螺纹连接和螺旋传动

第二篇连接为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高生产率，广泛地使用各种连接。因此设计者应了解各种机器中常用的连接方法、连接种类、特点和应用，熟悉连接设计的准则，掌握好设计的方法。机械连接动连接---运动副静连接不可拆连接可拆连接焊接、铆接、胶接螺纹连接、键连接、销连接在设计被连接零件时，应同时决定所要采用的连接类型。连接类型的选择是以使用要求及经济要求为依据的。一般，采用不可拆连接多由于制造及经济上的原因；采用可拆连接多由于结构、安装、运输、维修上的原因。不可拆连接的制造成本通常较可拆连接低。在具体选择连接类型时，还要考虑到连接的加工条件和被连接零件的材料、形状、尺寸等因素。在设计连接时，除应考虑强度、刚度及经济性等基本问题外，在某些场合，还必须满足紧密性的要求。第五章螺纹连接与螺旋传动§5-1

螺纹§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螺纹连接的强度计算§5-5螺栓组连接的设计§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螺纹连接的防松螺纹连接——利用带有螺纹的的零件构成的可拆连接。§5-1

螺纹一、螺纹的类型和应用螺纹的形成1、螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。螺纹的类型2、根据平面图形的形状分为：3、根据母体形状分为：圆柱螺纹圆锥螺纹

三角形螺纹（普通螺纹M）

矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹半圆形螺纹4、根据螺旋线绕行方向分为：右旋螺纹左旋螺纹（车床溜板箱、煤气罐开关、自行车中轴）单线螺纹双线螺纹多线螺纹5、根据螺旋线数目分为：螺纹的类型与特点1连接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠连接；传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。6、螺纹按工作性质分为连接用螺纹和传动用螺纹。

牙型为等边三角形，牙型角60°，内外螺纹旋合后留有径向间隙。外螺纹牙根有较大的圆角，以减小应力集中。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，连接强度高，因牙细不耐磨，易滑扣。

一般连接多用粗牙螺纹，细牙螺纹常用于细小零件，薄壁管件或受冲击、振动和变载荷的连接中。细牙螺纹也可作为微调机构的调整螺纹用。普通螺纹（三角形螺纹）

M10；

M10×1自攻螺钉用螺纹与普通螺纹相比，牙型相同，但是在相同的大径时，自攻螺纹的螺距大而小径则略小。自攻螺钉用螺纹已是一种标准化的螺纹。自攻螺钉螺纹

管螺纹是用于管子连接的螺纹，其螺纹牙分布在圆锥体上。常用的管螺纹根据牙型角的不同可分为55°和60°的管螺纹。管螺纹根据其密封的性能，可将其分为密封管螺纹和非密封管螺纹。密封管螺纹的螺旋副本身具有密封和机械连接两种功能；非密封管螺纹则螺旋副本身仅具有机械连接一种功能，但它可以锁紧螺纹以外的密封结构。管螺纹的尺寸规格直接采用相应管子的尺寸规格，选用时只能使用与管子具有相同尺寸规格的管螺纹。管螺纹

G1/4"；

ZG1/4"

牙型为等腰梯形，牙型角为α＝30°，内外螺纹以锥面贴紧不易松动。与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。如用剖分螺母，还可以调整间隙。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。如车床丝杠。梯形螺纹

牙型为正方形，牙型角α=0°，其传动效率较其它螺纹高，但牙根强度弱，螺旋副磨损后，间隙难以修复和补偿，传动精度降低。为了便于铣、磨削加工，可制成10°的牙型角。

矩形螺纹尚未标准化，推荐尺寸：d=1.25d1，P=0.25d1。矩形螺纹

牙型为不等腰梯形，工作面的牙侧角为3°，非工作面的牙侧角为30°，外螺纹牙根有较大的圆角，以减小应力集中。这种螺纹兼有矩形螺纹传动效率高、梯形螺纹牙根强度高的特点，但只能用于单向受力的螺纹连接或螺旋传动中，如螺旋压力机及载荷很大的起重螺旋。锯齿型螺纹螺纹的类型与特点2二、普通螺纹的主要参数螺距P－螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。大径d－即螺纹的公称直径。小径d1－常用于连接的强度计算。中径d2－常用于连接的几何计算。牙型角α－螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。对称牙型的牙侧角β=α/2。升角Ψ－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。线数n－螺纹的螺旋线数目。导程S－螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离。升角的计算式为：接触高度h－内、外螺纹旋合后的接触面的径向高度。S=nP

M10；

M10×1；联接类型与标准件2§5-2螺纹连接的类型与标准连接件一、标准螺纹连接件螺纹连接的类型很多，螺栓、螺柱、螺钉、螺母等称为螺纹联接件。在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。

普通螺栓

铰制孔用螺栓

内六角螺栓

双头螺柱

紧定螺钉

机器螺钉

平垫圈

六角螺母

自攻螺钉

弹簧垫圈

止动垫圈普通六角头螺栓的种类很多，应用最广。精度分为Ａ、Ｂ、Ｃ三级，通用机械中多用Ｃ级。螺杆部可制出一段螺纹或全螺纹，螺纹有粗牙和细牙之分。普通（六角头）螺栓高强度螺栓的螺栓头部常作成内六角头，如8.8～12.9级的螺栓，可用于施加大安装扭矩。在装配时，应采用内六角扳拧专用工具。在自动化装配中应用内六角螺栓，可获得可靠的拧紧效果。内六角螺栓双头螺柱的两端都制有螺纹，两端螺纹可相同或不同，螺柱可带退刀槽（Ａ型）或制成腰杆（Ｂ型）。螺柱的一端常用于旋入铸铁或有色金属的螺纹孔中，旋入后即不经常拆卸，以保护螺纹孔的螺纹，另一端则用于安装螺母以固定其它零件，螺柱也有制成全螺纹的。双头螺柱螺钉头部形状有圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽和内六角槽等形式。十字槽螺钉头部的强度较高、对中性好，便于自动装配。内六角孔螺钉能承受较大的扳手力矩，并且连接强度高，可代替六角头普通螺栓，用于结构要求紧凑的场合。螺钉紧定螺钉的末端形状通常有锥端、平端和圆柱端。锥端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合；平端接触面积大，不伤零件表面，常用于顶紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于紧定空心轴上的零件位置。紧定螺钉螺钉的头部形状有平头、盘头、半沉头、沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽等形状。末端形状有锥端和平端两种。多用于连接金属薄板、轻合金或塑料零件。在被连接件上可不预先制出螺纹，在连接时利用螺纹直接攻出螺纹。螺钉材料一般用渗碳钢，热处理后表面硬度不低于45HRC。自攻螺钉的螺纹与普通螺纹相比，在相同的大径时，自攻螺纹的螺距大而小径则略小。自攻螺钉已是一种标准化的螺钉。自攻螺钉根据螺母厚度的不同，螺母分为标准螺母和薄型螺母两种。薄型螺母常用于受剪力的螺栓或空间尺寸受限制的场合。螺母的制造精度与螺栓相同，分为Ａ、Ｂ、Ｃ三级，分别与相同级别的螺栓配用。六角螺母圆螺母平垫圈是螺纹连接中不可缺少的附件，常放置在螺母和被连接件之间，起保护支承表面等作用。平垫圈按加工精度不同，分为Ａ级和Ｃ级两种。用于同一螺纹直径的垫圈又分为特大、大、普通和小的四种规格，特大垫圈主要在铁木结构上使用。此外，有一种用于倾斜支承面的垫圈为斜垫圈。平垫圈弹簧垫圈是用于防松的一种垫圈，安装在螺母与被连接件之间。螺母拧紧后，靠垫圈压平后而产生的弹性反力使旋合螺纹间压紧。同时垫圈斜口的尖端抵住螺母与被连接件的支承面也有放松效果。弹簧垫圈

止动垫圈是用于防松的一种垫圈，通常安装在螺母与被连接件之间。螺母拧紧后，将单耳或双耳止动垫圈分别向螺母和被连接件的侧面折弯贴紧，即可将螺母锁住。若两个螺栓需要双联锁紧时，可采用双联止动垫圈，使两个螺母相互制动。止动垫圈国家标准规定，螺纹连接件分为三个精度等级，其代号为Ａ、Ｂ、Ｃ级。Ａ级精度最高，用于要求配合精确、防止振动等重要零件的连接；Ｂ级多用于受载较大且经常装拆、调整或承受变载荷的连接；Ｃ级精度多用于一般的螺纹连接。常用的标准螺纹连接件通常选用Ｃ级精度。是谁、什么时候发明了螺纹连接已无据可查，但在1456年制造的一个头盔上，发现了有固定羽饰的螺钉、螺母，这是最早作为紧固件用的螺钉、螺母。

1760年英国怀亚特家族的乔布和威廉兄弟发明了车螺纹的车床，他们被认为是工业制造螺栓、螺母的创始人。

1841年，英国人惠特沃思最早提出标准螺纹体制，称为惠氏螺纹，随后成为沿用多年的英国标准螺纹。1864年美国人赛勒在惠氏螺纹体制的基础上，提出了新的螺纹体制，将牙型角由55°改为60°，1868年正式定为美国螺纹标准，称为US螺纹。1894年，法国制定了SF螺纹体制，将英、美的英寸制螺纹改为米制螺纹。1962年ISO发表了米制螺纹标准，使螺纹标准国际化。虽然现代螺纹连接已经有一百多年的历史，使用的又十分普遍，但螺纹连接件形状复杂，构成连接后，载荷与变形关系也很复杂，所以对螺纹连接依然要认真对待。在某些重要的机器设备中，例如飞机、汽轮机、核反应堆等大型装备中，一旦螺纹连接出现损坏，将造成严重后果。1966年日本航空公司一架从千叶飞往东京羽田机场的飞机，因为连接发动机的螺栓疲劳断裂，在羽田海面坠入海中。在美国汽车制造商接到的投诉中，最多的是紧固件的问题。美国空间试验计划的统计资料表明，在螺栓连接失效的原因中，设计不当造成的损失竟占24%，若把装配不当引起的损坏29%加在一起数字相当可观。许多机械产品的质量与紧固件的质量密切相关，生产的完全自动化要求紧固件没有任何缺陷，例如，在机器人的自动装配线中，螺纹紧固件的质量偏离合格标准1%，则自动线每20分钟将关闭一次。随着技术的发展，机械产品超高速、大功率、精密、小型轻量化方向发展，对紧固件的性能提出了更高的要求。

二、螺纹连接的基本类型受拉螺栓连接（普通螺栓连接）受剪螺栓连接（铰制孔用螺栓连接）1）螺栓连接2）双头螺柱连接3）螺钉连接4）紧定螺钉连接

普通螺栓连接的结构特点是被连接件的通孔与普通螺栓的杆部之间留有一定的间隙。通孔的加工精度要求较低，结构简单，装拆方便，应用十分广泛。螺栓孔的直径大约是螺栓公称直径的1.1倍。普通螺栓连接

铰制孔用螺栓连接（也称配合螺栓连接）的被连接件通孔与螺栓的杆部之间多采用基孔制过渡配合，螺栓能精确固定被连接件的相对位置，并能承受横向载荷。这种连接对孔的加工精度要求较高，应精确铰制加工而成，连接也因此得名。铰制孔用螺栓连接双头螺柱连接使用于结构上不能采用螺栓连接的场合，例如，被连接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比较软，且需要经常拆卸的场合。H为拧入深度，当带有螺纹孔件的材料为：

钢或青铜：H≈d铸铁：H=(1.25～1.5)d铝合金：H=(1.5～2.5)d双头螺柱连接

螺钉连接的特点是螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中，不必用螺母，结构简单紧凑。但当要经常拆卸时，易使螺纹孔磨损，导致被连接件报废，故多用于受力不大，不许经常拆卸的场合。H为拧入深度，当带有螺纹孔件的材料为：

钢或青铜：H≈d铸铁：H=(1.25～1.5)d铝合金：H=(1.5～2.5)d螺钉连接紧定螺钉连接是利用拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可同时传递不太大的力或力矩。

左图为用平端紧定螺钉的连接，这种连接不伤零件表面；右图为用锥端紧定螺钉的连接，这种联接通常应在被连接件上预制一锥凹坑。紧定螺钉连接地脚螺栓主要应用于将机座或机架固定在地基上的连接。使用前，应将地脚螺栓预埋在地基内。地脚螺栓连接

除上述连接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹连接。如：T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺栓连接等。吊环螺钉主要装在机器或大型零、部件的顶盖或外壳上，以便于对设备实施起吊。吊环螺钉连接

T型槽螺栓主要用于工装设备中的工装零件与工装机座的连接。d0=1.1d；B=(1.75～2.0)d；

C1=(1～1.5)d；C2=(0.7～0.9)d；T型槽螺栓连接大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，称为“预紧”，使连接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加的作用力，称为“预紧力”。§5-3螺纹连接的预紧

预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。（增大联接的刚性；提高紧密性；防松。）拧紧，螺栓受拉，被连接件受压，使之在承受工作载荷之前，螺栓已预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力F0。预紧力的大小取决于扳手力矩T。

适当选用较大的预紧力对螺纹连接的可靠性以及连接件的疲劳强度都是有利的，特别对于像气缸盖、管路凸缘、齿轮箱、轴承盖等紧密性要求较高的螺纹连接，预紧更为重要。但过大的预紧力会导致整个连接的结构尺寸增大，也会使连接件在装配或偶然过载时被拉断。因此，为了保证连接所需要的预紧力，又不使螺纹连接件过载，对重要的螺纹连接，在装配时要控制预紧力。一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力F0碳素钢螺栓合金钢螺栓例如：45#、σs＝630，M20（d1=17.294）时，F0≤5494N预紧力的具体数值应根据载荷性质、连接刚度等具体工作条件确定。对于重要的或有特殊要求的螺栓连接，预紧力的数值应在装配图上作为技术条件注明，以便在装配时加以保证。受变载荷的螺栓连接的预紧力应比受静载荷的要大。经验：拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限Ϭs的80%。预紧力的确定原则：工作原理：当拧紧力矩超过规定值时，弹簧3被压缩，扳手卡盘1与圆柱销2之间打滑，如果继续转动手柄，卡盘即不再转动。拧紧力矩的大小可利用螺钉4调整弹簧压紧力来加以控制。汽车的生产流水线，用定力矩扳手拧紧螺栓。定力矩扳手

通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。

重要连接预紧力的控制方法：工作原理：根据扳手的弹性元件1在拧紧力的作用下产生的弹性变形来指示拧紧力矩的大小。测力矩扳手如：柴油机主轴承紧螺栓，18CrNiWAM48×2，紧固力矩T＝180～185Kgm，螺栓伸长量0.35～0.40mm。上述两种方法操作简单，但准确性较差，且不适合大型的螺栓连接。对于重要的螺栓连接，可以采用测定螺栓伸长量的方法来控制预紧力。当螺母拧到与被连接件贴紧时，测的螺栓的原始长度为LS，根据所需的预紧力，拧紧后螺栓的伸长量为

装配时预紧力的大小是通过拧紧力矩来控制的。因此，应从理论上找出预紧力和拧紧力矩之间的关系。拧紧力矩T=FL

拧紧力矩等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺母环形端面与被联接件(或垫圈)支承面间的摩擦阻力矩T2之和。

对于一定公称直径d的螺栓，当所要求的预紧力F0已知时，可按公式T≈0.2F0d估计扳手的拧紧力矩T。

一般普通的标准扳手的长度L≈15d，若拧紧力为F，则T=FL，因此有

F0≈75F

若假设F=200N，则F0≈15000N。由于摩擦系数不稳定，加在扳手上的力难于精确控制，如果用这个预紧力拧紧M12以下的钢制螺栓，就有可能被过载拧断。

因此，对于重要的连接，应尽量不采用直径过小(例如小于M12）的螺栓。必须使用时，应严格控制其拧紧力矩。

预紧力和拧紧力矩之间的关系：重物上升时矩形螺纹自锁的概念重物下降时自锁条件：螺旋副效率：输入功有效功三角形螺纹自锁条件：效率：三角形螺纹矩形螺纹锯齿形螺纹梯形螺纹普通螺纹连接满足自锁条件§5-4螺纹连接的防松螺纹连接拧紧之后由于连接中的摩擦力有防松作用，所以在静载荷和工作温度变化不大时，一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹连接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致连接失效。1、在冲击、振动和变载荷作用下，螺纹之间的摩擦力可能减小或瞬时消失而影响正常工作；

2、在高温或温度变化较大时，若螺栓与被连接件的温度变化差或材料的蠕变和应力松弛，也会使连接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，导致连接失效。防松的原因螺纹连接一旦出现松脱，轻者影响机器正常运转，重者造成严重事故，因此，为了防止连接松脱，保证连接可靠，设计时必须采取有效的防松措施。

防松的方法，按工作原理的不同分为摩擦防松、机械防松和破坏螺旋副运动关系防松等。

对于重要的连接，特别是在机器内部不易检查的连接，应采用比较可靠的机械防松。（破坏螺旋副运动关系防松）防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。对顶（双）螺母防松弹簧垫圈防松自锁螺母防松六角开槽螺母防松止动垫圈螺母防松串联钢丝防松摩擦防松原理：使旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用。机械防松原理：利用机械零件固定螺母、螺杆的相对位置，使螺旋副不能相对转动。

对顶（双）螺母防松原理：

两螺母对顶拧紧后，使旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用，工作载荷有变动时，该摩擦力仍然存在

。螺栓旋合段受拉而螺母受压，使螺纹副纵向压紧。1、摩擦防松特点：

结构简单，适用于平稳、低速和重载的固定装置的连接。

两螺母中上螺母螺纹牙受力较大，其厚度可大于下螺母（上厚下薄），但为了防止装错，两螺母高度可相同。原理：

螺母拧紧后，靠垫圈压平而产生的弹性反力使旋合螺纹间压紧。同时垫圈斜口的尖端抵住螺母与被连接件的支承面也有防松作用。弹簧垫圈防松开口方向：斜向右下方特点：

结构简单，使用方便，但在振动冲击载荷作用下，防松效果较差，一般用于不甚重要的连接。原理：

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，收口涨开，利用收口的回弹力使旋合螺纹间压紧。自锁螺母防松特点：

结构简单，防松可靠，可多次装卸而不降低防松性能。六角开槽螺母原理：

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，并将开口销尾部掰开与螺母侧面贴紧。2、机械防松特点：结构简单，使用方便，防松可靠。适用于有较大冲击、振动的高速机械中运动部件的连接。原理：

螺母拧紧后，将单耳或双耳止动垫圈分别向螺母和被联接件的侧面折弯贴紧，即可将螺母锁住。若两个螺栓需要双联锁紧时，可采用双联止动垫圈，使两个螺母相互制动。止动垫圈防松特点：

结构简单，使用方便，防松可靠。原理：

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。串联钢丝防松适用于冲击振动载荷，成本高，重要场合使用。例如机车车辆用。不正确正确特点：

适用于螺钉组连接，但是拆卸不便。切口螺母螺旋弹簧橡皮垫圈金属锁紧螺母

铆冲方法防松。螺母拧紧后把螺栓末端伸出部分铆死，或利用冲头在螺栓末端与螺母的旋合缝处打冲，利用冲点防松。这种防松方法可靠，但拆卸后连接件不能重复使用。3、破坏螺旋副运动关系防松在旋合螺纹间涂以液体胶粘剂，拧紧螺母后，胶硬化。例：试找出图中螺纹连接结构中的错误，说明原因，并绘图改正。已知被连接件材料均为Q235，连接件为标准件。（a）普通螺栓连接；（b）螺钉连接；（c）双头螺栓连接；d）紧定螺钉连接§5-5螺栓组连接的设计

大多数机械中螺纹连接件都是成组使用的，其中螺栓组连接最具典型性

，以螺栓组连接为例，讨论其设计和计算问题。（结论同样适用双头螺柱组、螺钉组连接）在设计螺栓组连接时，首先确定螺栓数目及布置形式，再确定螺栓连接的结构尺寸。在确定螺栓尺寸时，对于不重要的连接，可参考现有的机械设备，采用类比法确定，不再进行强度校核；但对于重要的连接，则应根据连接的工作载荷，分析各螺栓的受力状况，找出受力最大的螺栓进行强度校核。螺栓组连接设计的主要内容包括结构设计和受力分析。

一、螺栓组连接的结构设计

螺栓组连接结构设计的主要目的，在于合理地确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和连接接合面间受力均匀，便于加工和装配。设计时应考虑的以下问题：1、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，通常连接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。如圆形、环形、矩形、框形、三角形等。

这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和连接接合面的形心重合，从而保证连接接合面受力比较均匀。2、螺栓布置应使各螺栓的受力合理。

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8个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；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，以减小螺栓的受力。3、螺栓的排列应有合理的间距、边距。

布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间尺寸可查阅有关标准。

对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的间距不得大于表5-4所推荐的数值。

4、分布在同一圆周上的螺栓数目应取偶数，便于分度和画线。

通常在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。5、同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度均应相同。6、避免螺栓承受附加的弯曲载荷。

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。在铸，锻件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。7、合理地选择螺栓组的防松装置。

受力分析的目的：实际中，螺栓连接往往是成组使用，而成组使用的螺栓连接（螺栓组）中，各个螺栓的受力往往是不一样的，这就需要进行受力分析。为了简化计算，受力分析时所作假设：a所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；c.被连接件为刚体，受载后连接接合面仍保持为平面。二、螺栓组连接的受力分析b.螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；

主要任务：进行螺栓组的受力分析，找出其中受力最大的螺栓及其所受的力，作为进行单个螺栓强度计算的依据。1．受横向载荷2．受转矩3．受轴向载荷4．受倾覆力矩

受力分析的类型：螺纹联接组的设计3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

当采用普通螺栓连接时（图a），靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷；当采用铰制孔用螺栓连接（图b），靠螺杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷。式中：z为螺栓数目。（1）对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受横向工作剪力：

普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接，两者的传力方式不同，但可以近似认为，在横向总载荷FΣ的作用下，各螺栓所承担的工作载荷是均等的。（2）对于普通螺栓连接，应保证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。或Ks——防滑系数，取Ks=1.1～1.3；f——接合面摩擦系数，表5-5；i——接合面数。假设各螺栓所需要的预紧力均为F02．受转矩的螺栓组连接转矩T作用在连接结合面内，在转矩T的作用下，底板将绕通过螺栓组对称中心O并与结合面相垂直的轴线转动。为防止底板转动，可采用普通螺栓连接，也可采用铰制孔用螺栓连接。其传力方式和受横向载荷的螺栓组连接相同。

螺纹联接组的设计4

采用普通螺栓（图a），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。根据底板上力矩平衡条件：假设各螺栓的预紧力均为F0，则各螺栓连接处产生的摩擦力fF0相等且集中作用在螺栓中心处。为阻止接合面发生相对移动，各摩擦力应与相应螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的连线（即力臂ri）相垂直。

采用铰制孔用螺栓（图b），是靠螺栓的受剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。为了求得各螺栓的工作剪力的大小，假定底板为刚体，受载后接合面仍保持为平面，则各螺栓的剪切变形量与该螺栓轴线到对称中心O的距离ri成正比。即距螺栓组对称中心O越远，螺栓的剪切变形量越大，若螺栓的剪切刚度相同，则剪切变形量越大，受的工作剪力也越大。各螺栓受到挤压和剪切作用，各个螺栓受到的横向载荷应与相应螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的连线（即力臂ri）相垂直。根据作用在底板上力矩平衡条件：受力最大的螺栓的工作剪力为：螺纹联接组的设计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：注意：各螺栓除承受轴向工作载荷F外还受有预紧力F0的作用。

4．受倾覆力矩的螺栓组连接倾覆力矩M作用在通过x－x轴并垂直于连接接合面的对称平面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。假定被连接件（底板—地基）为弹性体，其接合面始终保持为平面。底板承受倾覆力矩作用前，由于螺栓已拧紧，螺栓承受预紧力F0，有均匀的伸长；地基在各螺栓的F0作用下，有均匀的压缩(图)；当底板受到倾覆力矩作用后，它绕轴线O－O倾转一个角度。此时，在轴线O－O左侧，地基被放松，螺栓被进一步拉伸；在右侧，则螺栓被放松，地基被进一步压缩（图）。为了简便，地基与底板的相互作用力以作用在各螺栓中心的集中力代表。上述受力过程，可用单个螺栓—地基的受力变形图来表示。作用在O-O两侧底板上的两个总合力，对O-O形成一个力矩，这个力矩应与外加的倾覆力矩M平衡，即：

在倾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作点都处于A点。

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工作载荷F。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

，大小等于工作载荷F

。由此求出最大工作载荷：根据螺栓变形协调条件，各螺栓的拉伸变形量与其中心到轴线O－O的距离成正比，因为螺栓拉伸刚度相同，所以左边螺栓的工作载荷和右边地基在螺栓处的压力也与这个距离成正比，即：在保证螺栓在Fmax作用时具有足够强度的前提下，为了防止接合面受压最大处被压碎或最小处出现间隙，应该检查受载后地基结合面压应力的最大值σpmax和最小值σpmin，即保证：式中：A为接合面的有效面积；

W为接合面的有效抗弯截面系数；

[σp]为连接结合面材料的许用挤压应力。实际使用中的螺栓组所受工作载荷常常是上述四种受力状态的不同组合。分析时可先将复杂受力状态分解为上述四种简单受力状态，再将其各自结果向量叠加，便得到每个螺栓的总的工作载荷。

一般情况，对普通螺栓可按轴向载荷或（和）倾覆力矩确定工作拉力；按横向载荷或（和）转矩确定连接所需的最小预紧力，然后求出螺栓的总拉力。对于铰制孔用螺栓则按横向载荷或（和）转矩确定螺栓的工作剪力，求得受力最大的螺栓及其受的剪力后，再进行单个螺栓连接的强度计算。

对构成连接系统的螺栓组而言，所受载荷可能有轴向载荷，横向载荷，弯矩和转矩等，但对螺栓组中每一个具体螺栓而言，其受载形式只有轴向力、横向力或二者联合作用。受转矩

受倾覆力矩

受横向载荷

受轴向载荷

按受力形式分，螺栓组的受力可分为以下类型。§5-6螺纹连接的强度计算一、螺栓组和螺栓的受力情况

普通螺栓在轴向力（包括预紧力）作用下，螺栓杆和螺纹部分可能发生塑性变形或断裂，其破坏主要发生的部位及其出现的百分比见图。受拉螺栓的失效形式二、螺栓连接的失效形式、设计准则

在横向载荷作用下，其失效为螺杆和通孔孔壁的压溃或螺杆被剪断。

受剪螺栓的失效形式螺纹联接的强度计算1

对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺杆螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。设计准则：保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度

对于受剪螺栓，其失效形式主要是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。设计准则：保证连接的挤压强度和螺栓的剪切强度

1.根据连接的类型、连接的装配情况（预紧或不预紧）、载荷状态等条件，确定螺栓的受力；

2.根据相应的设计准则，按强度条件计算螺栓危险截面的直径（螺纹小径）或校核强度；

3.螺栓其它部分（螺纹牙、螺纹头、光杆）和螺母、垫圈的结构尺寸，按螺栓螺纹的公称直径由标准选定，不进行强度计算。三、螺栓连接的设计思路四、单个螺栓的强度计算铰制孔用螺栓连接普通螺栓连接松螺栓连接：不预紧紧螺栓连接：预紧（一）松螺栓连接强度计算松螺栓连接是指装配时螺母不被拧紧，螺栓不受预紧力的作用。这种连接只受工作拉力的作用，即螺栓所受的总拉力就是工作拉力F，如拉杆、起重机吊钩的螺栓连接。拉伸强度条件：例：图示某机构的拉杆端部采用粗牙普通螺纹连接，已知：拉杆所受最大载荷F＝15kN，载荷很少变动，拉杆材料为Q235钢，强度级别为4.6级，试确定拉杆螺栓的直径。解：（二）紧螺栓连接强度计算1．仅受预紧力的紧螺栓连接2．受轴向载荷的紧螺栓连接3．承受工作剪力的紧螺栓连接螺纹联接的强度计算21．仅受预紧力的紧螺栓连接

紧螺栓连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩作用下，螺栓除受预紧力F0的拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的扭转而产生扭转切应力，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。因此，进行仅承受预紧力的紧螺栓的强度计算时，应综合考虑拉伸应力与扭转切应力的作用。对于M10～M64普通螺纹的钢制紧螺栓连接，在拧紧时虽是同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时可以只按拉伸强度计算，并将所受的拉力(预紧力)增大30％来考虑扭转的影响。摩擦力矩的作用相当于使拉伸载荷F增大30%。根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力：预紧力引起的拉应力：强度条件：

当普通紧螺栓连接承受横向载荷时，由于预紧力的作用，将在接合面间产生摩擦力来抵抗工作载荷。预紧力F0的大小，根据接合面不产生滑移的条件确定。这时，螺栓仅承受预紧力的作用而且预紧力不受工作载荷的影响，在连接承受工作载荷后仍保持不变。例：一牵曳钩用两个M10（d1=8.376）普通螺栓固定于机体上，如图示，已知接合面间摩擦系数f=0.15，可靠性系数Ks=1.2，螺栓材料强度为6.6级，屈服极限Ϭs=360MPa，许用安全系数[S]=3。试计算该螺栓组连接允许的最大牵引力。解：1）螺栓允许的最大预紧力2）连接允许的最大牵引力连接接合面间的摩擦系数用减载零件承担横向工作载荷。这种具有减载零件的紧螺栓连接，其联接强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算，而螺纹连接只是保证连接，不再承受工作载荷，因此预紧力不必很大。但这种连接增加了结构和工艺上的复杂性。

当连接承受较大的横向载荷F时，由于要求比较大的预紧力（F0≥F／f，f=0.2，即F0≥5F

），因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。螺纹联接的强度计算32．受轴向载荷的紧螺栓连接

这类连接在拧紧后还要承受轴向载荷F，由于弹性变形的影响，螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和，还与螺栓的刚度、被连接刚度等因素有关。这类螺栓也常用普通螺栓连接。

在连接尚未承受工作拉力F时，螺栓的拉力和被连接件的压缩力都等于预紧力F0。

当连接承受工作载荷F时，螺栓的总拉力为F2，相应的总伸长为；

被连接件的压缩力等于残余预紧力F1，相应的总压缩为

。螺栓的总拉力F2等于残余预紧力F1与工作拉力F之和。螺栓预紧后，在工作拉力F的作用下，螺栓的总拉力F2

F1为残余预紧力，为保证连接的紧密性，应使

F1＞0，一般根据连接的性质确定F1的大小。推荐采用的Fl：对于有密封性要求的连接，对于一般联接,工作载荷稳定时，F1=(0.2～0.6)F工作载荷不稳定时，F1=(0.6～1.0)F对于地脚螺栓连接预紧力、残余预紧力、总拉力的关系式中：为螺栓的相对刚度，其取值范围为0~1。螺栓的总拉力为：

为使工作载荷作用后，连接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓连接的预紧力F0为：相对刚度的大小与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料以及垫片、工作载荷的作用位置等因素有关。若被连接件的刚度cm很大，而螺栓的刚度cb很小(如细长的或中空螺栓)，则螺栓的相对刚度趋于零，此时，工作载荷作用后，使螺栓所受的总拉力增加很少。反过来，当螺拴的相对刚度较大时，则工作载荷作用后，使螺栓所受的总拉力有较大的增加。为了降低螺栓的受力，提高螺栓连接的承载能力，应使相对刚度值尽量小些。拉伸强度条件：

设计时，先根据连接的受载情况，求出螺栓的工作拉力F，再根据连接的工作要求选取F1值，然后计算螺栓的总拉力F2。求得F2值后即可进行螺栓强度计算（静强度），考虑到扭转切应力的影响。例：液压油缸盖选用6个M16螺栓连接，若已知其危险剖面直径d1=14mm，螺栓材料许用拉应力[Ϭ]＝110MPa，油缸径D＝150mm，油缸压力p＝2MPa，F0＝11000N，相对刚度为0.8，计算：1)螺栓的工作载荷与总拉力以及被连接件的残余预紧力；

2)校核螺栓的强度是否足够；

3)按比例画出螺栓与被连接件的受力变形图，并在图上标出F、F1、F0、F2及螺栓的伸长量δ1与被连接件的压缩量δ2。解：单个螺栓所受轴向工作载荷为：螺栓所受总拉力为残余预紧力为1）螺栓的工作载荷与总拉力以及被连接件的残余预紧力2）校核螺栓的强度是否足够螺栓危险截面的拉伸应力强度不够3)按比例画出螺栓与被连接件的受力变形图，并在图上标出F、F1、F0、F2及螺栓的伸长量δ1与被连接件的压缩量δ2。

对于受轴向变载荷的重要连接(如内燃机汽缸盖螺栓联接等)，还应对螺栓的疲劳强度作精确校核。应力幅当工作拉力在0~F之间变化，螺栓所受的总拉力将在F0~F2之间变化。螺纹联接的强度计算43．承受工作剪力的紧螺栓连接

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。在连接结合面处，螺栓杆则受剪切。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：式中：F－螺栓所受的工作剪力，单位为N；

d0－螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；

Lmin－螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时

应使Lmin≥1.25d0例：起重卷筒与大齿轮用8个普通螺栓连接在一起，如图所示。已知卷筒直径D＝400mm，螺栓分布圆直径D0=500mm，接合面间摩擦系数f=0.12，可靠性系数Ks＝1.2，起重钢索拉力FQ=50000N，螺栓材料的许用拉伸应力[Ϭ]=100MPa。试设计该螺栓组的螺栓直径。分析：本题为受旋转力矩的普通螺栓组连接，是靠接合面间的摩擦力矩来平衡外载荷——旋转力矩。解:1、计算旋转力矩2、计算螺栓所需要的预紧力3、确定螺栓直径取M361、螺纹连接有哪些基本类型？2、螺纹连接预紧的目的是什么？控制预紧力的方法有哪几种？3、螺纹联接设计时均已满足自锁条件，为什么还必须采取有效的防松措施？螺纹连接防松的方法按工作原理可分为哪几种？试举例说明。4、受拉螺栓、受剪螺栓的主要失效形式有哪些？5、画出单个紧螺栓联接受轴向力的受力变形线图，并根据线图写出螺栓的总拉力、预紧力和剩余预紧力的计算公式。作业题思考题1、有一受预紧力F0和轴向工作载荷F=1000N作用的紧螺栓连接，已知预紧力F0＝1000N，螺栓的刚度Cb与被连接件的刚度Cm相等。试计算该螺栓所受的总拉力F2和剩余预紧力F1。在预紧力F0不变的条件下，若保证被连件间不出现缝隙，该螺栓的最大轴向工作载荷Fmax为多少？2、P102题5-9国家标准规定了螺纹连接件的性能等级（表5-8、5-9）。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，从3.6到12.9。螺纹联接件的材料与许用应力§5-7螺纹连接件的材料与许用应力一、螺纹连接件材料

小数点前的数字代表材料的抗拉强度极限的1/100，小数点后的数字代表材料的屈服极限与抗拉强度极限之比。如性能等级4.6，4代表材料的抗拉强度极限σB为400MPa，6代表材料的屈服极限σS与抗拉强度极限σB之比为0.6，则材料的屈服极限σS为240MPa。螺母的性能等级分为7级，从4到12。数字粗略表示螺母保证（能承受的）最小应力的1/100，选用时所用螺母的性能等级应不低于与其相配螺栓的性能等级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹连接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。国家标准推荐的标准螺纹连接件常用材料有低碳钢（Q215、10钢）、中碳钢（Q235、35钢、45钢）和合金钢（15Cr、40Cr、30CrMnSi）。对用于特殊用途（防磁、导电）的螺纹连接件也有用特殊钢、铜合金或铝合金等。普通垫圈的材料，推荐采用Q235、15钢、35钢，弹簧垫圈用65Mn制造，并经热处理和表面处理。二、螺纹连接件的许用应力1．螺纹连接件的许用拉应力2．螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力3．螺纹连接件的安全系数（被连接件为钢）（被连接件为铸铁）

由于载荷性质的不同，螺纹连接中可能存在着拉应力、切应力或挤压应力。相应的许用应力的确定应考虑螺纹连接件的性能等级、载荷性质、安全系数等因素。

例：凸缘联轴器用8个普通螺栓连接（M16的螺栓，螺拴小径d1=13.835mm)，已知螺栓分布圆的直径D0＝250mm，接合面间的摩擦系数f＝0.12。考虑摩擦传力的可靠性系数Ks＝1.2，螺栓的许用应力[Ϭ]＝l60MP，试计算该联轴器能传递的最大转矩Tmax＝?解：由螺栓危险截面的拉伸强度条件该联轴器靠螺栓预紧后在按合面间产生的摩擦力来传递力矩，根据作用在联轴器上的力矩平衡螺栓总拉力残余预紧力汽缸压力为p

例：有一气缸盖与缸体凸缘采用普通螺栓连接，如图所示。已知气缸中的压力p在0～2MPa之间变化，气缸内径D=500mm，螺栓分布圆直径D0=650mm。为保证气密性要求，剩余预紧力F1=1.8F，（F为螺栓的轴向工作载荷），螺栓间距t＜4.5d(d为螺栓的大径）。螺栓材料的许用拉伸应力[б]=120MPa，许用应力幅[б]a=20MPa。选用铜皮石棉垫片，螺栓相对刚度=0.8，试设计此螺栓组连接。解：分析受轴向载荷作用的螺栓组连接。但是，螺栓所受载荷是变化的，因此应先按静强度计算螺栓直径，然后校核其疲劳强度。此外，为保证连接的气密性，不仅要保证足够大的剩余预紧力，而且要选择适当的螺栓数目，保证螺栓间间距不致过大。1、初选螺栓数目ZZ=24

2、计算螺栓的轴向工作载荷F3、螺栓所受总拉力F2=F1+F=2.8F=45815N4、计算螺栓直径5、校核螺栓疲劳强度6、校核螺栓间距取M30作业题：3、P101题5-7；4、P102题5-8；提高螺纹联接强度的措施§5-8提高螺纹连接强度的措施以螺栓连接为例，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。影响螺栓强度的因素主要涉及到螺纹牙的载荷分配、应力变化幅度、应力集中、附加应力、材料的力学性能和制造工艺等方面。改善螺纹牙上载荷分布不均的现象降低影响螺栓疲劳强度的应力幅减小应力集中的影响采用合理的制造工艺一、降低轴向螺栓疲劳强度的应力幅

受轴向变载荷的紧螺栓连接，在最小应力不变的条件下，应力幅越小，螺栓越不容易发生疲劳破坏，连接的可靠性越高。当螺栓所受的工作拉力在0～F之间变化时，则螺栓的总拉力将在F0～F2之间变动。

由

可知，在保持预紧力F0不变的条件下，若减小螺栓的刚度Cb或增大被连接件刚度Cm，都可以达到减小总拉力F2的变动范围（即减小应力幅σa）的目的。

但是由

可知，在F0给定的条件下，减小螺栓的刚度Cb或增大被连接件刚度Cm，都将引起残余预紧力F1减小，从而降低了连接的紧密性。因此，若在减小Cb或增大Cm的同时,适当增加预紧力F0，就可以使F1不致减小太多或保持不变。（1）适当增加螺栓的长度（2）采用腰状杆螺栓和空心螺栓（3）在螺母下面安装上弹性元件

减小螺栓的刚度的方法腰状杆螺栓和空心螺栓在螺母下面安装上弹性元件（1）不用垫片或采用刚度较大的垫片（2）对于需要保持紧密性的连接，采用刚度较大的金属垫片或密封环增大被连接件的刚度软垫片密封密封环密封二、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象

螺栓所受的总拉力F2是通过螺栓和螺母的螺纹牙面相接触来传递的，由于螺栓、螺母的刚度和变形性质不同，各圈螺纹牙上受力不同。受拉的螺栓螺距增大，受压的螺母螺距减小。螺纹螺距的变化差以旋合的第一圈处为最大，以后各圈递减。

旋合的第一圈的分布载荷约占总载荷的1/3，第八圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷，由此可知，采用螺纹牙圈数过多的加厚螺母并不能提高联接的强度。因此，改善螺纹牙上的载荷分布不均性，可以大大提高螺栓的强度。一般常用的方法有：环槽螺母（图b）这种结构可以使螺母内缘下端（螺栓旋入端）局部受拉，其作用和悬置螺母相似，但载荷均布的效果不及悬置螺母；悬置螺母（图a）螺母的旋合部分全部受拉，其变形性质与螺栓相同，从而可以减小两者的螺距变化差，使螺纹牙上的载荷分布趋于均匀；

内斜螺母（图c）螺母下端（螺栓旋入端）受力大的几圈螺纹处制成10°～15°的斜角,使螺栓螺纹牙的受力面由上而下逐渐外移。这样,螺栓旋合段下部的螺纹牙在载荷作用下容易变形，而载荷将向上转移使载荷分布趋于均匀；图d所示的组合螺母结构，可兼有环槽螺母和内斜螺母的作用；钢丝螺套（图e）它主要用来旋入有色金属（轻合金）的螺纹孔内,旋入后将安装柄根在缺口处折断，然后拧入螺钉。因为它具有一定的弹性，可以起到均载的作用，再加上它还有减振的作用，故能显著提高螺纹连接件的疲劳强度。三、减小应力集中影响的措施

螺栓上的螺纹（特别是螺纹的收尾）、螺栓头和螺栓杆的过渡处以及螺栓横截面面积发生变化的部位等，都会产生应力集中。减小应力集中影响的措施：1.采用加大圆角和卸载结构，或将螺纹收尾改为退刀槽等；

a.采取球面垫圈或用带有腰环的螺栓，保证螺栓的装配精度；

b.规定螺母、螺栓头部和被连接件的支承面加工要求、螺纹的精度等级及装配要求；

c.在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，制成凸台或沉头座；

d.支承面倾斜时，采用斜面垫圈。2.避免螺纹连接产生附加弯曲应力：四、采用合理的制造工艺方法

采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺方法，可以显著提高螺栓的疲劳强度。这是因为除可降低应力集中外，冷镦和滚压工艺不切断材料纤维，金属流线的走向合理，而且有冷作硬化的效果，并使表层留有残余应力。因而滚压螺纹的疲劳强度可比切削螺纹的疲劳强度提高30%～40%。如果热处理后再滚压螺纹，其疲劳强度可提高70%～100%。这种冷墩和滚压工艺还具有材料利用率高、生产率高和制造成本低等优点。采用氮化、氰化、喷丸等处理工艺，也可以提高螺纹连接件的疲劳强度。1．高强度螺栓连接

ISO规定ϬB>800MPa、性能等级8.8级以上的螺栓，可以用淬火、回火处理。经过这样处理的螺栓既具有高的强度，又具有高的韧性。与此螺栓配套的螺母、垫圈也必须作同样处理，使之具有相适应的强度和韧性。这类螺栓连接预紧力大，螺栓接近或略超过屈服强度，构成所谓高强度螺栓连接。英国是首先采用高强度螺栓连接的国家。美国于1938年开始试验研究高强度螺栓连接，1951年制订了它的最初规范——高强度螺栓连接施工规范。至70年代后期，美国在桥梁、建筑等方面的工地接头已有90％以上使用高强度螺栓连接。几种特殊的螺纹连接件

我国1962年开始使用高强度螺栓连接，1983年公布了第一个高强度螺栓连接标准。目前铁路、公路、建筑、化工、冶金等各部门都相继使用，已基本上取代了铆接。高强度螺栓的结构如图示。德国从1953年开始采用高强度螺栓连接，1956年制订了它的计算、施工、装配暂行标准。1971年制订了欧洲统一规范——欧洲高强度螺栓连接使用准则。2．唐氏螺纹紧固件唐氏螺纹紧固件是基于新的防松原理发展起来的新型连接件。其结构如图所示，其螺杆的螺纹既有左旋螺纹的特点，又有右旋螺纹的特点，连接时使用两个不同旋向的螺母，工件支承面上的螺母称为紧固螺母，非支承面上的螺母称为锁紧螺母。使用时先将紧固螺母拧紧，然后再将锁紧螺母拧紧。在振动冲击情况下，紧固螺母会有松动的趋势，但是紧固螺母的松退方向是锁紧螺母的拧紧方向，锁紧螺母的拧紧阻止了紧固螺母的松退。唐氏螺纹紧固件与普通螺栓加弹性垫圈的防松性能对比试验，可知唐氏螺纹经120s的振动仍保持82％的预紧力，而普通螺栓加弹性垫圈的预紧力，经30s就下降到20％以下。4．施必牢（SPIRALOCK）螺母施必牢螺母是一种新型的自锁螺母，其螺纹结构形状与普通标准螺纹不同，它的螺母系用专门的螺纹丝锥制成，将其与普通的标准螺栓相配并施以一定的拧紧力矩，就可以在剧烈的振动条件下工作而不松动。由图可见，施加于楔形斜面上所产生的法向力Fn与螺纹轴线成60⁰角，而不是像普通螺纹那样成30⁰角，其当量摩擦系数增加，所产生的防松摩擦力也必然增大。同时，由于其轴向力Fa作用在螺纹牙顶，其牙顶处齿形易变形，使载荷均匀地分布在接触的螺旋线全长上，避免了在普通标准螺母情况下80％以上的总载荷集中作用在第一牙和第二牙的螺纹面上的现象。故此螺纹紧固件不仅克服了普通螺纹紧固件在振动条件下易于自松的缺点，而且还可延长使用寿命。例：试比较哪种铰制孔螺栓布置方案合理？

将作用于钢板上的外载荷向螺栓组连接的接合面形心简化，得出该螺栓组连接受横向载荷和旋转力矩T两种简单载荷作用。然后将这两种简单载荷分配给各个螺栓，找出受力最大的螺栓，并把该螺栓承受的横向载荷用矢量叠加原理求出合成载荷。图a)图b)方案a)较合理作业题：5、P101题5-6；例：如图所示的支架受F力。将F力分解并向螺栓组形心及结合面平移，得：轴向载荷横向载荷翻转力矩设计中，需要防止如下四种可能的失效形式：上沿开缝；下沿压溃支架下滑；需要足够大的。螺栓拉断；需要足够大的螺栓直径。例题：如图所示为一固定在钢制立柱上的铸铁托架，已知总载荷FΣ=4800N，其作用线与垂直线的夹角α=50°，底板高h=340mm，宽b=150mm，试设计此螺栓组联接。解：

1.螺栓组结构设计

采用如图所示的结构，螺栓数Z=4对称位置。2．螺栓受力分析

1）在总载荷FΣ的作用下，螺栓组连接承受以下各力和倾覆力矩的作用：

轴向力（FΣ的水平分力FΣh，作用于螺栓组中心，水平向右）

FΣh=FΣ×sinα=4800N×sin50°=3677N

横向力（FΣ的垂直分力FΣv，作用于接合面，垂直向下）

FΣv=FΣ×cosα=4800N×cos50°=3085N

倾覆力矩（顺时针方向）

M=FΣh×16+FΣv×15=105107N·cm

2)在轴向力FΣh的作用下，各螺栓所受的工作拉力为：3)在倾覆力矩Ｍ的作用下，上面两螺栓受到加载作用，而下面两螺栓受到减载作用，故上面的螺栓受力较大，所受的载荷为：故上面的螺栓所受的轴向工作载荷为：

F=Fa+Fmax=919N+1877N=2796N4）在横向力FΣv的作用下，底板连接接合面可能产生滑移，根据底版接合面不滑移的条件：5）上面每个螺栓所受的总拉力F2为：3.确定螺栓直径

选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的螺栓，屈服极限σs=240MPa，查表可得安全系数S=1.5故螺栓的许用应力：求出预紧力F0=6520N螺栓危险截面的直径（螺纹小径d1）为：按粗牙普通螺纹标准（GB196-81），选用螺纹公称直径d=12mm（螺纹小径d1=10.106mm）。4.校核螺栓组联接接合面的工作能力1）连接接合面下端的挤压应力不超过许用值，以防止接合面压碎。由查表可得[σp]=0.5σB=0.5×250MPa=125MPa≥1.84MPa，故连接接合面下端不致压碎。2）连接接合面上端应保持一定的残余预紧力，以防托架受力时接合面间产生间隙，即σmin＞0，计算可得：故接合面上端受压最小处不会产生间隙。5.校核螺栓所需的预紧力是否合适对碳素钢螺栓，要求F0≤(0.6～0.7)σsA1

已知取预紧力下限，即：要求的预紧力F0=6520N，小于上值，故满足要求。§5-9螺旋传动一、螺旋传动的类型和应用

螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。螺旋传动常见的运动形式有：螺杆转动，螺母移动；螺母固定，螺杆转动并移动。

螺杆转动，螺母移动（多用在机床进给机构中）螺母固定，螺杆转动并移动（多用于螺旋起重器）差动螺旋传动设螺杆3左、右两段螺纹的旋向相同，且导程分别为Ph1和Ph2。当螺杆转动φ角时，可动螺母2的移动距离为：若Ph1和Ph2相差很小，可用于微动装置。若螺杆3左、右两段螺纹的旋向相反，当螺杆转动φ角时，可动螺母2的移动距离为：差动螺旋变成快速移动螺旋，用于快速夹紧或锁紧装置。螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型:传力螺旋传导螺旋调整螺旋

传力螺旋

它以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工件阻力，如各种起重或加压装置的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次的工作时间较短，工作速度也不高，通常具有自锁能力。

传导螺旋

它以传递运动为主，有时也承受较大的轴向力，如机床进给机构的螺旋等。传导螺旋常需在较长的时间内连续工作，工作速度较高，要求具有较高的传动精度；

调整螺旋

它用以调整、固定零件的相对位置，如机床、仪器及测试装置中的微调机构螺旋。调整螺旋不经常转动，一般在空载下调整。螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为：滑动螺旋

滚动螺旋

静压螺旋滑动螺旋

滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，应用范围较广。但主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般为30%～40%)，磨损快，传动精度低。

滚动螺旋

滚动螺旋传动具有传动效率高、启动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点，故目前在机床、汽车、航空、航天及武器等制造业中应用颇广。缺点是制造工艺比较复杂，特别是长螺杆更难保证热处理及磨削工艺质量，刚性和抗振性能较差。滚动螺旋可分为滚珠螺旋和滚子螺旋两大类图示为总循环式滚珠螺旋，在由螺母和螺杆的近似半圆形螺旋凹槽拼合而成的滚道中装有适量的滚珠，并用螺母上制出的通路及导向辅助件构成闭合回路，以备滚珠连续循环。静压螺旋

为了降低螺旋传动的摩擦，提高传动效率，并增强螺旋传动的刚性和抗振性能，可以将静压原理应用于螺旋传动中，制成静压螺旋。螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。在静压螺旋中，螺杆仍为一具有梯形螺纹的普通螺杆，但在螺母每圈螺纹牙两个侧面的中径处，各开有3~4个油腔，压力油通过节流器进入油腔，产生一定的油腔压力。

当螺杆未受载荷时，螺杆的螺纹牙位于螺母螺纹牙的中间位置，处于平衡状态。此时，螺杆螺纹牙的两侧间隙相等，经螺纹牙两侧流出的油的流量相等。因此，油腔压力也相等。

当螺杆受轴向载荷时，螺杆沿受载方向产生一位移，螺纹牙一侧间隙增大，另一侧间隙减小。由于节流器的调节作用，使间隙减小一侧的油腔压力增高，而另一侧的油腔压力降低。于是两侧油腔便形成压力差，从而使螺杆重新处于平衡状态。

当螺杆承受径向载荷或倾覆力矩时，其工作情况与上述的相同。二、滑动螺旋的结构和材料1．滑动螺旋的结构

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。当螺杆短而粗且垂直布置时，如起重及加压装置的传力螺旋，可以利用螺母本身作为支承（右图所示）。当螺杆细长且水平布置时，如机床的传导螺旋（丝杠）等，应在螺杆两端或中间附加支承，以提高螺杆工作刚度。

整体螺母组合螺母剖分螺母螺母结构:整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的磨损，常采用组合螺母或剖分螺母。滑动螺旋传动常用的螺纹牙型有矩形、梯形、锯齿形和三角形。其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力，矩形螺纹由于工艺性较差，强度较低等原因，应用较少，三角形螺纹在受力不大的调整螺旋等情况有时也采用。螺杆常用右旋螺纹，只在某些特殊的场合，如车床横向进给丝杠，为了符合操作习惯，才采用左旋螺纹。传力螺旋和调整螺旋要求自锁时，应采用单线螺纹。对于传导螺旋，为了提高其传动效率和直线运动的速度，可采用多线（3～4线）螺纹。螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。螺母的材料除了要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨。2．滑动螺旋的材料三、滑动螺旋传动的设计计算设计准则：按抗磨损确定直径，选择螺距；校核螺杆、螺母强度等。

滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。其失效形式主要是螺纹磨损。

滑动螺旋的基本尺寸（即螺杆直径与螺母高度），通常根据耐磨性条件确定。对于受力较大的传力螺旋，还应校核螺杆危险截面以及螺母螺纹牙的强度，防止发生塑性变形成断裂；对于要求自锁的螺杆校核其自锁性，对于精密的传导螺旋应校核螺杆的刚度，以免受力后由于螺距的变化引起传动精度降低；对于长径比很大的螺杆，应校核其稳定性，以防止螺杆受压后失稳等。螺旋传动3设计方法和步骤：1．耐磨性计算滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，其强度条件：设计公式：令则得：一般值越大，螺母越厚，螺纹工作圈数越多。。式中:30º锯齿形螺纹矩形和梯形螺纹螺纹工作高度依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。验算螺纹工作圈数：若不满足要求，则增大螺距。对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件：2．螺杆的强度计算对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力：螺杆的强度条件：式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩

螺旋传动53．螺母螺牙的强度计算每圈螺纹牙上的平均压力为：F/u，作用在中径的圆周上。其危险截面a–a的剪切强度条件和弯曲强度条件分别为：

螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆，只需校核螺母螺纹牙的强度。4．螺杆的稳定性计算对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作压力F要小于临界载荷Fcr传力螺旋传导螺旋精密螺杆或水平安装例、如图的基座，受到一旋转力矩的作用，基座底部用6个普通螺栓与地基联接，螺栓组有图(a)和图(b)两种布置方案。若接合面间的摩擦系数f=0.15，防滑系数，螺栓材料的许用应力。试确定这两种布置方案所需要螺栓的小径。1、掌握螺纹的基本参数，常用螺纹的种类、效率与自锁及其应用。

2、掌握螺纹联接的基本知识。

(1)掌握螺纹的基本类型、结构特点及其应用场合，在设计时能正确地选用它们，并能正确地绘制出各类螺纹联接的结构图。

(2)掌握螺纹联接的类型、结构、特点和应用场合。

(3)理解防松的目的和防松的原理，掌握各种防松装置及其应用。

3、掌握螺栓组联接设计的基本方法

(1)螺栓组联接的结构设计原则。

(2)螺栓组联接的受力分析。

(3)熟练掌握单个螺栓联接的强度计算方法。

4、了解螺旋传动的类型和设计特点。基本要求1、螺纹和螺纹联接的基本知识。

2、螺栓组联接的受力分析。

3、单个螺栓联接的强度计算。重点难点1、一个双线螺纹副，螺距为4mm，则螺杆相对螺母转过一圈时，它们沿轴向相对移动的距离应为4mm。 2、三角形螺纹由于当量摩擦系数大，强度高，所以是常用的连接螺纹。3、采用螺纹连接时，若被连接件总厚度较大，且材料较软，强度较低，但不需要经常装拆，宜采用双头螺柱连接。4、普通螺栓连接的强度计算，主要是计算螺栓的剪切强度。5、对受轴向变载荷的普通螺栓连接适当增加预紧力可以提高螺栓的抗疲劳强度。6、图示螺纹副为右旋，螺杆只转不移，螺母只移不转，当螺杆按图示方向旋转时，螺母向左移动。 判断题7、只要螺纹副具有自锁性，即螺纹升角小于当量摩擦角，则在任何情况下都无需考虑防松。8、受横向载荷的螺栓组连接中的螺栓必须采用有铰制孔的精配合螺栓。9、受轴向载荷的紧螺栓连接的螺栓所受的总拉力是预紧力与工作拉力之和。10、设计外载荷是轴向变载荷的紧螺栓连接，除考虑螺栓的静强度外，还必须根据螺栓的最大应力幅来验算其疲劳强度。11、螺纹副在摩擦系数一定时，增加螺纹的牙型角，则当量摩擦系数减小，自锁性能变坏。12、在受轴向变载荷的紧螺栓连接中，使用柔性螺栓，其主要作用是降低螺栓的应力幅。13、在受轴向变载荷的紧螺栓连接结构中，在两个被连接件之间加入橡胶垫片，可以提高螺栓疲劳强度。14、图示板A用4个铰制孔用螺栓固定在板B上，受力为F，则4个螺栓所受载荷相等。 15、图示板A用4个铰制孔用螺栓固定在板B上，受力为F，则4个螺栓中螺栓3受力最大。

16、双螺母防松结构中，如两螺母厚度不同，应先安装薄螺母。1