紧后采用普通螺栓，是靠连接预紧后

48、在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩矩T T。采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩转矩T T。maxmax,iiFFrrmaxmax21ziiTrFrS01ziiK TFfrTrmaxFmaxr1f F0f F0r2riFi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，F=Kri,iiFK r剪切力与距离r的比值为常数D D3 3受轴向载荷的螺栓组连接受轴向载荷的螺栓组连接若作用在螺栓组上轴向总载荷若作用在螺栓组上轴向总载荷F F作用线与螺栓作用线与螺栓轴线平行，并通过

49、螺栓组的对称中心，则各个螺栓受轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为通常，各个螺栓还承受预紧通常，各个螺栓还承受预紧力力F F0 0的作用，当连接要有保证的残的作用，当连接要有保证的残余预紧力为余预紧力为F F1 1时，每个螺栓所承受时，每个螺栓所承受的总载荷的总载荷F F2 2为为zFF=F F2 2 = = F F1 1 + + F Fp pFF FF F4 4受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接倾覆力矩 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

50、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。单个螺栓拉力产生单个螺栓拉力产生的力矩为的力矩为F F1 1F F0 0 F F0 0 p p ( ( F F 0 0引起引起) )F F2m2mp2p2( ( F F1m1m引起引起) )p1p1( ( F F1 1引起引起) )L Li iL LmaxmaxO OO Ox xx xO OM MM MM Mi i= F= Fi i L Li i iimaxmax=rFrF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。iiFKr螺栓承受的

51、载荷与距离成正比螺栓承受的载荷与距离成正比 强调是基座上的压力单个螺栓的受力分析单个螺栓的受力分析未加倾覆力矩时，工未加倾覆力矩时，工作点在作点在A A。M Mi i=0=0施加倾覆力矩施加倾覆力矩M M时，时，左边的螺栓，工作点移至左边的螺栓，工作点移至B B1 1 和和C C1 1 右边的螺栓，工作点移至右边的螺栓，工作点移至B B2 2 和和C C2 2 左边螺栓总拉力增加，左边螺栓总拉力增加，右边螺栓总拉力减小。右边螺栓总拉力减小。F F1m1m F Fm m F F2m2m F F1 1 F F F F2 2 C C2 2 O Om m 力力 变形变形 O Ob b C C1 1 B

52、 B2 2 B B1 1 A A F F0 0 1ziiiMFL作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M M平衡，即平衡，即iiLFLFmaxmax由：iiLLFFmaxmax求得最大工作载荷ZiLMLF12imaxmax0PmaxPzFMAW00minPWMAzF为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求现间隙，要求接合面的有效面积接合面的有效面积接合面的有效抗弯截面系数接合面的有效抗弯截面系数地基接合面的许用压应力地基接合面的许用压应力螺栓的总拉力螺栓的总拉力maxmbb02FCCCFF连接接合面材料的许用挤压

53、应力材料 钢 铸铁 混凝土 砖(水泥浆缝) 木材p (MPa) 0.8S (0.40.5)B 2.03.0 1.52.0 2.04.05 57 7螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力一、螺纹连接件材料一、螺纹连接件材料螺栓、螺柱、螺钉常用材料：螺栓、螺柱、螺钉常用材料：Q215Q215、Q235Q235、3535、4545等碳素钢；等碳素钢；特殊用途特殊用途( (防磁、导电防磁、导电):): 特殊钢、铜合金、特殊钢、铜合金、铝合金等，并经表面处理铝合金等，并经表面处理螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为1010级级。作为标准零件，螺纹连接件是按其性能等级选用的。对于

54、一定性能等级的螺纹连接件应具备一定的强度极限。冲击振动场合用：冲击振动场合用：15Cr15Cr、40Cr40Cr、 30CrMnSi30CrMnSi等合金钢。等合金钢。普通垫圈：普通垫圈：Q235Q235、1515、 3535弹簧垫圈：弹簧垫圈： 65Mn65Mn = =点前数字点前数字 X X 100100；= =点前数字点前数字 X X 点后数字点后数字 X 10X 10选用原则：选用原则： 一般用途：通常选用一般用途：通常选用4.84.8级左右的螺栓，级左右的螺栓， 重要场合：要选用高的性能等级，重要场合：要选用高的性能等级， 如在压力容器中常采用如在压力容器中常采用8.88.8级的螺栓

55、。级的螺栓。螺母的性能等级分为 7级。螺母性能等级数字粗略表示其所能保证最小螺母性能等级数字粗略表示其所能保证最小应力的应力的1/100；二、螺纹连接件的许用应力二、螺纹连接件的许用应力 螺纹连接件的许用应力与载荷性质螺纹连接件的许用应力与载荷性质( (静、变载荷静、变载荷) )、装配情况装配情况( (松、紧连接松、紧连接) )、材料、结构尺寸有关。、材料、结构尺寸有关。许用拉应力许用拉应力 许用切应力和挤压应力许用切应力和挤压应力 S SS SSPPS被连接件为钢被连接件为钢PBPS被连接件为铸铁被连接件为铸铁S S 、S Sp p 安全系数，其取值详见安全系数，其取值详见P87P87表表5

56、-105-105 58 8提高螺栓连接强度的措施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：承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂疲劳断裂容易断裂部位：容易断裂部位：提高螺栓连接强度的措施有哪些呢？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%65%20%20%15%15%一、降低影响螺栓总拉伸载荷一、降低影响螺栓总拉伸载荷F F2 2的变化范围的变化范围轴向工作载荷轴向工作载荷F F的变化范围的变化范围 0 0F F总拉伸载荷的总拉伸载荷的F F2 2变化范围变化范围 C Cb b 所以所以 C Cm m F F2

57、 2变化范围变化范围 F F C Cb b+ C+ Cm mC Cb bF F0 0 F F0 0 +F +F=F=F2 2F F0 0 m m b b措施一：措施一：降低螺栓刚度（降低螺栓刚度（ C Cb b C Cb b , , b b b b ）F F F F F F1 1 F F2 2 虽然F F= =F F但有F F C Cm m , , m m m m ） 措施三：措施三：综合措施（综合措施（ C Cb b C Cm m , F , F0 0 F F0 0 ）F F2 2F FF F F F1 1b bF F0 0m m F F F F强调残余预紧力减小F F= =F FF F=

58、=F F， F F1 1 = =F F 1 1F F F F2 2 F F3 3 F F4 4 F F5 5螺螺栓栓杆杆F F潘存云教授研制螺螺栓栓杆杆F F螺母体螺母体均载螺母均载原理均载螺母均载原理 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。10圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。10101515悬置螺母悬置螺母环槽螺母环槽螺母内斜螺母内斜螺母10101515内斜与环槽螺母内斜与环槽螺母均载原理相同均载原理相同螺母也受拉螺母也受拉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。均载均载元件元件悬置螺母悬置螺母环槽螺母环槽螺母内斜螺母内斜

59、螺母内斜与环槽螺母内斜与环槽螺母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；钢丝螺套钢丝螺套 P90P90加工复杂，加工复杂，仅限于用在仅限于用在重要场合或大型连接。重要场合或大型连接。采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构三、减小应力集中三、减小应力集中1.1.增大过渡圆角增大过渡圆角2.2.切制卸载槽切制卸载槽r r四、避免或减小附加应四、避免或减小附加应力力3.3.卸载过渡结构卸载过渡结构要从结构、制造与装配精度采取措施。要从结构、制造与装配精度采取措施。支承面不平支承面不平切削加工支承面切削加工支承面潘存云教授研制五、采用特殊制造

60、工艺五、采用特殊制造工艺冷镦头部、滚压螺纹冷镦头部、滚压螺纹疲劳强度提高疲劳强度提高30%30% 比车削 若热处理后再滚压可提高若热处理后再滚压可提高70%-100%70%-100%；表面处理氰化、氮化也能提高疲劳强度。表面处理氰化、氮化也能提高疲劳强度。球面垫圈球面垫圈采用球面垫圈和采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。栓的装配精度。腰环螺栓腰环螺栓潘存云教授研制潘存云教授研制例题例题 P92P921 1、螺栓组结构设计：、螺栓组结构设计：确定螺栓布置方式及螺栓个数确定螺栓布置方式及螺栓个数Z Z；2 2、螺栓受力分析：、螺栓受力分析：轴向力、横向力、倾覆力矩，求出