第8章螺纹联接

第8章螺纹联接联接动联接-运动副静联接可拆联接不可拆连接螺纹联接键联接销联接焊接铆接胶接目录本章提示8.1螺纹8.2螺旋副的受力分析、自锁和效率8.3机械制造常用螺纹8.4螺纹联接的基本型式和标准联接件8.5螺纹联接的预紧和防松8.6螺纹联接的强度计算8.7螺纹联接件的材料和许用应力8.8提高螺纹联接强度的措施*8.9螺旋传动

本章提示介绍了机械制造常用螺纹的类型、特点、应用，以及螺纹联接的基本型式、预紧、防松。重点介绍了根据螺纹联接的工作特点进行受力分析和强度计算的方法。简述螺旋传动的类型、结构、应用以及

滑动螺旋传动设计计算方法。

8.1螺纹一、螺纹形成螺旋线平面图形

8.1螺纹二、螺纹类型1.按螺纹牙形状分为三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹2.按螺纹旋向分为右旋螺纹左旋螺纹3.按螺纹线数n分为单线多线4.按单位制分为米制螺纹和英制螺纹6.按功能分为传动螺纹和联接螺纹联接螺纹一般用单线三角形螺纹，5.按加工位置分为内螺纹和外螺纹，7.按母体形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹构成螺旋副传动螺纹用矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹。

8.1螺纹三、螺纹的主要参数大径d：螺纹的最大直径，一般为公称直径。圆柱螺纹的外螺纹小径d1：螺纹的最小直径，危险截面的计算直径。中径d2：螺纹的平均直径。牙型角α和牙型斜角β:螺纹轴平面中，螺纹牙型两侧边间的夹角为牙型角α。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角称为牙型斜角β。螺距P：螺纹相邻两牙对应点间的轴向距离。导程Ph:同一条螺旋线相邻两牙对应点间的轴向距离，升角ψ:在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。dd1d2PPh=nP。(Ph)PPhαβ

8.2螺旋副的受力分析、自锁和效率一、矩形螺纹的受力分析二、非矩形螺纹的受力分析三、螺旋副的效率四、常用螺纹的效率和自锁

8.2螺旋副的受力分析、自锁和效率一、矩形螺纹的受力分析a)拧紧螺母时vψFtFaFfFNFRρ

ρ=arctanf

式中f:摩擦因数

ρ:摩擦角FaFtFRρ+ψFt=Fatan(ψ+ρ)b)拧松螺母时vψFtFaFfFNρFaFtFRψ-ρFt=Fatan(ψ-ρ)FRψ≤ρ时，Ft≤0，机构自锁

8.2螺旋副的受力分析、自锁和效率二、非矩形螺纹的受力分析非矩形螺纹指的是牙型斜角β≠0°的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。FaFN矩形螺纹非矩形螺纹FaFNβFN=FaFN=Fa/cosβ对比不考虑升角时矩形螺纹和非矩形螺纹的受力。非矩形螺纹的摩擦力，称作当量摩擦因数。，称作当量摩擦角。Ft

=

Fa

tan（ψ

+

ρv）Ft

=

Fa

tan（ψ

-ρv）ψ

≤

ρv当推动滑块上升时水平力拧紧螺旋副需要的力矩滑块匀速下降时水平力拧松螺旋副需要的力矩自锁条件用螺旋千斤顶降落重物时，重力与下降方向一致。螺纹联接拧紧螺母时，被联接件的变形力阻止螺母轴向移动；

8.2螺旋副的受力分析、自锁和效率说明：1.轴向载荷为阻力、阻止螺纹相对转动时，相当于滑块沿斜面匀速上升，此时必须施加拧紧力矩。2.当轴向载荷为驱动力，与螺旋副相对运动方向一致时，相当于滑块沿斜面匀速下降，此时必须施加拧松力矩。例如：例如：车床丝杠走刀时，切削力阻止刀架轴向移动；螺旋千斤顶举升重物时，重力阻止螺杆上升等。旋松螺母；

8.2螺旋副的受力分析、自锁和效率三、拧紧螺母时螺旋副的效率拧紧螺母即相当于滑块沿斜面匀速上升时，所以螺旋副的效率为水平力Ft是驱动力，轴向力Fa为工作阻力。螺旋相对转动一周时，输入功为2πT，此时的有效功等于将重量为Fa的重物举升高度Ph所作的功，即Fa

Ph，

8.2螺旋副的受力分析、自锁和效率四、常用螺纹的效率和自锁1.升角ψ对螺纹的效率和自锁的影响升角ψ效率η（%）因为升角较大的螺纹价格困难，螺纹升角ψ一般不超过25°。效率η随螺纹升角ψ增大而增大，而螺纹升角ψ越小，自锁性越好。因此，传动螺旋多采用多线、大螺距螺纹，以提高效率。联接螺纹多采用单线、小螺距螺纹，以提高自锁性。2.牙型斜角β对螺纹的效率和自锁的影响因为所以β较大时，ρv较大、效率η较低、自锁性较好。矩形螺纹锯齿形螺纹梯形螺纹三角形螺纹β效率自锁性0°3°15°30°高低差好

8.3机械制造常用螺纹普通螺纹二、梯形螺纹三、锯齿形螺纹一、三角形螺纹管螺纹四、例题

M10的螺距P

=1.5mm，中径d2=

9.026mm；

，摩擦因数取最小值，按f

=

0.1计算，

习题一试计算普通螺纹M10和M10×1的螺纹升角，并分析这两种螺纹是否自锁（已知摩擦因数f

=

0.1～0.15）。解：⑴螺纹升角M10的升角M10×1的升角⑵自锁性能

普通螺纹的牙型斜角则螺纹的当量摩擦角为两种螺纹全部满足条件ψ<ρv，故均自锁。由表8-1查得

M10×1的螺距P

=1mm,中径d2=d-0.649519P

=

9.350mm。表

8-1

普通螺纹的基本尺寸(摘自GB/T193─2003)

(单位:mm)H

=

0.866025PD1=D

-

1.082531P

d1=

d

-

1.082531P

D2=D

-

0.649519P

d2=

d

-

0.649519P

D、d

──内、外螺纹大径D1、d1

──内、外螺纹小径D2、d2

──内、外螺纹中径P

──螺距公称直径D、d粗

牙细

牙螺距P中径D2、d2小径D1、d1螺距P30.52.6752.4500.35450.70.83.5454.4803.2424.1340.5615.3504.9170.7581.257.1886.6471，0.75101.59.0268.3761.25，1，0.75121.7510.86310.1061.5，1.25，116214.70113.8351.5，12024302.533.518.37622.05127.72717.29420.75226.2112，1.5，1

注:细牙螺纹的尺寸可由表中公式计算得到。习题2习题3

8.3机械制造常用螺纹普通螺纹普通螺纹的牙型角α

=

60°，对称牙型。以大径d为公称直径，螺纹代号为M。同一公称直径按螺距大小，分为粗牙和细牙。细牙螺纹的螺距小、升角小，自锁性好，联接强度高，因牙细不耐磨，容易滑扣。一般联接多用粗牙螺纹。M10──粗牙螺纹，大径10，螺距1.5普通螺纹的基本尺寸

(单位:mm)公称直径D、d粗

牙细

牙螺距P螺距P30.50.35450.70.80.5610.7581.251，0.75101.51.25，1，0.75121.751.5，1.25，11621.5，1标记示例M10×1──

细牙螺纹，大径10，螺距1

8.3机械制造常用螺纹管螺纹一般用于气体或液体管路的管子、管接头、阀门及附件间的联接。55°非密封管螺纹55°密封管螺纹60°圆锥管螺纹圆柱管壁，α

=

55°α

=

55°，有圆柱内螺纹与圆锥外螺纹、圆锥内螺纹与圆锥外螺纹两种配合圆锥管壁，α

=

60°公称直径为管子的通径公称直径为管子的通径内、外螺纹以锥面贴紧不易松动，

8.3机械制造常用螺纹梯形螺纹梯形螺纹为对称牙型，牙型角α

=

30°，工艺性较好，牙根强度高，对中性好。如果采用剖分式螺母，还可以消除因磨损而产生的间隙。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。

8.3机械制造常用螺纹锯齿形螺纹

锯齿形螺纹为非对称牙型，工作面的牙型斜角β=3°，非工作面的牙型斜角β=30°。外螺纹牙根有较大的圆角，以减少应力集中。内、外螺纹旋合后，大径处无间隙，便于对中。锯齿形螺纹的效率高于梯形螺纹，牙根强度较高。但只能用于单向受力的螺纹联接或螺旋传动。

8.4螺纹联接的基本型式和标准联接件一、螺纹联接的基本类型螺栓联接双头螺柱联接紧定螺钉联接螺钉联接其它螺纹联接

圆螺母常与止退垫圈配合使用，用于防松。螺栓头部形状最常用的是六角头。螺母的形状有六角形、圆形等，

8.4螺纹联接的基本型式和标准联接件二、标准螺纹联接件螺栓螺栓种类很多，应用也最广。双头螺柱螺柱两端都制有螺纹，也可制成全螺纹的螺柱。螺钉头部形状有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头和沉头等。螺母垫圈垫圈是螺纹联接中不可缺少的附件，杆部可制出一段或全部螺纹，螺纹可用粗牙或细牙。

螺柱的座端旋入被联接件的螺纹孔后即不再拆卸，螺母端用于安装螺母。

起子槽有一字槽、十字槽和内六角孔等形状。

十字槽螺钉头部强度高、对中性好。

内六角孔螺钉能承受较大的扳手力矩。常用的平垫圈可以增加螺母和被联接件间的接触面积，一些垫圈用于防松。

8.4螺纹联接的基本型式和标准联接件螺栓联接螺栓联接不在被联接件的孔中加工螺纹，使用时不受被联接件材料的限制，结构简单，装拆方便，应用极广。主要应用于被联接件的厚度不大且可加工通孔的场合。普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接普通螺栓联接螺栓和通孔间留有间隙，通孔的加工精度要求低。铰制孔用螺栓联接，孔和螺栓采用基孔制过渡配合（H7/m6、H7/n6），能精确固定被联接件的相对位置，并能承受较大的横向载荷，但孔的加工精度要求较高。两被联接件均加工通孔，螺栓与螺母配合使用。

8.4螺纹联接的基本型式和标准联接件双头螺柱联接适用于结构上不能采用螺栓联接的场合，例如被联接件之一太厚不宜制成通孔，材料比较软且需要经常拆装时。一被联接件加工通孔，一被联接件加工螺纹孔。双头螺柱与螺母配合使用。双头螺柱联接

8.4螺纹联接的基本型式和标准联接件螺钉联接一被联接件加工通孔，一被联接件加工螺纹孔。螺钉直接拧入被联接件的螺纹孔内，不用螺母。结构上比双头螺柱联接简单、紧凑。

其用途和双头螺柱联接相似，但经常拆装时，容易使螺纹孔磨损，可能导致被联接件报废，

故多用于受力不大，或不需经常拆装的场合。螺钉联接

8.4螺纹联接的基本型式和标准联接件紧定螺钉联接紧定螺钉联接常用来固定两零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩动画使联接预先受到一个轴向力的作用，

8.5螺纹联接的预紧和防松预紧目的：一

、预紧增强联接的可靠性和紧密性，预紧力：装配时施加拧紧力矩，以防止受载后被联接件间出现缝隙或相对滑移。该力称为预紧力F0。控制预紧力：但过大的预紧力容易使螺栓被拉断，适当的预紧力可达到预紧目的，

一般控制预紧应力为材料屈服极限σs的50%～70%。控制预紧力的方法：控制拧紧力矩。控制预紧力的手段：定力矩扳手、测力矩扳手、手工或在工作温度较高或变化较大时，

8.5螺纹联接的预紧和防松二

、防松防止联接在冲击、振动或交变载荷的作用下，

使预紧力减小或丧失而可能发生的松脱现象。摩擦防松对顶螺母弹簧垫圈自锁螺母两螺母对顶拧紧后，使旋合螺纹间始终受到附加的拉力和摩擦力的作用。

结构简单，适用于平稳、低速和重载的场合。螺母拧紧后，垫圈被压平，其反弹力使螺纹间产生附加的压紧力和摩擦力。

结构简单，使用方便。

但在冲击、振动的场合中，防松效果较差，一般不用于重要的联接中。螺母一端制成非圆形收口或开缝后径向收口。

当螺母拧紧后，收口胀开，收口的反弹力使旋合螺纹压紧。

结构简单，防松可靠，多次拆装后不会降低防松性能。

但只适用安装后不再拆卸的场合。

8.5螺纹联接的预紧和防松机械防松开口销与六角开槽螺母止动垫圈串联钢丝特殊防松方法铆冲防松六角开槽螺母拧紧后，将开口销穿入螺栓尾部小孔和螺母的槽内。

适用于较大冲击、振动的高速机械中运动零件的联接。将止动垫圈折边，分别与螺母和被联接件贴紧，即可防止二者发生对转动。

结构简单，使用方便，防松可靠。用钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互制动。但需注意钢丝的穿入方向。适用于螺钉组联接，但是拆卸不方便。在螺栓和螺母上用冲头冲2～3点。使用方便，防松可靠。然后选定相应的螺纹公称直径d及螺距P。

8.6螺纹联接的强度计算螺栓联接普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接松螺栓联接紧螺栓联接仅承受预紧力承受横向载荷承受预紧力和工作拉力一、概述1.失效形式2.受拉螺纹联接设计计算过程3.螺栓联接类型⑴受拉螺纹联接的失效⑵铰制孔用螺栓联接因为受横向力作用，⑶螺纹联接经常拆装时，多为螺栓杆被拉断。主要是根据螺栓的强度确定螺纹小径d1，

失效

多为螺栓杆被剪断或螺栓杆和被联接件孔壁被压溃。会因磨损而发生滑扣现象。

8.6螺纹联接的强度计算二、松螺栓联接起重吊钩松螺栓联接装配时不拧紧，只承受工作载荷。拉杆、起重吊钩等属此类联接。设吊钩所受的工作载荷为F

e（N），螺栓危险截面的拉伸强度条件为：设计公式：MPa式中

d1 ──螺栓危险截面的直径，即螺纹小径（mm）；[σ]

──

螺栓材料的许用拉应力（MPa），见表8-6。

粗牙螺纹M20的小径d1=17.294mm，螺纹小径

习题二已知吊钩拉力Fe=14kN，吊钩材料的许用拉应力[σ]=60MPa，试选择吊钩尾部螺纹的直径。解：

由表8-1查得，比根据强度条件计算求得的d1值略大，因此，选择吊钩尾部螺纹为粗牙螺纹M20。合适。提示：1.使用公式给出的单位；2.由强度计算得到d1，由d1查标准确定螺纹公称直径和螺距。

8.6螺纹联接的强度计算三、仅承受预紧力的紧螺栓联接紧螺栓拧紧时，螺栓危险截面的扭转切应力为根据第四强度理论，螺栓螺纹部分的强度条件为螺栓危险截面的拉伸应力为螺栓受预紧力F0和螺纹摩擦力矩T1的作用。计算应力为可用减载零件来承受横向工作载荷。为克服以上缺点，由于预紧力的作用，

8.6螺纹联接的强度计算四、承受横向载荷的紧螺栓联接当用普通螺栓联接承受横向载荷时，将在接合面间产生摩擦力以抵抗横向载荷Ft。即：或者式中

C

──可靠性系数，m

──接合面数； f

──接合面摩擦因数，如果取C

=

1.2、m

=

1、f

=

0.15，则F

0≥

8Ft，尺寸势必较大。通常取C

=

1.1～1.3；钢或铸铁被联接件f

=

0.1～0.15。强度计算按“只承受预紧力螺栓”。与螺栓和被联接件的结构尺寸、材料以及垫片种类等因素有关，ΔF被联接件FeΔδF0/2F0/2F0/2F0/2F0F01.螺栓总拉力

8.6螺纹联接的强度计算五、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接预紧时承受工作拉力螺栓联接在承受载荷前后的受力和变形情况。δb0δc0拉力拉力变形螺栓θbkb=tanθb螺栓刚度F0δb0θckc=tanθc被联接件刚度δc0Fe/2Fe/2Fe/2Fe/2FFΔδFr/2Fr/2Fr/2Fr/2ΔδFFrF

r残余预紧力按图中几何关系得则螺栓的总拉力为上式中，称为螺栓的相对刚度，一般可按表8-4选取。

防止联接承载后接合面间出现缝隙，应使Fr>0。2.强度计算

8.6螺纹联接的强度计算螺栓危险截面的拉伸强度条件仍可用下式计算ΔFFe拉力拉力变形θbF0δb0θcδc0ΔδFFr由图得3.残余预紧力为了保证联接的紧密性和可靠性，所以Fr许用值的确定参见教材。螺栓杆的剪切强度条件为

8.6螺纹联接的强度计算六、铰制孔用螺栓联接当用铰制孔用螺栓承受横向载荷时，FtFt螺栓杆和孔壁的挤压强度条件为式中d

0──螺栓杆的直径；F

t──螺栓所承受的横向力；Lmin──螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度；[τ]──螺栓材料的许用切应力；[σp]──螺栓或孔壁材料的许用挤压应力。表

8-5螺栓、螺钉和双头螺柱的性能等级(摘自GB/T3098.1─2000)性能等级（标记）3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9d≤16mmd>16mm抗拉强度σbmin/MPa33040042050052060080083090010401220屈服点σsmin(或屈服极限σ0.2)/MPa1902403403004204806406607209401100硬度HBWmin(F=30D2)90114124147152181238242276304366推荐材料低碳钢低碳钢或中碳钢中碳钢，淬火并回火中碳钢，低、中碳合金钢，淬火并回火，合金钢合金钢

8.7螺纹联接件的材料和许用应力国家标准中用性能等级标记螺纹联接件的力学性能，螺纹联接件在图纸中只标注性能等级，不标注材料牌号。螺纹联接件的许用应力计算见表8-6。习题三表

8-6螺纹联接的安全系数和许用应力载荷情况静载荷变载荷松螺纹联接

，安全系数S

=

1.2～1.7紧螺栓联接受轴向及横向载荷的普通螺栓联接不严格控制预紧力

，安全系数S如下：M6～M16M16～M30M6～M16M16～M30碳

钢4～33～2碳

钢10～6.56.5合金钢5～44～2.5合金钢7.6～55控制预紧力

，安全系数S=1.2～1.5铰制孔用螺栓联接

（被联接件为钢）

（被联接件为铸铁）[σp]按静载荷的[σp]值降低20%～30%

8.7螺纹联接件的材料和许用应力习题三则得螺栓的总拉力习题三如图所示为一汽缸，缸盖和缸体用螺栓联接。已知汽缸内气体压力p最大为1.5MPa，缸盖和缸体均为钢制，汽缸内径D=250mm。试设计此联接。解：暂取螺栓数z=8，则每个螺栓承受的工作载荷Fe为⑴计算螺栓工作载荷Fe

⑵计算螺栓的总拉力F对于有密封要求的联接取残余预紧力Fr=1.8Fe，⑶求螺栓直径选螺栓的性能等级为4.8，要求用碳钢制造。由表8-5暂取安全系数S=2.5，确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型、长度、精度以及螺母、垫圈、分布圆直径等结构尺寸，可根据螺栓联接的结构全面考虑后确定。习题三取σs=340MPa，装配时不控制预紧力，按表8-6则螺栓的许用应力为则螺纹