第五章螺纹联接

§5-1概述§5-2螺纹连接的类型与标准连接件§5-3螺纹连接的预紧§5-6螺纹连接组的设计§5-5螺纹连接的强度计算§5-8提高螺纹连接强度的措施§5-7螺纹连接件的材料与许用应力§5-9螺旋传动§5-4螺纹连接的防松§1概述一、连接分类1、按运动关系分静连接：只固定，无相对运动。如螺纹连接、普通平键连接。动连接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。——运动副2、按传载原理分靠摩擦力（力闭合）：如受拉螺栓、过盈连接。非摩擦（形闭合）：靠连接零件的相互嵌合传载，如平键。材料锁合连接：利用附加材料分子间作用，如粘接、焊接。3、按拆开时是否损坏零件分可拆连接：如螺纹连接（最广泛的可拆连接）。不可拆连接：如焊接、铆接等。二、螺纹基本知识①直径大径d：公称直径。M20→d=20mm小径d1：螺纹的最小直径。中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，几何计算用。一般取：d2=(d+d1)/2④螺距p②线数n：n=1时用于连接；n＞1时用于传动；n↑→η↑，但为便于制造n≤4③牙形角α：螺纹牙两侧面夹角。1、螺纹的主要参数2、螺纹的类型右旋左旋螺纹位置：内螺纹——螺母；外螺纹——螺钉。旋向判定：顺着轴线方向看，可见左侧边高则为左旋，右边高则为右旋。螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。思考：⑥中径升角ψ：⑤导程s：s=np连接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等30°3°30°60°三角形梯形锯齿形矩形单线，用于连接双线或多线，常用于传动粗牙：一般情况下使用。细牙：d相同，p小，ψ小，牙浅，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。∴用于变载荷场合。∴连接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。螺纹线数：单线（连接）；多线（传动）。§2螺纹连接的主要类型、材料一、主要类型（注意各图的画法）1、螺栓连接受拉——普通螺栓普通螺栓：无需在被联件上加工螺纹孔，装拆方便，用于两被联件均不太厚的场合。受剪——铰制孔螺栓铰制孔螺栓：除起连接作用外，还起定位作用。2、双头螺柱连接

用于有一连接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。3、螺钉连接用于有一连接件较厚，且不需经常装拆的场合。4、紧定螺钉连接螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。二、性能等级1、螺栓等：十个性能等级，如：3.6、4.6、4.8、……性能等级材料性能如：6.8σBmin/100=6σBmin=600MPa10(σsmin/σBmin)=8σsmin=480MPa或σsmin=(6×8)×10=480MPa低碳钢或中碳钢2、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。（自学）§3螺纹连接的预紧一、拧紧受载之前拧紧螺母预紧力F’预紧↑连接刚度↑防松能力↑紧密性1、拧紧力矩T=？螺母支承面间的摩擦阻力矩以螺母分析：T=T1+T2螺纹副间的摩擦力矩——螺纹副间有效圆周力（rf——支承面摩擦半径）∴kt——拧紧力矩系数，一般取kt=0.22、控制T的方法T↑F↑拉断、滑扣T↓不能满足工作要求控制T的大小一般情况凭经验，拧紧即可。方法：测量螺栓伸长量：σμ（大型螺栓连接）定力矩扳手测力矩扳手冲击扳手采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓连接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。测量螺栓伸长量3、严格控制预紧力时d≮M12~M16标准扳手长度L=15d，若拧紧力为F，则：T=FL=15dF=0.2F’d→F’=75F若F=200N，则F’=15000N。→小于M12，则易拉断。二、防松1、螺纹连接按自锁条件设计：

ψ≤ρv。∴

静载下不会自行松脱。2、松动原因冲击、振动、变载荷下温度变化较大时螺旋副摩擦力Ff减小或瞬时消失松动对顶螺母3、防松方法——防止螺旋副相对转动。按防松原理不同，分为三类：a）摩擦防松自锁螺母弹簧垫圈开口方向：斜向右下方弹性增压尖端抵住开口销与槽形螺母b）机械防松（直接锁住）正确不正确注意金属丝穿入方向串联金属丝c）破坏螺纹副关系不可拆连接胶接冲点焊住螺纹连接组的设计1§4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，保证连接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。螺栓布置应使各螺栓的受力合理。螺栓的排列应有合理的间距、边距。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4、6、8等偶数。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。说明说明说明一、螺栓组连接的结构设计各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。大多数机械中螺栓都是成组使用的。

扳手空间均布垫平改错螺纹连接组的设计21．受横向载荷2．受转矩3．受轴向载荷4．受倾覆力矩受力分析的目的：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：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；受载后连接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：二、螺栓组连接的受力分析螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；

螺纹连接组的设计3（1）对于铰制孔用螺栓连接（图b），每个螺栓所受工作剪力为：（2）对于普通螺栓连接（图a），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：式中：z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．受横向载荷的螺栓组连接或

Ks为防滑系数，设计中可取Ks=1.1~1.3。螺纹连接组的设计4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．受转矩的螺栓组连接采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。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转矩T。

螺纹连接组的设计53．受轴向载荷的螺栓组连接若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ作用线与螺栓轴线平行，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：

通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为。F2=F1+F

螺纹连接组的设计64．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，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即：由此可以求出最大工作载荷：

螺纹连接组的设计7螺栓的总拉力：为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求：底板受倾覆力矩后，在轴线O-O左侧，螺栓与地基的工作点分别移至B1

和C1，两者作用在底板上的合力为F。受倾覆力矩的底板螺栓组连接的受力过程可用右图表示。在轴线O-O右侧，螺栓与地基的工作点分别移至B2和C2

，两者作用在底板上的合力为Fm

。在倾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作点都处于A点。

例4一钢板采用三个铰制孔螺栓连接,下列三个方案哪个最好?F3F3F3FL2aFL2aFmax=F3=FL2aF3+F3F3F3FL2aFL2aFmax=F1=F3=F3F3F3FL3aFl3aFL3aFmax=F2=比较：方案一：Fmax=FL2aF3+方案二：Fmax=方案三：Fmax=——差谁好？由：L=结论：1）当L>时，方案三最好。2）当L<时，方案二最好。受任意载荷螺栓组向形心简化———————→四种简单状态迭加——→受载最大螺栓——→按单个计算例5、图示底板用8个螺栓与支架相连，受外力Q作用，Q作用于包含X轴并垂直于底板接缝面，试计算此螺栓组联接。（θ=30°）解：

（一）受力分析QQHQH=QcosθQVQV=QsinθHMHQHH=QcosθMH=H·300VMVQVV=QsinθMV=V·400H=4330N，V=2500N，M=MH-MV=299000N·mm（二）工作条件分析1、保证结合面不滑移又：2、受力最大螺栓轴向载荷a、FV=V/z=2500/8=312.5N（每个螺栓受V作用相同）b、M作用，离形心越远受力越大c、最大工作载荷d、螺栓总拉力=5662.5N取：Ks

=1.3f=0.133、螺栓直径：d1d4、其它条件a、左侧不出现间隙：b、接合面右侧不压溃：

螺栓拧紧并承受轴向载荷H后，剩余预紧力在结合面产生的挤压应力。翻转力矩对挤压应力的影响选择螺栓性能等级，计算许用应力

。QQ例6、设计图示螺纹联接：1.受拉螺栓2.受剪螺栓解：一）受力分析RTFSRFSRFSRFSRFSTFSTFSTFSTR=Q/2=10000NQT=R×300=3000000N.mmR使各螺栓受到横向工作载荷FSR：FSR=R/4=2500（N）T也使各螺栓受到横向工作载荷FST，方向与形心连线垂直。受载最大的螺栓：受拉螺栓：受剪螺栓：相同二）设计计算

受拉螺栓

由预紧力F’产生的摩擦力来传递外载荷FS。（取：kf=1.3、μs=0.13）

受剪螺栓选择螺栓性能等级，计算许用应力

。螺栓直径：d1d横向载荷由螺栓杆与被联件的挤压与剪切传递。受载最大螺栓的横向载荷为：FS=9014（N）选择螺栓性能等级，计算许用应力

。螺栓直径：查手册

比较受拉螺栓：相同材料螺栓：d受拉>>d受剪§5单个螺栓连接的受力分析和强度计算螺栓连接受拉螺栓受剪螺栓松连接：不拧紧，无预紧力F’，仅受工作载荷F紧连接：需拧紧仅受预紧力F’同时受预紧力F’和工作载荷F一、受拉螺栓连接对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。危险截面面积由螺纹小径d1确定：1、松连接如：起重滑轮螺栓仅受轴向工作拉力F——失效：拉断强度条件：式中：d1——危险截面计算直径[σ]——许用应力，[σ]=σs／[Ss]。mm——设计式查手册，选螺栓MPa

——校核式2、紧连接（1）只受预紧力的紧连接外载荷FR——对螺栓为横向力——靠摩擦力传递a.F作用下，板不滑移：F≤Ff，而Ff—→F。b.按F0计算：F0为螺栓轴向负荷—→拉应力c.拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭—→产生τT对钢制M10~M68螺栓：τT≈0.5σ。d.危险截面上受复合应力（σ、τT）作用—→强度准则螺栓为塑性材料—→第四强度理论。——校核式即：1.3意义：紧连接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。mm

——设计式（2）受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓连接变形受力过程：无变形—→F0

—→λbλ

m—→+F—→λ

b+Δλλ

m-Δλ变形协调条件：Δλ

b=Δλ

m=Δλ思考：图b中，F2=？图c中，F2=F+F0？静力平衡条件：

F2=F+F1即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。■

上述过程还可通过力——变形图表示螺栓刚度：被联件刚度：在合并图中：∴——检查F1的大小——求总拉力即：螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷。由于两图合并讨论：1、——螺栓相对刚度系数当工作载荷、预紧力一定时，∴为↓螺栓受力—→选择不同垫片↓—→应使2、：不出现缝隙。(由验算)同理，考虑扭转作用，强度条件为：——校核式mm——设计式若工作载荷为变载荷：当工作载荷在F1~F2变化时，螺栓总拉力在F01~F02之间变化变载荷下螺栓失效：Fa作用下的疲劳拉断Fa——拉力变幅：∴应力幅：螺栓许用应力幅即：变载荷下螺栓，应力幅越小，疲劳强度越高。二、受剪螺栓连接1、失效形式：剪断、接触表面压溃。2、螺栓剪切强度条件d——杆抗剪面直径m——抗剪面数目[τ]——许用剪应力3、挤压强度条件h——对象受压高度；[σp]——许用挤压应力，表6.4，取弱者计算；§6提高螺纹连接强度的措施1、机理工作时，螺栓受拉，p↑螺母受压，p↓两者产生螺距差一、改善螺纹牙间受力分配第一圈：Δp最大，受力最大第8~10圈后几乎不受力各圈受载不均∴采用加高螺母不能提高连接强度。2、办法采用受拉螺母（变形一致）

——减小螺栓螺母螺距变化差二、减小附加弯曲应力螺纹牙根弯曲应力——————→断裂螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。引起附加弯曲应力因素：措施：垫圈、凸台、沉孔等。思考：采用凸台、沉孔的目的？三、减轻应力集中收尾：退刀槽；增大牙根处过渡圆角半径。四、降低应力幅σaσmax一定时：σa↓—→疲劳强度↑当F、F”不变时：↓cb或↑cm。措施：

1）↑螺栓长度