第16章 螺纹联接

第三篇联接零件和轴系零部件设计

第十三章螺纹联接本章主要内容螺纹联接的基本类型和标准联接件螺栓联接的预紧与防松螺栓联接的强度计算螺栓组联接的设计提高螺纹联接强度的措施本章基本要求

1、掌握螺蚊联接的基本知识。应了解螺纹联接的类型、特性、标准、结构、应用场合，预紧和防松的方法，以便能够正确地选用。2、掌握螺栓联接强度计算的理论与方法，能进行受力分析和强度计算。3、掌握螺栓组联接的结构设计、受力分析，能够较合理地设计出可靠的螺栓组联接。4、掌握提高螺纹联接强度的各种措施。本章重点与难点本章重点是螺栓组联接的设计（1）首先要进行正确结构设计，解决螺栓组的布置问题。（2）然后通过螺栓组的受力分析,找出受力最大的螺栓，并求出其所受的力；（3）再进行单个螺栓联接的强度计算；或按照强度计算公式来设计受力最大的螺栓直径，其余螺栓按此选用。

复杂受力状态下的螺栓组联接受力分析、强度计算。本章重点本章难点第一节螺纹联接的基本类型和标准联接件一、螺纹联接的基本类型

（一）螺栓联接

如图示,螺栓联接用于联接两个便于加工通孔的较薄零件。孔与螺栓不配合，加工精度要求低，结构简单，拆装方便，损坏后容易更换。a)普通螺栓联接b)铰制孔用螺栓联接图13－1螺栓联接（二）螺钉联接两被联接件中，若其中一个被联接件较厚不便钻通孔，可采用螺钉联接。在较薄的零件上加工通孔，在较厚的零件上首先加工盲孔，然后在盲孔上攻丝。直接在不能制出通孔的联接件上加工螺纹孔代替螺母，将螺钉拧入被联接件之一的螺纹孔内实现联接称为螺钉联接。如图13－2a所示。图13－2a螺钉联接第一节螺纹联接的基本类型和标准联接件（三）双头螺柱联接当螺钉联接需要经常拆卸或螺钉无法安装时，可以采用双头螺柱联接。将双头螺柱的一端旋入并紧定在被联接件的螺孔中，另一端穿过另一被联接件的孔并拧入螺母实现联接。如图13－2b所示。图13－2b双头螺栓联接第一节螺纹联接的基本类型和标准联接件（四）紧定螺钉联接紧定螺钉联接如图13－3所示，用来固定两零件间的相互位置，用于传递不大的力及力矩。多用于轴和轴上零件的联接。图13－3紧定螺钉联接第一节螺纹联接的基本类型和标准联接件二、标准螺纹联接件(GB/T3103.1－2002)机械制造中常见的螺纹联接件有：螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈。螺纹联接件分为三个精度等级（根据国标GB/T3103.1－2002）：A级－用于重要零件的联接；B级－用于受载大经常装拆或受变载的联接。

C级－用于一般联接。第一节螺纹联接的基本类型和标准联接件第二节螺纹联接的预紧和防松一、螺纹联接的预紧预紧力F0与拧紧力矩T:

为保证工作所需的预紧力，又不使螺纹联接件过载损坏，对重要的联接，装配时应控制预紧力F0。预紧力的大小是通过拧紧力矩T来控制的。M10～M64的普通粗牙螺纹的拧紧力矩为：预紧目的：

增加可靠性和紧密性，防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对位移。控制预紧力的方法：1.借助测力矩板手、定力矩板手，控制拧紧力矩。2.重要联接，控制螺栓伸长量。图13－4控制拧紧力矩的扳手a)测力矩板手b)定力矩板手二、螺纹联接的防松

（一）摩擦防松防松的关键是防止螺旋副在受载时发生相对转动。（1）对顶螺母防松；（2）弹簧垫圈防松；（3）自锁螺母防松第二节螺纹联接的预紧和防松a）对顶螺母b）弹簧垫圈c）金属锁紧螺母d）尼龙圈锁紧螺母图13－5常用的摩擦放松形式（二）机械防松利用各种止动零件，阻止拧紧的螺纹零件相对转动。机械防松比较可靠，应用广泛,常用的如图示.对不拆的联接，可用破坏螺纹副、粘接的方法防松。a）槽形螺母和开口销b）圆螺母和带翅垫圈c）止动垫片防松图13－6常用的机械防松形式d）串联钢丝第二节螺纹联接的预紧和防松第三节螺拴联接的强度计算一、螺纹联接的失效形式和计算准则保证螺栓的挤压强度和剪切强度螺纹联接的失效形式受拉螺栓受剪螺栓螺栓杆和螺纹部分塑性变形或断裂螺栓杆和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断螺纹联接的设计准则受拉螺栓受剪螺栓保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度。二、螺纹联接件的材料及许用应力（一）螺纹联接件的常用材料常用材料：Q215、Q235、25、45号钢对承受冲击、振动或变载荷可采用：15Cr、20Cr、40Cr、15MnVB、30CrMnSi等合金钢对特殊用途可采用：特种钢或铜合金、铝合金等常用材料的力学性能：见表13－1螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分十级；螺母性能等级分七级。见表13－2（二）螺纹联接件的许用应力见表13－3、13－6第三节螺拴联接的强度计算二、螺纹联接件的材料及许用应力（一）螺纹联接件的常用材料常用材料：Q215、Q235、25、45号钢对承受冲击、振动或变载荷可采用：15Cr、20Cr、40Cr、15MnVB、30CrMnSi等合金钢对特殊用途可采用：特种钢或铜合金、铝合金等常用材料的力学性能：见表13－1螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分十级；螺母性能等级分七级。见表13－2（二）螺纹联接件的许用应力见表13－3、13－6第三节螺拴联接的强度计算在拧紧螺母时，螺栓受F0和T1所产生的拉伸与扭转的复合应力作用。三、普通螺栓联接的强度计算（确定螺纹小径）

1.只承受预紧力的紧螺栓联接的强度计算危险截面拉伸强度条件：图13－7受横向工作载荷的普通紧螺栓联接第三节螺拴联接的强度计算减载零件承受横向工作载荷靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓联接要求保持较大的预紧力,使结构尺寸增大。在振动、冲击和变载荷下，有可能出现松脱。

为此，采用减载零件承担横向工作载荷，螺栓仅起联接作用。a）用减载销b）用减载套筒c）用减载键图13－8承受横向载荷的减速装置第三节螺拴联接的强度计算受工作载荷时：螺栓：受拉伸，

伸长增量被联接件：受

压缩压缩增量

2.受预紧力F0和轴向工作载荷F共同作用的紧螺栓联接强度计算受轴向工作载荷

F后，总拉力F1＝?

螺母未拧紧时螺母拧紧时受工作载荷时图13－9单个螺栓联接的受力—变形图第三节螺拴联接的强度计算螺母拧紧时：螺栓：受拉伸，伸长量被联接件：受

压缩压缩量

残余预紧力螺栓的相对刚度见表13－7由图所示的几何关系，可得：图13－10单个螺栓联接的力—变形线图单个螺栓联接的力－变形线图第三节螺拴联接的强度计算为降低螺栓的受力，提高螺栓联接的承载能力，应使螺栓的相对刚度值尽量小些，取较硬的垫片。螺栓的相对刚度通过计算或实验确定：见表13－7金属垫片0.2～0.3；皮革垫片0.7；铜皮石棉垫片0.8；橡胶垫片0.9。螺栓的相对刚度对一般联接，工作载荷稳定时，可取对于地脚螺栓联接，可取对外载荷有变化时，可取为保证联接的刚性或紧密性，残余预紧力应对于有紧密性要求的联接，可取第三节螺拴联接的强度计算（1）受轴向静载荷作用时的强度计算1）求出螺栓工作载荷F2）按联接要求选择预紧力F2（或由F0求出F2）3）计算总拉力F1＝F2＋

F4）计算螺栓强度：根据联接的受载情况：考虑联接在外载荷作用下可能进行补充拧紧，以及考虑螺纹力矩产生的扭转切应力的影响，则螺栓危险截面的拉伸强度条件为第三节螺拴联接的强度计算（2)

受轴向变载荷作用时的强度计算单位为MPa，由表13－3公式计算1）按静强度计算初定d1

图13－11受轴向变载荷螺栓中拉力的变化2）校核疲劳强度：第三节螺拴联接的强度计算四.铰制孔用螺栓联接的强度计算联接所受预紧力很小，设计强度计算时可不考虑预紧力和螺纹面间摩擦力矩的影响。螺栓材料的许用切应力、螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，单位均为MPa。见表13－6。螺栓杆的抗剪切强度条件：螺栓杆与孔壁的抗压强度条件：图13－12受横向工作载荷的铰制孔用螺栓联接失效形式：接触面压溃及螺栓剪切。第三节螺拴联接的强度计算结构设计受力分析按联接用途和被联接件结构，选定螺栓的数目和布置形式按联接结构和受载情况找出受力最大的螺栓求出其所受力螺纹联接的设计强度计算计算受力最大的螺栓的强度。第四节螺栓组联接的设计一、螺栓组联接的结构设计1）联接接合面几何形状与机器机构相适应，设计成轴对称的简单几何形状；2）螺栓布置应使各螺栓的受力合理；3）分布在同一圆周上的螺栓数量应为偶数,同组螺栓的直径、长度、材料应相同；4）螺栓的排列应有合理的间距、边距一般情况t0

=（5～8）d对接合面无要求t0

=10要求较高的重要联接见表13－8；图13－13螺栓联接常见布置方式图13－14凸台与沉头座a）凸台b）沉头座5）螺栓与螺母的支撑面应平整，与螺栓轴线垂直;6）螺栓联接中，设计有可靠的防松装置。第四节螺栓组联接的设计二、螺栓组联接的受力分析

（一）受轴向载荷FQ的螺栓组联接每个螺栓所受轴向工作载荷F相等：

z—螺栓数目为简化计算，螺栓组受力分析假设：1、各螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；2、被联接件为刚体，受载后联接接合面保持为平面；3、螺栓的变形在弹性范围内。第四节螺栓组联接的设计（二）受横向载荷的螺栓组联接

(1)采用普通螺栓联接---结合面的摩擦因数,见表13－9；——接合面对数——可靠性系数取1.1－1.3联接的静力平衡条件：预紧力：如图示，靠螺母拧紧后在联接接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷。第四节螺栓组联接的设计图13－7以被联接件接合面不滑移为计算准则（2）采用铰制孔螺栓联接每个螺栓所受的横向工作剪力：二、螺栓组联接的受力分析

（二）受横向载荷的螺栓组联接螺栓联接拧紧力矩不大，在强度计算中不考虑预紧力和摩擦力。计算时近似认为各螺栓所承担的工作载荷相等。如图示，靠螺栓杆受剪切和螺栓杆与孔壁间受挤压来传递横向载荷。第四节螺栓组联接的设计(三)受扭转力矩T的螺栓组联接

（1）采用普通螺栓联接式中：—螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离，单位为㎜。根据底板上各力矩平衡条件得或所需预紧力：

图13－16受扭转力矩的螺栓组联接用普通螺栓联接用铰制孔用螺栓联接第四节螺栓组联接的设计（2）采用铰制孔用螺栓联接根据底板上各力矩平衡条件得根据螺栓变形协调条件受力最大螺栓所受的工作剪力在实际工作中，螺栓组联接所受的工作载荷常常是若干种简单受力状态的不同组合。在螺栓组联接中不论受力状态如何复杂，都可以简化成几种简单受力状态，再按理的叠加原理求出螺栓的受力。第四节螺栓组联接的设计例例一厚度δ=12mm的钢板，用4个螺栓固联在厚度为的铸铁支架上，螺栓的布置有a.b两种方案，如图13-17所示。已知：螺栓材料为Q235，［σ］=95MPa，［τ]=96MPa,钢板［σp]=320MPa,铸铁［σp1]=180MPa，接合面间的摩擦因数f=0.15,可靠性系数Kf=1.2,载荷F∑=12000N，尺寸l=400mm,a=100mm．（１）试比较哪种螺栓布置方案合理？（２）按照螺栓布置合理方案，分别确定采用普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接时的螺栓直径．图13－17托架螺栓组联接

（１）将载荷简化将载荷F∑向螺栓组联接接合面形心O简化，得一横向载荷F∑=12000N和一旋转力矩如图示。例－1图13－18托架螺栓组联接（一）（２）确定各个螺栓所受的横向载荷在横向载荷F∑的作用下，各个螺栓所受的横向载荷F1大小相同，与F∑同向。解：１．螺栓组联接受力分析由图a可知，螺栓１和２所受两力的夹角α最小，故螺栓１和２所受的横向载荷最大。例－2在扭转力矩T的作用下，由于各个螺栓中心至形心O点距离相等，所以各个螺栓所受的横向载荷大小也相同，但方向各垂直与螺栓中心与形心O的连线如图示。图13－19托架螺栓组联接（二）对于方案a，各个螺栓中心至形心O点的距离为所以（３）两种方案比较在螺栓布置方案a中，受力最大的螺栓１和受力最大的螺栓２的总横向载荷；而在螺栓布置方案b中，受力最大的螺栓１所受的总横向载荷。可以看出，因此方案a比较合理。例－3即所以由图b可知，螺栓１所受的横向载荷最大，即

对于方案b，各个螺栓中心至形心O点的距离为例－4２．按螺栓布置方案a确定螺栓直径

（１）采用铰制孔用螺栓联接１）因为采用铰制孔用螺栓联接是靠螺栓光杆手剪切力和配合面受挤压来传递横向载荷，因此按抗剪切强度设计螺栓光杆部分的直径。查GB/T27－1988，取M12×60（）。２）校核配合面挤压强度。按图13-20所示的配合尺寸，有螺栓光杆与钢板孔间螺栓光杆与铸铁支架孔间故配合面挤压强度足够。图13－20采用铰制孔用螺栓例－5

（２）采用普通螺栓联接因为普通螺栓联接是靠螺栓预紧后在被联接件的接合面间产生的摩擦力来传递横向载荷，因此首先要求出螺栓所需的预紧力。由，得根据强度条件式可得螺栓小径，即查GB/T196－1981，取M45（）的螺栓。＞第五节提高螺纹联接强度的措施

一、改善螺纹牙载荷分布不均的现象螺栓受力后螺距变化，内