第七章 螺纹联接

1、第七章第七章 螺纹连接与螺旋传动螺纹连接与螺旋传动 u内容内容 7-1 螺纹连接的基本知识螺纹连接的基本知识 7-2 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松（重点）（重点） 7-3 单个螺纹连接的强度计算单个螺纹连接的强度计算（重点）（重点） 7-4 螺栓组的结构设计螺栓组的结构设计 7-5 螺纹连接件的材料和许用应力螺纹连接件的材料和许用应力 7-6 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 7-7 螺旋传动简介螺旋传动简介 v连接的类型：连接的类型： 螺纹连接螺纹连接 键连接、花键连接、销连接键连接、花键连接、销连接 弹性环连接等弹性环连接等 焊接焊接 铆接铆接 粘接粘接 连接连接

2、可拆连接可拆连接 不可拆连接不可拆连接 本章介绍的内容 任何机械均由若干零件按一定方式相互联接而成。如任何机械均由若干零件按一定方式相互联接而成。如 果相连接的零件其相对位置在工作时按一定的规律进行变果相连接的零件其相对位置在工作时按一定的规律进行变 化，此种联接称化，此种联接称动联接动联接。如果相联接的零件在工作时其相。如果相联接的零件在工作时其相 对位置固定不变，此种联接称对位置固定不变，此种联接称静联接静联接。根据是否可拆卸，。根据是否可拆卸， 联接还可分为联接还可分为可拆联接和不可拆联接。可拆联接和不可拆联接。现将联接分类如下：现将联接分类如下： 71 螺螺 纹连接的基本知识纹连接的基

3、本知识 一、螺纹的形成 1、螺纹的形成 将一直角三角形abc绕在直径为d2的圆柱表面上，使三角形底边ab与圆柱体的底 边重合，则三角形的斜边amc在圆柱体表面形成一条螺旋线螺旋线am1c1。三角形abc的 斜边与底边的夹角，称为螺纹升角升角。若取一平面图形，使其平面始终通过圆 柱体的轴线并沿着螺旋线运动，则这平面图形在空间形成一个螺旋形体，称为 螺纹螺纹。 2 2、螺纹的类型、螺纹的类型 (1)(1)按螺纹在轴向剖面内的形状，分为矩形螺纹、三角形螺纹、梯形螺纹及锯齿按螺纹在轴向剖面内的形状，分为矩形螺纹、三角形螺纹、梯形螺纹及锯齿 形螺纹。形螺纹。 (2)(2)按螺纹旋线绕行的方向，分为右旋螺

4、纹和左旋螺纹。只有在特殊需要时，才按螺纹旋线绕行的方向，分为右旋螺纹和左旋螺纹。只有在特殊需要时，才 采用左螺纹。比如煤汔罐等危险设备中使用的螺纹。采用左螺纹。比如煤汔罐等危险设备中使用的螺纹。 (3)按螺纹的线数的线数，分为单线螺纹和多线螺纹。 沿一条螺旋线所形成的螺纹为单线螺纹单线螺纹。单线螺纹多用于联接。 沿两条或两条以上在轴向等距分布的螺旋线所形成的螺纹为多线螺纹多线螺纹。 多线螺纹多用于传动。 多线螺纹由于加工制造的原因，线数一般不超过4 4条。 1）外径（大径）d（D）与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱 面直径，亦称公称直径 2）内径（小径）d1(D1) 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱 面

5、直径（危险剖面直径） 3）中径d2 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱 面的直径，d20.5(d+d1) 二、螺纹的主要参数 4）螺 距 P 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间 的轴向距离 5）导程（S）同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面母线 上的对应两点间的轴向距离 6）线 数 n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4 螺距、导程、线数之间关系：S =nP 7）螺旋升角中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋 线轴线的平面的夹角 8）牙型角 螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角 9）牙型斜角螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角 2 2 /S d nP arctgdarctg 按牙型: 三角形

6、螺纹、管螺纹 联接螺纹 矩形、梯形、锯齿形螺纹传动螺纹 三.几种常用螺纹的特点和应用 72 螺旋副的受力分析，效率和自锁 一、一、矩形螺纹矩形螺纹（牙型角=00） 受力分析受力分析 螺纹副中，螺母所受到的轴向载荷Q是沿螺纹各圈分布的，为便于分析，用集中载 荷Q代替，并设Q作用于中径d2圆周的一点上。这样，当螺母相对于螺杆等速旋转时， 可看作为一滑块(螺母)沿着以螺纹中径d2展开，斜度为螺纹升角的斜面上等速滑动 匀速拧紧螺母时，相当于以水平力推力F推动滑块沿斜面等速向上滑动（图教材9- 8a）。设法向反力为N，则摩擦力为fN，f为摩擦系数， 为摩擦角， = arctan f。 由于滑块沿斜面上升

7、时，摩擦力向下，故总反力R与Q的的夹角为+ 。由力的平衡 条件可知，R、F和Q三力组成力封闭三角形，由图可得： 使滑块等速运动所需要的水平力 等速上升： Ft=FQtan(+) 等速上升所需力矩： T= Ftd2/2= FQtan(+)d2/2 等速下降： Ft=FQtan() 等速下降所需力矩： T= Ftd2/2=FQtan()d2/2 2.2.螺纹的自锁螺纹的自锁 螺母等速松退时的受力分析：观察教材图910，此时相当于滑块沿斜面等速 下滑，由力的封闭三角形，得： 若，则Ft0，这时必须加一反向作用力 Ft才会使滑块下滑，若不加外力，则不论FQ有多大，滑块也不会下滑，这种现象 叫自锁。自锁

8、条件： 3.3.螺旋副的效率螺旋副的效率 螺旋副效率为有效功W2与输入功W1之比。螺母在力矩T作用下转动一周时，输 入功W1=2T，此时升举重物所作的有效功W2=QS；故螺旋副的效率为： tan tan 2 2 tan tan 2 2 2 1 2 d F dF T SF W W Q QQ 二、非矩形螺纹 螺纹的牙型角0时的螺纹为非矩形螺纹，如教材图911所示。非矩形螺纹 的螺杆和螺母相对转动时，可看成楔形滑块沿楔形斜面移动； 平面时法向反力FN=FQ; 平面时摩擦力Ff =fFN =fFQ; 楔形面时法向反力FN=FQ/cos；楔形面摩擦力Ff =fFN =fFQ/ cos; 令f =f/ c

9、os称当量摩擦系数。Ff =fQ；与当量摩擦系数对应的摩擦角称 为当量摩擦角，用V 表示。拧紧螺母时所需的水平推力及转矩：由于矩形螺 纹与非矩形螺纹的运动关系相同，将V代替后可得： 使滑块等速运动所需要的水平力 等速上升： Ft=FQtan(+V) 等速上升所需力矩： T= Ftd2/2= FQtan(+ V)d2/2 等速下降： Ft=FQtan(-V) 等速下降所需力矩： T= Ftd2/2= FQtan(-V)d2/2 自锁条件： V 效率为： 由于三角形螺纹的=/2=300；梯形螺纹=/2=150；锯齿形螺纹=30； 矩形螺纹=00，所以各种螺纹的当量摩擦系数之间有如下关系： fv三角

10、fv梯形fv锯齿fv矩形 可见，三角形螺纹的fv大，自锁性能好，且牙根强度高，故常用于联结。梯形、 锯齿形及矩形螺纹，多用于传动。 V tan tan 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 滑块沿斜面匀速上升（旋紧）滑块沿斜面匀速上升（旋紧）滑块沿斜面匀速下滑（松开）滑块沿斜面匀速下滑（松开） 水平推力水平推力 驱动力矩驱动力矩 效率效率 自锁条件自锁条件 ) (tgFF a ) ( 2 2 tg d FT a ) ( tg tg ) (tgFF a ) ( 2 2 tg d FT a 除上述基本类型以外，还有其它特殊连接：除上述基本类型以外，还有其它特殊连接： 如地脚螺栓

11、、吊环螺钉等。如地脚螺栓、吊环螺钉等。 螺纹连接的基本类型螺纹连接的基本类型 螺栓连接螺栓连接 双头螺栓连接双头螺栓连接 螺钉连接螺钉连接 紧定螺钉连接紧定螺钉连接 普通螺栓连接普通螺栓连接 铰制孔螺栓连接铰制孔螺栓连接 73 螺纹联结的基本类型及其预紧和防松 一、螺纹联接主要类型 1、螺栓联接 a) 普通螺栓联接被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不 带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使 用。装配后孔与杆间有间隙，并在工 作中不许消失，结构简单，装拆方便 ，可多个装拆，应用较广。 b) 铰制孔用螺栓联接装配后无间隙，主要承 受横向载荷，也可作定位用，采用 基孔制配合铰制孔螺栓联接 d l1 d0 a

12、 (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) d l1 d0 a (a)(b) 2、双头螺栓联接螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时 一端旋入被联接件，另一端配以螺母。 适于常拆卸而被联接件之一较厚时。折 装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被 联接件中拧出。 3、螺钉联接适于被联接件之一较 厚（上带螺纹孔），不需 经常装拆，一端有螺钉头， 不需螺母，适于受载较小 情况 (b)(a) d H l2 d l3H l2 l1 (b)

13、(a) d H l2 d l3H l2 l1 (b)(a) d H l2 d l3H l2 l1 (b)(a) d H l2 d l3H l2 l1 特殊联接：地脚螺栓联接 , 吊环螺钉联接 4、紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或 旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对 位置。可传递不大的轴向力或扭矩。 (a)(b) (a)(b) (a)(b) (a)(b) 其他连接其他连接 地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、 T T形槽螺栓连接形槽螺栓连接 n 螺纹紧固件螺纹紧固件 螺纹紧固件的种类繁多，有适应面广、螺纹紧固件的种类繁多，有适应面广、 用量大的用量大的通用螺

14、纹紧固件通用螺纹紧固件，还有适应某，还有适应某 种需要、具有特殊结构的种需要、具有特殊结构的专用螺纹紧固专用螺纹紧固 件件。 通用螺纹紧固件已标准化通用螺纹紧固件已标准化。常用的有螺。常用的有螺 栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母 和垫圈等，这类零件的结构型式和尺寸和垫圈等，这类零件的结构型式和尺寸 都已标准化，设计时可根据有关标准选都已标准化，设计时可根据有关标准选 用。用。 动画动画 2）双头螺柱两端带螺纹 A型有退刀槽 B型无退刀槽 1）螺栓 普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角 头，大六角头, 内六角 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小螺母 r da ds k

15、ls kl lg d 1530 辗制末端 e s r da ds kls kl lg d 1530 辗制末端 e s bml b XX ds d 倒角端 倒角端 辗制末端 辗制末端 ds d bml b XX A型 B型 bml b XX ds d 倒角端 倒角端 辗制末端 辗制末端 ds d bml b XX A型 B型 4）紧定螺钉 锥 端适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 平 端接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大 的平面，适于经常拆卸 圆柱端压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置 轻材料和金属薄板 3）螺钉 与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹 n bX dk t l d

16、 R n bX dk t l d R l t n d 90 R l t n d 90 R 6）螺母 六角螺母：标准，扁，厚 5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹 e ms d 3015 e ms d 3015 e ms d 3015 e ms d 3015 圆螺母+止退垫圈带有缺口， 应用时带翅垫圈内舌嵌入轴 槽中，外舌嵌入圆螺母的槽 内，螺母即被锁紧 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈

17、 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 7）垫圈 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 DC1 120 b t H D1 d C45 30 b 30 30 30 30 15 d0 D1 h d1 d2 平垫圈斜垫圈 螺纹联接件精度： A:精度最高，用于要求配合精度高，防止振动的重要联接 B:

18、用于受载较大且经常装拆调整或承受变载荷的联接 C:一般联接，最常用。 三、 螺纹联接的预紧和防松 1、预紧 （1）预紧的目的 预紧目的增加联接的可靠性与紧密性，防止受载后被联接件 间出现缝隙与相对滑移。保持正常工作。 预紧力F0预先轴向作用力（拉力） 螺纹联接：松联接在装配时不拧紧，只存受外载时才受到 力的作用 紧联接在装配时需拧紧，即在承载时，螺栓已 预先受力，预紧力F0 预紧过紧拧紧力F0过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松拧紧力F0过小，工作不可靠 预紧力限制 扳手拧紧力矩：T=T+Tf T拧紧力矩 T1螺纹摩擦阻力矩 Tf螺母端环形面与被联接件间的摩擦力矩 对于M10-68粗牙普通

19、螺纹： T0.2F0*d 详细推导 0 0.2N mmTF d 对于对于M10M68的粗牙螺纹的粗牙螺纹 （2）预紧）预紧F0值的确定：值的确定：是由螺纹连接的要求来决定的。是由螺纹连接的要求来决定的。 u 为了充分发挥紧固件的工作能力，保证预紧的可靠，为了充分发挥紧固件的工作能力，保证预紧的可靠， 拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极 限限S的的5070%，但不得超过，但不得超过S的的80。对于一般。对于一般 连接用钢螺栓，预紧力可参考下式确定：连接用钢螺栓，预紧力可参考下式确定： 10 10 ) 6 . 05 . 0 ( ) 7 .

20、06 . 0 ( AF AF s s 合合金金钢钢螺螺栓栓 碳碳素素钢钢螺螺栓栓 螺纹大径螺纹大径 螺纹危险螺纹危险 截面面积截面面积 （3）预紧力FQ的控制： 测力矩板手测出预紧力矩，如左图 定力矩板手达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受 压将自动打滑，如右图 测量预紧前后螺栓伸长量精度较高 12 图4-12 测力矩扳手 1234 12 图4-12 测力矩扳手 1234 12 图4-12 测力矩扳手 1234 12 图4-12 测力矩扳手 1234 重要联结若不能严格控制预紧力，而只靠安装经验来拧紧螺栓时，为避免 螺栓拉断，通常不宜采用小于M12的螺栓，一般采用M12-M24的螺栓 (1)、防松目

21、的 实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成 摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零， 从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失 效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故 (2)、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运 动的难度。 (3)、防松办法及措施 上螺母 螺 栓 下螺母 上螺母 螺 栓 下螺母1）摩擦防松 双螺母、弹簧垫圈、尼 龙垫圈、自锁螺母等 2、螺纹防松 弹簧垫圈 自锁螺母螺母一端做成非圆形 收口或开峰后径面收口，螺母拧紧 后收口涨开，利用收口的弹力使旋 合螺纹间压紧 2）机械防松： 开槽螺母与开口销，圆螺母

22、与止动垫圈，弹簧垫片，轴用 带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等 3）永久防松：端铆、冲点、点焊 4）化学防松粘合 (a )正 确 (b )不 正 确 (a )正 确 (b )不 正 确 开槽螺母 与开口销 圆螺母 与止动垫圈 串联钢丝 (a )正 确 (b )不 正 确 受拉螺栓的失效形式：受拉螺栓的失效形式：螺栓杆的塑性螺栓杆的塑性 变形或断裂。变形或断裂。 其破坏部位及其出现其破坏部位及其出现 的百分比见右图。的百分比见右图。 因经常拆卸使螺纹牙间相互磨损而发因经常拆卸使螺纹牙间相互磨损而发 生滑扣。生滑扣。 受剪螺栓的失效形式：受剪螺栓的失效形式：螺栓杆和孔螺栓杆和孔 壁间压溃或螺栓杆被剪断

23、。壁间压溃或螺栓杆被剪断。 普通螺栓连接普通螺栓连接 （受拉螺栓）（受拉螺栓） 铰制孔螺栓连接铰制孔螺栓连接 （受剪螺栓）（受剪螺栓） 轴向拉力轴向拉力 剪切力剪切力 u螺栓连接螺栓连接 松螺栓连接松螺栓连接 紧螺栓连接紧螺栓连接 65% 20%15% n螺栓的受力螺栓的受力 n螺栓的失效形式螺栓的失效形式 74 螺栓联结的强度计算 n螺栓连接的设计方法螺栓连接的设计方法 u 根据约束根据约束强度条件强度条件确定螺栓确定螺栓(或螺钉、双头螺柱或螺钉、双头螺柱)的的 大径。大径。 根据螺栓连接的受力情况，通过分析，确定其所属类根据螺栓连接的受力情况，通过分析，确定其所属类 型，然后计算出受力最大

24、螺栓的拉力或剪力，即可按型，然后计算出受力最大螺栓的拉力或剪力，即可按 强度条件计算出螺栓的小径强度条件计算出螺栓的小径d1(或螺栓杆直径或螺栓杆直径d0)。由。由 所计算出的所计算出的d1或或d0，根据标准即可查出相应的螺栓大，根据标准即可查出相应的螺栓大 径径d。 u 由螺栓大径由螺栓大径d ，根据标准，查出全部螺纹连接件的，根据标准，查出全部螺纹连接件的 尺寸和相应的代号。尺寸和相应的代号。 u 完成设计。完成设计。 ( (一一) )松螺栓联接松螺栓联接( (受拉螺栓受拉螺栓) )： 1、特点：在承受工作载荷前，螺栓不受力，在工作时则只承受轴向工作载 荷F作用。此联接可能发生的失效形式为

25、螺栓杆的抗断。 2、强度条件强度条件： F-轴向工作载荷（N）； d1-螺栓小径（mm）； -松螺栓联接时的许用许用拉应力（Mpa）， 求出d1后，应按螺纹标准选取螺纹公称直径d 4 2 1 d F 4 1 F d Fa Fa n(二）紧螺栓连二）紧螺栓连 接接 4 2 1 d Fa 2 12 32 111 tg() 2 2 tg() 164 a a t Fd FTd ddWd 工件工件 受压受压(Fa) 当当拧紧拧紧时时 螺栓螺栓受拉受拉(Fa) 拉力拉力Fa 扭矩扭矩T1 复合应力复合应力 拉应力拉应力 e当量应力当量应力 扭剪应力扭剪应力 第四强度理论第四强度理论 22 3 e 对于对于

26、M10M68的普通螺纹，取的普通螺纹，取d1、d2和和的平的平 均值，并取均值，并取tg=f=0.15，得，得0.5。则当量应。则当量应 力力e为为 故螺栓螺纹部分的强度条件为故螺栓螺纹部分的强度条件为 3 . 15 . 033 2222 ）（ e )1210( 4 3 . 1 2 1 d Fa e 考虑扭剪应力考虑扭剪应力 设计公式：设计公式： a F d 3 . 14 1 1.1.受横向外载荷的紧螺栓联接受横向外载荷的紧螺栓联接 （1 1） 采用普通螺栓采用普通螺栓 如工作时联接受到与螺栓轴线相垂直的外载荷FR的作用。被联接件在预紧力 的作用下相互压紧，依靠结合面产生的摩擦力来抗衡外载荷，

27、从而避免产生相对 移动。显然，无论工作前还是工作后，螺栓本身仅受装配时由于拧紧螺母而产生 的预紧力和螺纹副阻力矩的作用。预紧力使螺栓危险截面上产生拉应力: F0f*z*mKFR F0KFR/ f*z*m z 联接螺栓的数目； m 结合面数目； f 结合面间摩擦系数，钢或铸铁的干燥加工表面，可取f =0.10.15； K 可靠性系数，亦称防滑系数，通常取K =1.11.3。 由此可得，单个螺栓所需的预紧应力为：=4F0/d12 若计入扭转切应力的 影响 0 1 2 1 0 3.14 4 3.1 F d d F e 强度条件为: 设计公式为： 式中：许用拉应力 N/mm2 (MPa) 从上式可以计

28、算，当摩擦系数从上式可以计算，当摩擦系数f =0.15、可、可 靠性系数靠性系数C=1.2、 结合面数目结合面数目m =1时，时， F08F。即预紧力应为横向工作载荷的。即预紧力应为横向工作载荷的8倍，倍， 所以螺栓连接靠摩擦力来承担横向载荷时，所以螺栓连接靠摩擦力来承担横向载荷时， 其尺寸是较大的。其尺寸是较大的。 为了避免上述缺点，可用键、套筒或销承为了避免上述缺点，可用键、套筒或销承 担横向工作载荷，而螺栓仅起连接作用，担横向工作载荷，而螺栓仅起连接作用， 如下图。如下图。 （重点）（重点） 2 4 s h dm F p s h p Ld F min （2）采用铰制孔用螺栓(受剪螺栓)

29、铰制孔用螺栓联接一般不需拧紧，由预紧力产生的拉应力对联接强度的 影响 可以不计。螺栓杆受横向工作载荷FR时，强度条件为： ds-螺栓杆剪切面直径（mm）； Z-联接螺栓数；m-接合面数； -螺栓的许用剪切应力（MPa）；查教材表96。 p-螺栓杆或孔壁中的低强度材料的许用挤压用力（MPa）；（查表教材 96） -螺栓杆与孔壁间的最小高度。 若为设计，可按剪切强度条件设计，再校核挤压强度条件。 Z F F R h min L 4 m F d h s 如下图所示的气缸盖上的连接即属此种类型。设缸内如下图所示的气缸盖上的连接即属此种类型。设缸内 流体压强为流体压强为p，螺栓数为，螺栓数为z，则缸体周

30、围每个螺栓平均，则缸体周围每个螺栓平均 承受的轴向工作载荷为承受的轴向工作载荷为 虽然，这种螺栓是在受预紧虽然，这种螺栓是在受预紧 力力F0 的基础上，又受工作拉的基础上，又受工作拉 力力FE 。但是，螺栓的总拉力。但是，螺栓的总拉力 FaF0FE 。为什么？。为什么？ z pD FE 4 2 D 0 FE FE 2.受轴向工作载荷的螺栓强度受轴向工作载荷的螺栓强度 u下面分析受下面分析受预紧力预紧力F0 和和工作工作 拉力拉力FE 。作用时，螺栓的。作用时，螺栓的 受力与变形关系。受力与变形关系。 注意：螺栓实际承受的总拉力F并不等于预紧力F0和 轴向工作载荷F之和。 受轴向外载荷的紧螺栓联

31、接受轴向外载荷的紧螺栓联接 F=F+ F0 F0 ：剩余预紧力，表9-3 强度计算为： . 设计公式为： F d d F 3 . 14 4 3 . 1 1 2 1 根据受工作载荷F的伸长量与被联接件回弹变形量相等的关系，可导出预紧力 F0与剩余预紧力F0的关系为：F0= F0+(1-Kc)F（控制预紧力）; 式中：Kc=C1/(C1+C2)，Kc称相对刚度系数见教材表94； C1为螺栓刚度；C2为被联接件刚度。 F=F+ F0=F0+ C1F/(C1+C2)。 F 的变化范围：F0F。 减小C1（减小螺栓光杆部分直径，采用空心螺栓）或增大C2（使用金属垫片或 不使用垫片）可减小F ，从而提高螺

32、栓强度。 残余预紧力一般根据经验数据确定：对于一般连接，若工作载荷稳定，取对于一般连接，若工作载荷稳定，取F0=F0=（0.2-0.2- 0.60.6）F F，若工作载荷不稳定，取，若工作载荷不稳定，取F0=F0=（0.6-1.00.6-1.0）F F，对于气缸、压力容器等有紧密型要，对于气缸、压力容器等有紧密型要 求的螺栓连接，取取求的螺栓连接，取取F0=F0=（1.5-1.81.5-1.8）F F。 v设计步骤设计步骤: : (1)求单个连接的工作载荷求单个连接的工作载荷FE (2)按工作要求定残余预紧力按工作要求定残余预紧力FR 4 3 . 1 2 1 d Fa e (3)求求Fa： ：

33、 Fa = FR FE (4) 根据螺栓强度计算根据螺栓强度计算d1，查表确定，查表确定d FE地脚螺栓连接地脚螺栓连接 1.51.8 FE有紧密性要求有紧密性要求 0.61.0 FE0.20.6 FE 工作载荷变化工作载荷变化工作载荷稳定工作载荷稳定 一般连接一般连接 a F d 3 . 14 1 结构设计结构设计 四、 螺栓联接的结构设计 1、 螺栓位置 2、 螺栓组的布置 （1）、布局要尽量对称分布，栓组中心与联接结合面形心 重合（有利于分度、划线、钻孔），以受力均匀 （2）、承受弯矩或扭矩，应尽量将螺栓布置在靠近接合面 的边缘，以充分利用各螺栓的承载能力 （3）、为了便于在圆周上钻孔时

34、的分度和画线，通常分布 在同一圆周上的螺栓数目取成2，3，4、6、8等数。 75 螺栓联接件的材料和许用应力 一、螺纹联接件的常用材料 普通垫圈的材料推荐采用Q235，15，35；弹簧垫圈用65 Mn钢制造，并经热处理 和表面处理。 制造螺栓的材料应具有足够的强度，一定的塑性和韧性，而且便于加工。制造一 般螺栓常用的材料为Q215，Q235，10，35和45等钢。 对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹联接件，可采用低合金钢、合金钢，如15Cr， 40Cr，30CrMnsi等材料制造。 对于特殊用途的螺纹联接件，可采用特种钢、铜合金、铝合金等材料制造。 选择螺母的材料时，考虑到更换螺母比更换螺栓较经

35、济、方便，所以应使螺母材 料的强度低于螺栓材料的强度。 国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级 分为10级，螺母的性能等级分为 7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联接件，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。 二、螺纹联接的许用应力和安全系数二、螺纹联接的许用应力和安全系数 不控制预紧力的紧螺栓联接中，安全系数S的选择与螺栓直径d有关，d越小，S越大，许用 应力也就越低。这是因为，如果不控制预紧力，螺栓直径越小，拧紧时螺杆因过载而损 坏的可能性就越大。在设计时，因d未知，而S的选择与d有关，因此要

36、用试算法，即根据 经验，先假定一个螺栓直径，再根据这个直径查取S，然后根据强度计算公式计算出d1值， 若d1的计算值与所假定的直径相对应，则可将假定值作为设计结果，否则必须重算。 表表10-710-7 表表10-610-6 表表10-710-7 76 提高螺纹联接强度的措施 一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅 理论和实践证明，变载荷工作时，在工作载荷和残余预紧力不变的 情况下，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度都能达到提高螺栓疲劳 强度的目的，但应适当增大预紧力，以保证联接的密封性。 减小螺栓刚度的常用措施有：适当增加螺栓的长度、减小螺栓杆直 径或做成中空的结构柔性螺栓。柔性螺栓受力时变形大，吸收

37、能量作用强，也适于承受冲击和振动。在螺母下面安装弹性元件， 当工作载荷由被联接件传来时，由于弹性元件的较大变形，也能起 到柔性螺栓的效果。 为了增大被联接件的刚度，不宜采用刚度小的垫片。教材图9-38b 所示的紧密联接就以用密封环为佳 a.柔性螺栓柔性螺栓b.弹性元件弹性元件 u由此可见，受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅由此可见，受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅 度内变动度内变动，减小螺栓刚度减小螺栓刚度或或增大被连接件刚度增大被连接件刚度等皆可以等皆可以 使螺栓的应力变化幅度减小。使螺栓的应力变化幅度减小。 1.1.减小螺栓刚度的方法减小螺栓刚度的方法 2.增大被连接件刚度的方法

38、增大被连接件刚度的方法 a.金属垫片金属垫片b.密封环密封环 二、改善螺纹牙间的载荷分配二、改善螺纹牙间的载荷分配 轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的，旋合圈轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的，旋合圈 数越多，载荷分布不均的程度也越显著。所以，数越多，载荷分布不均的程度也越显著。所以，采用圈采用圈 数多的厚螺母，并不能提高连接强度数多的厚螺母，并不能提高连接强度。（。（动画动画） u导致旋合螺纹牙各圈受力不均的原因是螺杆受拉变长而螺导致旋合螺纹牙各圈受力不均的原因是螺杆受拉变长而螺 母受压变短。母受压变短。 改善螺纹牙载荷分布的措施是采用均载螺母。改善螺纹牙载荷分布的措施是采用均载螺母。 分析 三.减小应力集中和附加应力 d r d r 0.51.0 d r2 h r1 r= 0.2dr0.2d r10.15d ; r21.0d ; h0.5d ; 1）加大过渡处圆角(图1) 2）改用退刀槽 3）卸载槽，(图2) 4）卸载过渡结构。（图3） 避免附加弯曲应力 a）被联接件支承面不平突起 b）表面与孔不垂直 c）钩头螺栓联接 防偏载措施：a）凸合；b）凹坑（鱼眼坑）；c）斜垫片 说明 四、采用合理的制造工艺四、采用合理的制造工艺 制造工艺对螺栓疲劳强度有很大影响。采用碾制螺纹时，由于冷 作硬化的作用，表层有残余压应力，金属流线