第9章 螺纹联结设计

1、制作：陈晓岑 91 螺螺 纹纹 将一倾斜角为将一倾斜角为的直线绕在圆柱体上就形的直线绕在圆柱体上就形 成一条螺旋线。成一条螺旋线。沿着螺旋线做出具有相同剖面沿着螺旋线做出具有相同剖面 的连续凸起和沟槽就是螺纹。在圆柱体表面上的连续凸起和沟槽就是螺纹。在圆柱体表面上 形成的螺纹称形成的螺纹称外螺纹外螺纹，在圆柱型孔壁上形成的，在圆柱型孔壁上形成的 螺纹称螺纹称内螺纹内螺纹。 一、螺纹形成原理及主要参数一、螺纹形成原理及主要参数 1、螺纹的形成螺纹的形成 2、螺纹的主要参数（以圆柱普通外（内）螺纹为例）、螺纹的主要参数（以圆柱普通外（内）螺纹为例） 内内 螺螺 纹纹 外外 螺螺 纹纹 S P d

2、d2 d1 1 ）大径大径d：外、内螺纹的最大直径，为螺纹的公称直径（管螺纹除外）。外、内螺纹的最大直径，为螺纹的公称直径（管螺纹除外）。 2 ）小径小径d1：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱上面的直径。与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱上面的直径。 在强度计算中常用作危险截面的计算直径。在强度计算中常用作危险截面的计算直径。 3 ）中径中径d2：处于大径和小径之间的一个假想圆柱的直径，在该圆柱处于大径和小径之间的一个假想圆柱的直径，在该圆柱 的母线上螺纹牙厚度与牙槽宽度相等。的母线上螺纹牙厚度与牙槽宽度相等。 4 ）螺距螺距P ： 相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。相邻两

3、牙在中径线上对应两点间的轴向距离。5 ）导程）导程S ：螺纹上任一点沿螺旋线绕一周所移过轴向距离。螺纹上任一点沿螺旋线绕一周所移过轴向距离。S= zP。6 ）升角升角 ：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹 角，通常用中径处的升角角，通常用中径处的升角表示。其计算式为：表示。其计算式为： 2 d P tan h 7 ）牙型角牙型角：在螺纹轴线平面内螺纹牙两侧面的夹角在螺纹轴线平面内螺纹牙两侧面的夹角 。螺纹牙型。螺纹牙型 的侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角的侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角 。 对于三角形、梯形螺纹等对称牙型，对于三角

4、形、梯形螺纹等对称牙型， =/2。 二二、螺纹类型螺纹类型 按螺纹牙分按螺纹牙分 的表面分类的表面分类 外螺纹外螺纹在圆柱外表面上形成的螺纹，如螺栓在圆柱外表面上形成的螺纹，如螺栓、 螺钉；螺钉； 内螺纹内螺纹在圆柱空内壁上形成的螺纹，如螺母在圆柱空内壁上形成的螺纹，如螺母； 按螺纹绕行按螺纹绕行 方向分类方向分类 左旋螺纹左旋螺纹自右下方向左上方绕行的螺纹自右下方向左上方绕行的螺纹 右旋螺纹右旋螺纹自左下方向右上方绕行的螺纹自左下方向右上方绕行的螺纹 普通螺纹普通螺纹 牙型角牙型角=60，当量摩擦系数较大，自锁性能当量摩擦系数较大，自锁性能 好，主要用于连接。好，主要用于连接。 矩形螺纹矩形

5、螺纹牙型角牙型角=0，当量摩擦系数小，效率高，用于传动当量摩擦系数小，效率高，用于传动 梯形螺纹梯形螺纹牙型角牙型角=30，牙根强度高，效率较高，易保证加牙根强度高，效率较高，易保证加 工精度，广泛用于传动。工精度，广泛用于传动。 锯齿形螺纹锯齿形螺纹牙型斜角两边不相等，工作面牙型斜角两边不相等，工作面=3,非工作面非工作面= 30，效率较三角形螺纹高，只能用于单向传动。，效率较三角形螺纹高，只能用于单向传动。 按螺按螺 纹牙纹牙 的牙的牙 型分型分 类类 圆柱管螺纹圆柱管螺纹牙型角牙型角=55，用于压力用于压力p1.57MPa1.57MPa的管子的管子连接连接 普通螺纹普通螺纹 圆柱管圆柱管

6、 螺纹螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 矩形螺纹矩形螺纹 二二、常用螺纹类型常用螺纹类型 螺纹的牙型螺纹的牙型 三角形三角形 矩形矩形 梯形梯形 锯齿形锯齿形 主要用于联接主要用于联接 多用于传动多用于传动 联接：效率低、自锁性好。联接：效率低、自锁性好。 传动：效率高、自锁性差。传动：效率高、自锁性差。 螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等 30 3 30 60 三角形三角形 梯形梯形锯齿形锯齿形 矩形矩形 单线，用于联接单线，用于联接双线或多线，常用于传动双线或多线，常用于传动 粗牙：一般情况下使用。粗牙：一般情况下使用。 细牙：细牙：d

7、 d相同，相同，p p小，小， 小，牙浅，自锁性好，但不小，牙浅，自锁性好，但不 耐磨，易滑扣。耐磨，易滑扣。 用于变载荷场合。用于变载荷场合。 联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。 二二、常用螺纹类型常用螺纹类型 按螺纹线按螺纹线 数分类数分类 单线螺纹单线螺纹 Z=1，效率低，自锁性好，易加工，效率低，自锁性好，易加工 三线螺纹三线螺纹Z=3，效率高，自锁性差，难加工，效率高，自锁性差，难加工 双线螺纹双线螺纹Z=2，效率较，效率较Z=1 高高 单线螺纹单线螺纹双线螺纹双线螺纹三线螺纹三线螺纹 二二、常用螺纹类型常用螺纹类型 牙型角牙型角

8、=0=0） 1）拧紧螺母时）拧紧螺母时相当于滑块沿斜面等速上升运动。相当于滑块沿斜面等速上升运动。 Ft FQ Ft Ft FQ Ft FQFf FRn FR v FR + tan Qt FF 2 tan 2 22 t d F d FT Q 拧紧力矩：拧紧力矩： tan tan tan tan 2 2 2 1 2 dF dF T SF W W Q QQ 效率：效率： S d2 2）松脱螺母时）松脱螺母时相当于滑块沿斜面等速下降。相当于滑块沿斜面等速下降。 S d2 Ft FQ FR v FR FQ Ft - )tan(FF Qt FRn Ff 2 tan 2 22 t d F d FT Q 放

9、松力矩放松力矩: 效率：效率： 3）螺旋副的自锁条件）螺旋副的自锁条件 由公式可见，若由公式可见，若，则则0， 说明此时无论轴向载荷说明此时无论轴向载荷FQ有多大，滑块有多大，滑块 (即螺母即螺母)都不能沿斜面运动，这种现象称都不能沿斜面运动，这种现象称 为为自锁自锁(self-locking)。 螺旋副的自锁条件：螺旋副的自锁条件： 牙型角牙型角00） FQ Q FQ Q FRn FRn 22 ： ： 22 t d tanF d FT tanFF VQ VQt 拧紧力矩 水平力 V tan tan 效率：效率： 非矩形非矩形螺旋副的自锁条件：螺旋副的自锁条件： v v 引入当量摩擦系数引入当

10、量摩擦系数fv，当量摩擦当量摩擦 角角v，则同矩形螺纹分析情况同理。则同矩形螺纹分析情况同理。 5-3 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 1、螺栓联接、螺栓联接 一、螺纹联接的基本类型一、螺纹联接的基本类型 特点：特点：被联接件通孔和螺栓间有间隙，故通被联接件通孔和螺栓间有间隙，故通 孔加工精度要求较低，其结构简单、孔加工精度要求较低，其结构简单、 装拆方便，应用广泛。装拆方便，应用广泛。 普通螺栓普通螺栓 d0 1）普通螺栓（即受拉螺栓）联接。）普通螺栓（即受拉螺栓）联接。 联接承受外载荷时，螺栓受拉力作用。联接承受外载荷时，螺栓受拉力作用。 螺栓联接是利用螺栓穿过被联接件的孔，螺栓联接

11、是利用螺栓穿过被联接件的孔， 拧上螺母，将被联接件联成一体。其被联接件拧上螺母，将被联接件联成一体。其被联接件 的孔内不切制螺纹，使用方便。的孔内不切制螺纹，使用方便。常用于被联接常用于被联接 件不太厚，能从件不太厚，能从被联接件被联接件两边进行装配的场合。两边进行装配的场合。 用于要求精确固定被联接件相用于要求精确固定被联接件相 对位置，并能承受横向载荷，但孔对位置，并能承受横向载荷，但孔 的加工精度要求较高。的加工精度要求较高。 2 2）铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接）铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接 特点：特点：被联接件孔和螺栓杆之间被联接件孔和螺栓杆之间 常采用基孔制过渡配合常采用基孔制

12、过渡配合 （H7/m6，H7/n6）。）。 铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接 d a l1 d0 联接借助螺栓杆承受横向外载联接借助螺栓杆承受横向外载 荷，螺栓剪力作用。荷，螺栓剪力作用。 1、螺栓联接、螺栓联接 一、螺纹联接的基本类型一、螺纹联接的基本类型 特点：特点：将螺栓一端旋紧在一被将螺栓一端旋紧在一被 联接件的螺纹孔内，另一端穿过另联接件的螺纹孔内，另一端穿过另 一被联接件一被联接件 的孔，旋上螺母，从而的孔，旋上螺母，从而 将被联接件联成一体。将被联接件联成一体。 2、双头螺柱联接、双头螺柱联接 应用：应用：用于被联接件之一太厚不用于被联接件之一太厚不 便穿孔，且需经常装拆便穿孔，

13、且需经常装拆或结构上受或结构上受 限制不能采用螺栓联接的场合。限制不能采用螺栓联接的场合。 注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制。注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制。 d 2、双头螺柱联接、双头螺柱联接 特点：特点：螺钉联接不用螺母，螺钉联接不用螺母， 而是直接将螺钉拧入被联接件而是直接将螺钉拧入被联接件 之一的螺纹孔内，从而实现联接。之一的螺纹孔内，从而实现联接。 3、螺钉联接、螺钉联接 应用：应用：用于被联接件之一较用于被联接件之一较 厚、不经常装拆联接的场合。厚、不经常装拆联接的场合。 注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制。注意：被联接件上螺纹孔底部正确绘制。 3、螺钉联接、螺钉联接 特点：

14、特点：紧定螺钉联接，紧定螺钉联接， 是利用紧定螺钉旋入一零是利用紧定螺钉旋入一零 件，并以其末端顶紧另一件，并以其末端顶紧另一 零件（或该零件的的凹坑零件（或该零件的的凹坑 内）来固定两零件之间的内）来固定两零件之间的 相互位置。相互位置。 4、紧定螺钉联接、紧定螺钉联接 应用：应用：用于传递不大的力及转用于传递不大的力及转 矩，多用于轴和轴上零件的联接。矩，多用于轴和轴上零件的联接。 紧定螺钉联接紧定螺钉联接 4、 紧紧 定定 螺螺 钉钉 联联 接接 1.1. 螺螺 栓、栓、 螺螺 柱、柱、 螺螺 钉钉 联联 接接 件件 二、螺纹联接件二、螺纹联接件 2. . 紧紧 定定 螺螺 钉、钉、 螺

15、螺 母母 3. . 垫垫 圈圈 3、垫圈、垫圈 平垫圈平垫圈斜垫圈斜垫圈 弹簧垫圈弹簧垫圈圆螺母用带翘圆螺母用带翘 垫圈垫圈 4、地脚螺栓、地脚螺栓 地脚螺栓地脚螺栓 螺钉头部结构型式螺钉头部结构型式 外六角头外六角头 内六角头内六角头 一字槽沉头一字槽沉头 十字槽沉头十字槽沉头 十字槽半圆头十字槽半圆头 一字槽圆柱头一字槽圆柱头 是将机座固定在地基上一种特殊螺栓。是将机座固定在地基上一种特殊螺栓。 5、螺母、螺母 螺纹联接在安装时需要拧紧螺母，从而使螺栓和螺纹联接在安装时需要拧紧螺母，从而使螺栓和 被联接件在承受工作载荷被联接件在承受工作载荷 (externalloads) 前就受到预前就受

16、到预 紧力紧力(preload)F的作用。的作用。 94 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 一、螺纹联接的预紧一、螺纹联接的预紧 预紧目的：增加联接的可靠性、紧密性和防松能力预紧目的：增加联接的可靠性、紧密性和防松能力。 二、螺纹联接的防松二、螺纹联接的防松 防松的根本目的在于防止螺纹副间的相对转动。防松的根本目的在于防止螺纹副间的相对转动。 防松的措施很多，按工作原理可分为如下三类。防松的措施很多，按工作原理可分为如下三类。 预紧力预紧力 这类防松措施是使拧紧的螺纹之间不因外载荷变化这类防松措施是使拧紧的螺纹之间不因外载荷变化 而失去压力，即始终有摩擦阻力防止联接松脱。这种方而失去压

17、力，即始终有摩擦阻力防止联接松脱。这种方 法不十分可靠，故多用于冲击和振动不剧烈场合。常用法不十分可靠，故多用于冲击和振动不剧烈场合。常用 的有如下几种：的有如下几种： 弹簧垫圈弹簧垫圈 1摩擦防松摩擦防松 弹簧垫圈 开口方向：开口方向：斜向右下方斜向右下方 弹性增压弹性增压 尖端抵住尖端抵住 1摩擦防松摩擦防松 双螺母双螺母 1摩擦防松摩擦防松 尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母 1摩擦防松摩擦防松 2、机械防松、机械防松 机械防松的措施是，利用各种止动零件，以阻止拧紧的螺纹零机械防松的措施是，利用各种止动零件，以阻止拧紧的螺纹零 件产生相对转动。这类防松方法相当可靠，应用很广。常用的方法有：件产

18、生相对转动。这类防松方法相当可靠，应用很广。常用的方法有： 槽形螺母和开口销槽形螺母和开口销 带带 翅翅 垫垫 片片 2、机械防松、机械防松 止止 动动 垫垫 片片 2、机械防松、机械防松 冲冲 点点 法法 2、机械防松、机械防松 串串 联联 钢钢 丝丝 2、机械防松、机械防松 焊焊 点点 法法 2、机械防松、机械防松 将粘合剂将粘合剂 涂于螺纹旋合涂于螺纹旋合 表面，拧紧螺表面，拧紧螺 母后，粘合剂母后，粘合剂 能自行固化，能自行固化， 防松效果好。防松效果好。 3、粘合防松、粘合防松 螺栓与螺母底面的支承面应平整螺栓与螺母底面的支承面应平整，并与螺栓轴线相垂直，并与螺栓轴线相垂直，为减为减

19、 小和避免弯曲应力，被联接件小和避免弯曲应力，被联接件支承面支承面可经机械加工后制成的凸台或可经机械加工后制成的凸台或 沉头座或斜面垫圈。沉头座或斜面垫圈。 注意：注意： 凸台凸台 沉头座沉头座斜面垫圈斜面垫圈 1）支承面应平整）支承面应平整 2）扳手空间）扳手空间 螺栓排列应有合理的钉距、边距，注意留必要的板螺栓排列应有合理的钉距、边距，注意留必要的板 手空间。板手空间的具体尺寸可查有关手册。手空间。板手空间的具体尺寸可查有关手册。 L 要有合理的边距要有合理的边距 要有合理的间距要有合理的间距 一、螺栓联接强度计算的目的一、螺栓联接强度计算的目的 二、螺栓联接的失效形式及计算准则二、螺栓联

20、接的失效形式及计算准则 2 、受剪螺栓（、受剪螺栓（受横向载荷的铰制孔螺栓）受横向载荷的铰制孔螺栓） 1 、受拉螺栓（、受拉螺栓（受轴向载荷或横向载荷受轴向载荷或横向载荷的普通螺栓）的普通螺栓） 5-4 螺栓联接的强度计算螺栓联接的强度计算 确定螺栓的公称直径确定螺栓的公称直径d。 主要主要破坏形式破坏形式为为螺栓杆和螺纹部分可能发生塑性螺栓杆和螺纹部分可能发生塑性 变形或断裂；变形或断裂；计算准则计算准则是：保证螺栓的静力（或疲是：保证螺栓的静力（或疲 劳）拉伸强度。劳）拉伸强度。 主要主要破坏形式破坏形式为螺栓杆与孔壁间压溃或螺栓杆被剪为螺栓杆与孔壁间压溃或螺栓杆被剪 断，断，计算准则计算

21、准则是：保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强是：保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强 度。其联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性的作用。度。其联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性的作用。 受剪变形受剪变形 三、螺栓联接的强度计算三、螺栓联接的强度计算 按装配情况按装配情况 可分为两类可分为两类 松松螺栓联接螺栓联接装配时不需拧紧螺母如吊环螺栓联接。装配时不需拧紧螺母如吊环螺栓联接。 紧螺栓联接紧螺栓联接装配时必须将螺母拧紧，应用广泛。装配时必须将螺母拧紧，应用广泛。 如气缸盖螺栓联接等。如气缸盖螺栓联接等。 吊环螺栓联接（松）吊环螺栓联接（松） FFQ QFQ Q 气缸盖螺栓联接（紧）气缸盖螺栓联接（

22、紧） 螺栓危险剖面的抗拉强度条件为：螺栓危险剖面的抗拉强度条件为： 1 1、松螺栓联接、松螺栓联接 螺栓受力螺栓受力 工作载荷前，螺栓并不受力；工作载荷前，螺栓并不受力； 工作时受拉力工作时受拉力FQ Q（由外加载荷产生）。（由外加载荷产生）。 2 1 2 1 4 4d F d F A F QQQ MPa 校核计校核计 算式：算式： 设计计设计计 算式：算式： Q ca F d 4 1 mm 松螺栓联接的许用应力，松螺栓联接的许用应力，MPa；对钢制螺栓；对钢制螺栓 。 式中：式中： d d1 1 螺栓危险剖面直径，即螺纹小径，螺栓危险剖面直径，即螺纹小径，mm； = s s为螺栓材料的屈服极

23、限为螺栓材料的屈服极限 吊环螺栓联接吊环螺栓联接 2 2、紧螺栓联接、紧螺栓联接 在装配时必须将螺母拧紧，加外载荷之前，螺栓已经受有预紧在装配时必须将螺母拧紧，加外载荷之前，螺栓已经受有预紧 力力FQ0 Q0， ，螺栓的实际受力情况，取决于紧螺栓联接所受外载荷的种类。螺栓的实际受力情况，取决于紧螺栓联接所受外载荷的种类。 1）受横向外载荷（力作用线与螺栓轴线垂直）的）受横向外载荷（力作用线与螺栓轴线垂直）的螺栓联接螺栓联接 可采用两种不同的螺栓联可采用两种不同的螺栓联 接承接承受横向外载荷即：受横向外载荷即： 普通螺栓（即受拉螺栓）联接普通螺栓（即受拉螺栓）联接 铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接

24、铰制孔用螺栓（即受剪螺栓）联接 铰铰 制制 孔孔 用用 螺螺 栓栓 联联 接接 d d0F F 普通螺栓联接普通螺栓联接 F F （1）采用普通螺栓联接承受横向外载荷）采用普通螺栓联接承受横向外载荷F 被连接件间不发生相对滑移的条件：被连接件间不发生相对滑移的条件：其接合面之间的摩擦力必其接合面之间的摩擦力必 须大于横向载荷，即：须大于横向载荷，即： 结构特点：结构特点：螺栓杆与孔间有间隙螺栓杆与孔间有间隙 承载原理：承载原理：靠被连接件接合面间的靠被连接件接合面间的 摩擦力来承摩擦力来承横向外载荷横向外载荷 普通螺栓联接普通螺栓联接 F F T T FQ0 Q0 FQ0 Q0 螺栓受力：螺栓受力：螺栓所受拉力不变，均螺栓所受拉力不变，均 等于等于预紧力预紧力FQ0 Q0 FQ0 Q0 FQ0 Q0 预紧力预紧力FQ0 Q0大小： 大小：根据防止被连接件根据防止被连接件 间发生相对滑移所需要的接合面之间发生相对滑移所需要的接合面之 间的摩擦力间的摩擦力Ff来决定。来决定。 SFfnF 0Q nf SF FQ 0 nf SF FQ 0 预紧力预紧力FQ0 Q0计算式： 计算式： S 防滑系数，常