第2章 螺纹连接

第2章联接§2－1概述§2－2螺纹参数§2－3螺旋副的受力、效率和自锁§2－5螺纹联接的强度计算§2－7螺旋传动简介§2－8键、花键和过盈联接§2－4螺纹联接和螺纹联接件§2－6螺纹联接的结构设计天津大学专用作者：潘存云教授连接§2－1概述

可拆连接不可拆连接螺纹连接键连接花键连接销连接过盈连接焊接粘接铆接天津大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制一、螺纹的主要参数§2－2螺纹参数d21、分类：螺纹的形成:螺旋线——在圆柱体表面上的动点，一边绕轴线等速回转，一边沿轴向作等速移动时的轨迹。螺纹天津大学专用作者：潘存云教授按螺纹的牙型分螺纹分类按螺纹的旋向分按螺旋线的头数分按内外回转表面分按螺旋的作用分按母体形状分§2－2螺纹参数天津大学专用作者：潘存云教授按螺纹的牙型分螺纹分类按螺纹的旋向分按螺旋线的头数分按螺旋的作用分按母体形状分三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹按螺纹的牙型分按内外回转表面分天津大学专用作者：潘存云教授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螺纹的牙型潘存云教授研制矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º潘存云教授研制潘存云教授研制天津大学专用作者：潘存云教授按螺纹的牙型分螺纹分类按螺纹的旋向分按螺旋线的头数分按螺旋的作用分按母体形状分三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹潘存云教授研制按螺纹的旋向分按内外回转表面分天津大学专用作者：潘存云教授按螺纹的牙型分螺纹分类按螺纹的旋向分按螺旋线的头数分按螺旋的作用分按母体形状分三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制单线螺纹多线螺纹一般:n≤4PPhPh=2PPPhPPh=Pn线螺纹:Ph=n

P单线螺纹多线螺纹按螺旋线的头数分按内外回转表面分天津大学专用作者：潘存云教授按螺纹的牙型分螺纹分类按螺纹的旋向分按螺旋线的头数分按内外回转表面分按螺旋的作用分按母体形状分三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹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按内外回转表面分天津大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制外螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制天津大学专用作者：潘存云教授按螺纹的牙型分螺纹分类按螺纹的旋向分按螺旋线的头数分按螺旋的作用分按母体形状分三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹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按螺旋的作用分按内外回转表面分天津大学专用作者：潘存云教授连接螺纹传动螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制天津大学专用作者：潘存云教授按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的头数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按母体形状分按内外回转表面分天津大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制圆柱螺纹圆锥螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制管螺纹天津大学专用作者：潘存云教授ψ潘存云教授研制(3)中径d2

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。βd1d2d(1)大径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)小径d1

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)螺距P

相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。(5)导程Ph(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。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。tanψ=πd2

nP

牙型斜角

β

αβψπd2PhPh=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P2、螺纹的主要参数PhPP/2P/2(8)接触高度

h

内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。h天津大学专用作者：潘存云教授二、常用螺纹普通螺纹以大径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。60˚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。Pd粗牙dP细牙dP细牙天津大学专用作者：潘存云教授梯形螺纹：潘存云教授研制锯齿形30º3º潘存云教授研制梯形30º锯齿形螺纹:常用于传动。β=15ºβ=3º普通螺纹的基本尺寸（机械设计手册）梯形螺纹的直径和螺距（机械设计手册）天津大学专用作者：潘存云教授一、矩形螺纹1.旋紧螺旋副时的受力轴向载荷F′螺母拧紧重块爬坡旋紧力矩简化模型（水平力Ft作用于中径d2圆周）旋紧螺旋副推重块沿斜面上升vFtF′ψ螺杆螺纹斜面旋紧力矩重块斜面§2－3螺旋副的受力、效率与自锁天津大学专用作者：潘存云教授轴向载荷F′旋紧力矩简化模型（切向力Ft作用于中径d2圆周）旋紧螺旋副推重块沿斜面上升受力关系斜面反力FN摩擦力μFN总反力FRμFNvFRFtF′ψψρΨ+ρ摩擦角ρ=arctanμ==FNFRFtF′平衡条件：水平力天津大学专用作者：潘存云教授旋紧力矩ρ=arctanμ=水平力摩擦角等速旋紧螺母一周时的有用功ψπd2Ph等速旋紧螺母一周时的输入功2.旋紧螺旋副时的效率旋紧螺旋副时的效率天津大学专用作者：潘存云教授vFtF′ψFN3.

松退时的自锁ψρΨ-ρFRF′Ft松退时的水平力（支持力）当时0tF<螺旋副自锁的条件FRμFN天津大学专用作者：潘存云教授二、非矩形螺纹矩形螺纹（β=0）的摩擦力非矩形螺纹（β≠0）的摩擦力令则——当量摩擦因数当量摩擦角ρ=arctan（μ）vv天津大学专用作者：潘存云教授1.旋紧螺旋副时的受力2.旋紧螺旋副时所需力矩=3.旋紧螺旋副时的效率4.螺旋副自锁的条件天津大学专用作者：潘存云教授ψ为提高传动的效率而采用多线、小牙型斜角β螺纹，如：矩形、梯形和锯齿型螺纹。三、影响螺旋副效率和自锁性能的几何因素η1.螺旋升角ψ

的影响为提高连接的自锁性而采用大牙型斜角β、单线螺纹，如三角形螺纹、细牙螺纹（小螺距螺纹）。可知，tanψ=πd2

nP

由ψ自锁性n、P2.螺纹牙型斜角β

的影响天津大学专用作者：潘存云教授1.在其他条件相同的前提下，矩形、梯形、锯齿型和三角形螺纹中，哪一种螺纹的效率最高？哪一种螺纹的自锁性最好？思考题：2.在普通螺纹中，细牙螺纹（小螺距螺纹）与粗牙螺纹比较有何异同？细牙螺纹通常用在什么场合？天津大学专用作者：潘存云教授用于经常拆装易磨损之处。一、

螺纹连接的基本类型和紧固件的材料及精度螺栓连接基本类型螺钉连接双头螺柱连接紧定螺钉连接

§2－4螺纹联接和螺纹联接件普通螺栓连接铰孔螺栓连接eal1螺纹余留长度l1静载荷

l1≥(0.3~0.5)d;变载荷

l1≥0.75d;冲击载荷

l1≥d;螺纹伸出长度a=(0.2~0.3)d;螺栓轴线到被连接件边缘的距离e=d+(3~6)mmd潘存云教授研制潘存云教授研制螺栓连接普通螺栓连接孔与螺杆之间留有间隙潘存云教授研制天津大学专用作者：潘存云教授饺孔螺栓连接一、螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型螺钉连接双头螺柱连接紧定螺钉连接普通螺栓连接螺纹伸出长度a=(0.2~0.3)d;螺栓连接铰孔螺栓连接a可承受横向载荷。铰制孔用螺栓d孔与螺杆之间过渡配合潘存云教授研制天津大学专用作者：潘存云教授双头螺柱连接一、螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型螺钉连接紧定螺钉连接普通螺栓连接螺栓连接饺孔螺栓连接双头螺柱连接潘存云教授研制螺钉连接潘存云教授研制用于被连件之一较厚且需经常拆装处。用于被连件之一较厚且不常拆装处。天津大学专用作者：潘存云教授一、螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型螺钉连接双头螺柱连接紧定螺钉连接普通螺栓连接螺栓连接饺孔螺栓连接双头螺柱连接潘存云教授研制aeedl1l1l4l4l5l5螺钉连接l3l3参数l1、a、e与螺栓相同

拧入深度l

3：钢或青铜

l

3≈d铸铁

l

3≈(1.25~1.5)d铝合金l

3≈(1.5~2.5)d螺纹孔深度l

4≈l

3+(2~2.5)P;钻孔深度l

5≈l

4+(0.5~1)d;天津大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制一、螺纹连接的基本类型螺栓连接基本类型螺钉连接双头螺柱连接紧定螺钉连接紧定螺钉普通螺栓连接铰孔螺栓连接天津大学专用作者：潘存云教授二、螺纹紧固件螺栓的结构形式lbd六角头ldb小六角头垫圈

螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接螺纹紧固件螺栓一、螺纹连接的基本类型铰制孔螺栓天津大学专用作者：潘存云教授二、螺纹紧固件一、螺纹连接的基本类型dL0L1LL1

——座端长度L0

——螺母端长度垫圈

螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接螺纹紧固件双头螺柱天津大学专用作者：潘存云教授二、螺纹紧固件一、螺纹连接的基本类型垫圈

螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接螺纹紧固件双头螺柱螺钉末端结构头部结构、紧定螺钉天津大学专用作者：潘存云教授二、螺纹紧固件一、螺纹连接的基本类型垫圈

螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接螺纹紧固件专用螺纹连接潘存云教授研制地脚螺栓

潘存云教授研制潘存云教授研制起吊螺钉

T型螺栓

天津大学专用作者：潘存云教授用于经常拆装易磨损之处。六角螺母六角扁螺母六角厚螺母潘存云教授研制圆螺母垫圈

螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接螺纹紧固件螺母二、螺纹紧固件一、螺纹连接的基本类型天津大学专用作者：潘存云教授用于经常拆装易磨损之处。垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接螺纹紧固件二、螺纹紧固件一、螺纹连接的基本类型平垫圈斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈垫圈的作用：1）增加支撑面积，减小压强。保护被连接件表面，避免拧紧螺母时擦伤。2）遮盖被连接件表面的不平，避免螺栓受偏载荷。3）防松。天津大学专用作者：潘存云教授三、螺纹紧固件的精度按公差等级分为：A、B、C三级，C级最低用于一般连接，A级最高用于有配合精度处。螺栓、螺柱、螺钉性能等级分10级，其力学性质见表2-4。四、常用材料普通连接：碳钢（Q215、Q235、35、45）重要连接：合金钢（15Cr、20Cr、40Cr、15MnVB）五、螺纹连接的预紧及其控制1.何谓预紧螺纹连接在工作前装配时,将其拧紧到一定程度,称为预紧。2．预紧的目的（1）增强连接刚性（2）提高连接紧密性(3)能起到放松作用天津大学专用作者：潘存云教授3.预紧力连接装配拧紧时,螺栓杆受拉,被连接件受压,两者的受力为作用与反作用关系,故大小相等,方向相反。4．预紧力的控制（1）控制预紧力的原因预紧力过小——起不到预紧的作用；预紧力过大——易导致紧固件损坏。（2）控制预紧力的方法主要是控制装配时拧紧力矩的大小。拧紧力矩为M=FL=M1+M2式中的F为作用在扳手手柄上的力；L为扳手力臂长。M1为拧紧螺母时螺纹牙表面上的摩擦阻力矩，由下式得知：

(ρ＇——当量摩擦角)

天津大学专用作者：潘存云教授M2为螺母支承面上的摩擦阻力矩，由下式得知：则拧紧力矩Kt称为拧紧力矩因数，其值与螺纹参数、表面摩擦因数等有关，常取Kt=0.2。

天津大学专用作者：潘存云教授

当螺纹的参数等情况不变时，M越大，则F＇越大。当F＇过大时，很容易将螺杆拧断。因此采用小直径螺栓（小于M12）应特别谨慎。装配时拧紧力矩大小可通过力矩扳手控制。1)凭手感（经验）2)测力矩扳手3)定力矩扳手4)测定伸长量

测力矩扳手定力矩扳手LMLS天津大学专用作者：潘存云教授六、螺纹连接的防松1、目的（1）通常对于标准的螺纹连接件螺纹升角≈1.70——30当量摩擦角ρ＇≈9.70可见满足自锁条件≤ρ＇（2）螺母和螺钉头与被连接件的支承面之间存在摩擦阻力故在条件①、②下，一般情况螺纹连接不会自动松脱。

在温度变化或受到冲击、振动及变载荷的作用时，螺纹连接会发生松动。

天津大学专用作者：潘存云教授2、螺纹连接的防松

防松关键：防止螺旋副发生相对转动。防松原理：1）利用摩擦防松2）机械防松3）破坏螺旋副关系防松天津大学专用作者：潘存云教授尼龙圈锁紧螺母1）利用摩擦防松弹簧垫圈对顶螺母天津大学专用作者：潘存云教授开口销与六角开槽螺母串联钢丝2）机械防松圆螺母用止动垫圈潘存云教授研制止动垫圈潘存云教授研制潘存云教授研制天津大学专用作者：潘存云教授冲点防松法3）破坏螺旋副关系防松1~1.5P用冲头冲2至3点粘合法防松涂粘合剂天津大学专用作者：潘存云教授§2－5螺纹联接的强度计算螺栓连接的主要失效形式滑扣

因经常拆装受拉螺栓塑性变形

螺纹部分疲劳断裂受剪螺栓

塑性变形或剪断（螺栓受剪面）压溃

（螺杆或孔壁贴合面）经常拆卸：

——变载荷断裂天津大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制FaFa1.只受工作载荷的螺栓（松连接）强度计算强度条件式中d1——螺纹小径mm

[σ]——许用应力力除以面积装配时不需要拧紧一、受拉螺栓连接的强度计算天津大学专用作者：潘存云教授1.只受工作载荷的螺栓（松连接）强度计算一、受拉螺栓连接的强度计算2.只受预紧力的螺栓强度计算平衡条件强度条件或K——可靠性系数，常取K=1.1~1.3;μ——摩擦因数，对钢和铸铁，取μ=0.1~0.15;m——结合面数;若取μ=0.15，K=1.2,m=1,则F′≥8Fs→结构尺寸大FSFS/2FS/2F′F′装配时需要拧紧应力分析=对于M10~M68的普通螺纹τT≈0.5σ天津大学专用作者：潘存云教授pp1.只受工作载荷的螺栓（松连接）强度计算一、受拉螺栓连接的强度计算2.只受预紧力的螺栓强度计算3.既受预紧力又受工作载荷的螺栓强度计算F0F0潘存云教授研制Dp

预紧状态受工作载荷松弛状态δ1δ2δΔδΔF′F′F′F′FF潘存云教授研制潘存云教授研制FFF″F″F0F0F′F′潘存云教授研制F′F′F′F′F′F′天津大学专用作者：潘存云教授∆δδ1变形力∆F1.剩余预紧力F″F″F0FF′变形力δ2F′λ2F′δ1δ2λ1力变形螺栓受力-变形被连接件受力-变形4.受力变形关系2.螺栓总拉力F03.螺栓的强度条件F″选取（表2-3）天津大学专用作者：潘存云教授一、受拉螺栓连接的强度计算3.既受预紧力又受工作载荷的螺栓强度计算（1）受轴向静载荷时螺栓连接的强度计算（2）受轴向循环载荷时螺栓连接的强度计算

用上述方法进行静强度计算。必须校核其疲劳强度。

天津大学专用作者：潘存云教授h2二、铰制孔（受剪）螺栓连接的强度计算一、受拉螺栓连接的强度计算1）塑性变形或剪断（螺栓受剪面）2）压溃

（螺杆或孔壁贴合面）失效形式：挤压强度条件剪切强度条件潘存云教授研制h1铰制孔用螺栓FsFsdSm——受剪面数目天津大学专用作者：潘存云教授二、受剪螺栓连接的强度计算一、受拉螺栓连接的强度计算三、螺栓材料和许用应力螺栓许用应力（表2-6、表2-7）受拉螺栓许用应力（表2-6）受剪螺栓许用应力（表2-7）天津大学专用作者：潘存云教授四、螺栓组连接受力分析与计算受力分析时的几点假设：各螺栓尺寸、规格、所受预紧力相同。被连接件为刚体（不变形）。螺栓变形在弹性范围之内。1.受轴向工作载荷的螺栓组受力分析与计算典型的为压力容器的螺栓组连接。（1）总载荷FQ：（作用在容器盖上的总轴向载荷FQ）式中，p——为容器内压力

天津大学专用作者：潘存云教授（2）每个螺栓所受轴向载荷F：（由于FQ通过螺栓组形心，作用在各螺栓上的工作载荷F相等。）式中，Z—螺栓总个数。通过以上分析后，可按单个螺栓进行计算。

天津大学专用作者：潘存云教授2、受横向工作载荷的螺栓组受力分析与计算载荷垂直螺栓轴线；载荷通过螺栓对称中心。普通螺栓连接按被连接件沿结合面不产生相对滑动的条件：每个螺栓所加的预紧力为：

天津大学专用作者：潘存云教授§2－6螺纹联接的结构设计了解螺栓组结构设计的基本要求，掌握螺栓组连接的受力分析和计算方法。进行连接的结构设计、对螺栓组进行受力分析，确定受力最大的螺栓及其力的大小、按单个螺栓进行强度计算。螺栓组连接的结构设计设计基本要求：1、便于加工结合面形状简单，螺栓对称布置、圆周布置时螺栓数宜采用4、6、8、12等。便于加工制造，保证结合面受力均匀。

天津大学专用作者：潘存云教授dhD2、螺栓受力应均匀铰制孔螺栓组，在平行于工作载荷的方向上，螺栓排列数量不宜超过6—8个，防止载荷分布过于不均。3、合理的间距、边距和扳手空间(见表14-12。)

潘存云教授研制潘存云教授研制60˚CC60˚ABEE天津大学专用作者：潘存云教授4．螺栓螺母支承面应平整且与螺栓轴线垂直(尽量避免附加载荷)结构措施：凸台、沉孔（鱼眼坑）附加载荷：如偏心载荷使螺杆产生的附加弯曲应力。潘存云教授研制支承面不平采用凸台或沉孔结构潘存云教授研制潘存云教授研制切削加工支承面潘存云教授研制支承面倾斜支承面倾斜潘存云教授研制斜垫圈……天津大学专用作者：潘存云教授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5、采用卸载装置减小横向载荷潘存云教授研制在承受较大的横向载荷时，可采用抗剪零件来承受横向载荷。天津大学专用作者：潘存云教授一、螺旋传动的类型和应用调整螺旋静压螺旋类型运动形式有§2－7螺旋传动螺母固定，螺杆转动并移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。作用：回转运动直线运动，同时传递动力。螺杆转动，螺母移动

刀架

按用途分传力螺旋传导螺旋滑动螺旋滚动螺旋按摩擦性质分传递动力传递运动,要求精度高调整相对位置应用实例为车床刀架溜板天津大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制调整螺旋调整螺旋天津大学专用作者：潘存云教授应用实例

起重设备（千斤顶）锻压机械(压力机)潘存云教授研制潘存云教授研制天津大学专用作者：潘存云教授应用实例

工件夹紧装置(锯床)潘存云教授研制潘存云教授研制天津大学专用作者：潘存云教授应用实例

潘存云教授研制钳工虎钳潘存云教授研制千分尺天津大学专用作者：潘存云教授整体螺母组合螺母剖分螺母螺母结构潘存云教授研制组合螺母潘存云教授研制调整楔快固定螺钉调整螺钉二、滑动螺旋的结构和材料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。1.结构潘存云教授研制剖分螺母天津大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制螺旋副材料要求：足够的强度、耐磨性、摩擦因子小2.滑动螺旋的材料螺杆材料:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3.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≤311~186~127~10>151~2

淬火钢－青铜

钢－青铜

钢－铸铁

钢－钢

6~1210~130.06~0.08

<2.413~18

6~124~7

低速7.5~130.11~0.170.08~0.1

0.12~0.15

滑动螺旋副材料的许用压力[p]及摩擦因子

天津大学专用作者：潘存云教授潘存云教授研制三、滑动螺旋传动的设计计算承受载荷:转矩、轴向力设计准则：按耐磨损确定直径，选择螺距校核螺杆、螺母强度等。主要失效形式:螺牙的磨损滑动螺旋副材料的许用应力许用应力/MPa螺旋副材料螺杆钢[σＳ]/(3~5)螺母青铜40~6030~40铸铁45~5540钢(0.1~0.2)[σ]0.6[σ][σ][σb][τ]注：1)σs为材料的屈服极限；2)载荷稳定时，许用应力取大值。天津大学专用作者：潘存云教授对螺旋传动的要求:强度足够,耐磨,摩擦因子小.螺杆材料:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3。失效形式:磨损通常先由耐磨性条件，计算螺杆直径和螺母高度，再参照标准确定螺旋各主要参数，而后对可能发生的其它失效一一校核。耐磨性计算校核公式：影响磨损的原因很多，目前还没有完善的计算方法，通常是限制螺纹