机械设计13螺纹

1、第第1313章章 螺纹连接与螺旋传动螺纹连接与螺旋传动 13.1 13.1 螺纹的形成原理和类型及其主要参数螺纹的形成原理和类型及其主要参数 13.2 13.2 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 13.4 13.4 螺旋传动螺旋传动* * 13.3 13.3 螺纹连接螺纹连接 13.1 螺纹的形成原理和类型及其主要参数螺纹的形成原理和类型及其主要参数 d2 螺旋线螺旋线-将一与水平面倾斜角为将一与水平面倾斜角为 的直线绕在圆柱体的直线绕在圆柱体 上，即可形成一条螺旋线。上，即可形成一条螺旋线。 螺纹螺纹-一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图一平面图形沿螺旋线运动，运动

2、时保持该图 形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。 螺纹螺纹 螺纹的牙型螺纹的牙型 矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 15 30 3 30 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的的 分分 类类 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 矩形螺纹矩形螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 螺纹的牙型螺纹的牙型 矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 15 30 3 30 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的的 分分 类类

3、按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 矩形螺纹矩形螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹右旋螺纹 左旋螺纹左旋螺纹 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的的 分分 类类 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分按螺旋的作用分 按母体形状分按母体形状分 矩形螺纹矩形螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹右旋螺纹 左旋螺纹左旋螺纹 单线螺纹单线螺纹 多线螺纹多线螺纹 一般一般: n 4 双线螺纹双线螺纹单

4、线螺纹单线螺纹 PS S = 2P P S P S =P n线螺纹线螺纹: S = n P 按螺纹的牙型分按螺纹的牙型分 螺螺 纹纹 的的 分分 类类 按螺纹的旋向分按螺纹的旋向分 按回转体的内外表面分按回转体的内外表面分 矩形螺纹矩形螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 梯形螺纹梯形螺纹 锯齿形螺纹锯齿形螺纹 右旋螺纹右旋螺纹 左旋螺纹左旋螺纹 外螺纹外螺纹 内螺纹内螺纹 螺纹副螺纹副 外螺纹外螺纹 内螺纹内螺纹 (3)中径中径d2 也是一个假想圆柱的直径，该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。圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。 d1 d2 d (1)大径大径d 与外螺纹

5、牙顶与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底或内螺纹牙底)相重相重 合的假想圆柱体的直径。合的假想圆柱体的直径。 (2) 小径小径 d1 与外螺纹牙底与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶或内螺纹牙顶) 相重合的假想圆柱体的直径。相重合的假想圆柱体的直径。 (4) 螺距螺距P 相邻两牙在中径线上对应两点间相邻两牙在中径线上对应两点间 的轴向距离。的轴向距离。 (5) 导程导程S (6) 螺纹升角螺纹升角 中径中径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)牙型角牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙

6、型侧边与螺纹 轴线的垂线间的夹角。轴线的垂线间的夹角。 tg = d2 nP 牙侧角牙侧角 d2 S S = 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P 13.2 13.2 螺纹的主要几何参数螺纹的主要几何参数 S P P/2P/2 (8)接触高度接触高度 h 内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。 h 如图所示，在外力（或外力矩）作用下，螺旋副如图所示，在外力（或外力矩）作用下，螺旋副 的相对运动，可看作推动滑块沿螺纹表面运动。的相对运动，可看作推动滑块沿螺纹表面运动。 13.2 螺旋副的受力

7、分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁 13.2.1 矩形螺纹矩形螺纹 f F 如图所示，将矩形螺纹沿中径如图所示，将矩形螺纹沿中径d2处展开，得一倾斜处展开，得一倾斜 角为角为 的斜面，斜面上的滑块代表螺母，螺母与螺杆的的斜面，斜面上的滑块代表螺母，螺母与螺杆的 相对运动可看成滑块在斜面上的运动。相对运动可看成滑块在斜面上的运动。 F Q F R F N F 2 d v s Q F F R F 如图所示，当滑块如图所示，当滑块 沿斜面向上等速运动时，沿斜面向上等速运动时， 所受作用力包括轴向载所受作用力包括轴向载 荷荷FQ、水平推力、水平推力F、斜面、斜面 对滑块的法向反力对滑块的法向

8、反力FN以以 及摩擦力及摩擦力Ff 。FN与与Ff的的 合力为合力为FR，Ff=fFN，f为为 摩擦系数，摩擦系数，FR与与FN的夹的夹 角为摩擦角角为摩擦角 。 由力由力FR、F和和FQ组成的力多边形封闭图得组成的力多边形封闭图得 F=FQtan( ( ) ) （13-1） F Q F f F R F N F 2 d v s Q F F R F 转动螺纹所需的转矩为转动螺纹所需的转矩为 螺旋副的效率螺旋副的效率h h是指有用功与输入功之比。螺母旋是指有用功与输入功之比。螺母旋 转一周所需的输入功为转一周所需的输入功为W1=2=2 T1 1，有用功为，有用功为W2= =FQ S， 其中，其中，

9、S S= = d2tan 。 tan 22 22 1 Q F dd FT（13-2） 螺旋副的效率为螺旋副的效率为 h tan tan tan tan 2 2 1 2 dF dF W W Q Q （13-3） 效率效率h h与螺纹升角与螺纹升角 和摩擦角和摩擦角 有关，螺旋线的线数有关，螺旋线的线数 多、升角大，则效率高，反之亦然。多、升角大，则效率高，反之亦然。 当当 一定时，对式（一定时，对式（13-3）求极值，可得当升角）求极值，可得当升角 4040 时效率最高。时效率最高。 螺纹升角过大，螺纹制造很困难，而且当螺纹升角过大，螺纹制造很困难，而且当 25后，后， 效率增长不明显，因此，通

10、常升角不超过效率增长不明显，因此，通常升角不超过25。 如图如图13-5b示，当滑块沿斜面等速下滑时，轴向载示，当滑块沿斜面等速下滑时，轴向载 荷荷FQ变为驱动滑块等速下滑的驱动力，变为驱动滑块等速下滑的驱动力，F为阻碍滑块下为阻碍滑块下 滑的支持力，摩擦力滑的支持力，摩擦力Ff的方向与滑块运动方向相反。由的方向与滑块运动方向相反。由 FR、F和和FQ组成的力多边形封闭图得组成的力多边形封闭图得 F=FQtan( ( - - ) ) （13-4） f F 下降时：下降时： F Q F R F N F 2 d v s Q FF R F - F=FQtan( ( - - ) ) （13-4） -

11、tan tan tan tan 2 2 1 2 h - - dF dF W W Q Q （13-5） 此时，螺母反转一周时的输入功为此时，螺母反转一周时的输入功为W1=FQS，输出功，输出功 为为W2=F d2，则螺旋副的效率为，则螺旋副的效率为 由式（由式（13-5）可知，当）可知，当 时，时，h h 0，说明无论，说明无论 FQ力多大，滑块（即螺母）都不能运动，这种现象称力多大，滑块（即螺母）都不能运动，这种现象称 为螺旋副的自锁。为螺旋副的自锁。h h =0表明螺旋副处于临界自锁状态。表明螺旋副处于临界自锁状态。 因此螺旋副的自锁条件是因此螺旋副的自锁条件是 设计螺旋副时，对要求正反转自

12、由运动的螺旋副，设计螺旋副时，对要求正反转自由运动的螺旋副， 应避免自锁现象，工程中也可以应用螺旋副的自锁特应避免自锁现象，工程中也可以应用螺旋副的自锁特 性，如起重螺旋做成自锁螺旋，可以省去制动装置。性，如起重螺旋做成自锁螺旋，可以省去制动装置。 非矩形螺纹是指牙形角非矩形螺纹是指牙形角a a不等于零的螺纹，包括不等于零的螺纹，包括 三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。如图三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。如图13-6所示，所示， 非矩形螺纹的螺母与螺杆相对运动时，相当于楔形滑非矩形螺纹的螺母与螺杆相对运动时，相当于楔形滑 块沿楔形槽的斜面移动。块沿楔形槽的斜面移动。 13.2.2 非矩形螺旋

13、副非矩形螺旋副 FF Q F v Q F N F N F 非矩形螺纹的受力分析与矩形螺纹的受力分析过非矩形螺纹的受力分析与矩形螺纹的受力分析过 程一样，而矩形螺纹与非矩形螺纹的不同之处在于，程一样，而矩形螺纹与非矩形螺纹的不同之处在于， 在相同轴向载荷在相同轴向载荷F FQ Q作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形 螺纹大。螺纹大。 不同螺纹副间的受力不同螺纹副间的受力 螺母螺母 螺杆螺杆 矩形矩形 三角形三角形 a Q F N F 螺杆螺杆 螺母螺母 引入当量摩擦系数引入当量摩擦系数fv和和当量摩擦角当量摩擦角 v v来考虑非矩形来考虑非矩形 螺纹法向力的增加量，即

14、用当量摩擦角螺纹法向力的增加量，即用当量摩擦角 v v代替式代替式（13-113-1） 至式至式（13-613-6）中的中的 tan cos vv f f 可相应得到非矩形螺纹，当螺母分别处于等速上可相应得到非矩形螺纹，当螺母分别处于等速上 升和等速下降时，螺母所需的水平推力升和等速下降时，螺母所需的水平推力F F、转动螺母、转动螺母 所需转矩所需转矩T T1 1和螺旋副效率和螺旋副效率h h的计算公式以及螺旋副自的计算公式以及螺旋副自 锁的条件。锁的条件。 牙形角牙形角a a越大，螺纹效率越低。三角螺纹自锁性越大，螺纹效率越低。三角螺纹自锁性 能比矩形螺纹好，静联接螺纹要求自锁，故多采用牙能

15、比矩形螺纹好，静联接螺纹要求自锁，故多采用牙 形角大的三角螺纹。传动螺纹要求螺旋副的效率形角大的三角螺纹。传动螺纹要求螺旋副的效率h h要高，要高， 一般采用牙形角较小的梯形螺纹。一般采用牙形角较小的梯形螺纹。 1 1）可拆联接）可拆联接，即允许多次装拆而不失效的联接，包括，即允许多次装拆而不失效的联接，包括 螺纹联接、键联接（包括花键联接和无键联接）和销螺纹联接、键联接（包括花键联接和无键联接）和销 联接；联接； 机械静联接又可分为两类：机械静联接又可分为两类： 2 2）不可拆联接）不可拆联接，即必须破坏联接某一部分才能拆开的，即必须破坏联接某一部分才能拆开的 联接，包括铆钉联接、焊接和粘接

16、等。另外，过盈联联接，包括铆钉联接、焊接和粘接等。另外，过盈联 接既可做成可拆联接，也可做成不可拆联接。接既可做成可拆联接，也可做成不可拆联接。 本章介绍螺纹联接。螺纹联接是利用本章介绍螺纹联接。螺纹联接是利用 具有螺纹具有螺纹 的零件构成的连接，是最广泛的一种联接。的零件构成的连接，是最广泛的一种联接。 13.3 螺纹连接螺纹连接 13.3.1 常用螺纹的类型和特点常用螺纹的类型和特点 普通螺纹以大径普通螺纹以大径d为为公称直径公称直径，同一公称直径可，同一公称直径可 以有多种螺距，其中螺距最大的称为以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹粗牙螺纹，其，其 余的统称为余的统称为细牙螺纹细牙螺

17、纹。 60 粗牙螺纹应用最广。粗牙螺纹应用最广。 细牙螺纹的优点：细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高升角小、小径大、自锁性好、强度高 缺点：缺点：不耐磨易滑扣。不耐磨易滑扣。 应用：应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。 P d 粗牙粗牙 d P 细牙细牙 d P 细牙细牙 d d d d2 2 d d1 1P P 用螺纹密封的管用螺纹密封的管螺纹螺纹 普通细牙普通细牙螺纹螺纹 管管螺纹螺纹 非螺纹密封管非螺纹密封管螺纹螺纹（圆柱管壁（圆柱管壁 = 55） 用螺纹密封管用螺纹密封管螺纹螺纹（圆锥管壁（圆锥管壁 = 55） 60圆锥管圆锥管螺

18、纹螺纹 公称直径公称直径-管子的公称通径。管子的公称通径。强调与普通螺纹不同 55 55 非螺纹密封的管非螺纹密封的管螺纹螺纹 d d d d2 2 d d1 1 P P 2 13.3.2.1 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 螺栓联接螺栓联接 基基 本本 类类 型型 e a a l1 1 l1 1 可承受横向载荷。 螺纹余留长度螺纹余留长度l1 铰制孔螺栓铰制孔螺栓 孔与螺杆之孔与螺杆之 间留有间隙间留有间隙 静载荷静载荷l1=(0.30.5)d; 变载荷变载荷l1=0.75d; 冲击载荷或弯曲载荷冲击载荷或弯曲载荷l1 d; 铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓l1 0; 螺纹伸出长度螺纹伸出长度

19、a=(0.20.3)d; 螺栓轴线到边缘的距离螺栓轴线到边缘的距离 e=d+(36) mm 用于经常拆装易磨损之处。 d d 13.3.2 螺纹联接的基本类型与标准螺纹联接件螺纹联接的基本类型与标准螺纹联接件 13.3.2 螺纹联接的类型及标准联接件螺纹联接的类型及标准联接件 13.3.2.1 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 螺栓联接螺栓联接 基基 本本 类类 型型 螺钉联接螺钉联接 座端拧入深度座端拧入深度H，当螺孔材料为：，当螺孔材料为： a e e e e 双头螺柱联接双头螺柱联接 联接件厚，允许拆装。 钢或青铜钢或青铜 H=d; 铸铁铸铁 H=(1.251.5)d 铝合金铝合金

20、H=(1.52.5)d 螺纹孔深度螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P; 钻孔深度钻孔深度 H2=H1+(0.51)d; 参数参数l1 、e、a与螺栓相同与螺栓相同 l1 1l1 1 H HH H H H1 1H H1 1 H H2 2H H2 2 结构简单，省了螺母，不宜经常拆装， 以免损坏螺孔而修复困难。 d 13.3.2 螺纹联接的类型及标准联接件螺纹联接的类型及标准联接件 13.3.2.1 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 螺栓联接螺栓联接 基基 本本 类类 型型 螺钉联接螺钉联接 双头螺柱联接双头螺柱联接 紧定螺钉联接紧定螺钉联接 紧定螺钉紧定螺钉 13.3.2.2 标准螺纹联接

21、件标准螺纹联接件 螺栓螺栓 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 螺栓的结构形式螺栓的结构形式 L L0 d 六角头六角头 L d L0 小六角头小六角头 13.3.2.2 13.3.2.2 标准螺纹联接件标准螺纹联接件 d L0 L1 L L1 -座端长度座端长度 L0 -螺母端长度螺母端长度 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 13.3.2.2 标准螺纹联接件标准螺纹联接件 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 末端末端 结构结构 头部头部 结构结构 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 13.3.2.2 标准螺纹联接件标准螺纹联接件 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件

22、 地脚螺栓地脚螺栓 起吊螺钉起吊螺钉 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 专用螺纹联接专用螺纹联接 T 型螺栓型螺栓 13.3.2.2 13.3.2.2 标准标准螺纹联接件螺纹联接件 六角螺母六角螺母六角扁螺母六角扁螺母六角厚螺母六角厚螺母圆螺母圆螺母 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件用于经常拆装 易磨损之处。 用于尺寸受限制之处。 国标罗列有六十余种不同结构的螺母螺母螺母 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 专用螺纹联接专用螺纹联接 螺纹联接装配时，一般都要拧紧螺纹，使联接螺螺纹联接装配时，一般都要拧紧螺纹，使联接螺 纹在承受工作载荷之前，受到预先作用

23、的力，这就是纹在承受工作载荷之前，受到预先作用的力，这就是 螺纹联接的预紧，预先作用的力称为螺纹联接的预紧，预先作用的力称为预紧力预紧力。 13.3.3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 13.3.3.1 螺纹联接的预紧螺纹联接的预紧 螺纹联接预的目的螺纹联接预的目的在于增加联接的在于增加联接的可靠性可靠性、紧密性紧密性和和 防松能力防松能力。 如图所示，在拧紧螺母时，需要克服螺纹副相对如图所示，在拧紧螺母时，需要克服螺纹副相对 扭转的阻力矩扭转的阻力矩T1和螺母与支承面之间的摩擦阻力矩和螺母与支承面之间的摩擦阻力矩T2， 即拧紧力矩即拧紧力矩T=T1+T2。 拧紧螺母时的力矩计算拧紧

24、螺母时的力矩计算 d 0 d 2 0 Q 2 0 Q L LS S 2 0 Q 2 0 Q 0 Q 0 Q 2 0 Q 2 0 Q T 2 T 1 T 2 D T D1 对于一般联接用的钢制普通螺栓联接，其预紧力对于一般联接用的钢制普通螺栓联接，其预紧力Q0大小大小 按下式计算按下式计算 式（式（13-9）中，）中，s ss为螺栓材料的屈服极限，为螺栓材料的屈服极限，N/mm2；A 为螺栓危险截面的面积，为螺栓危险截面的面积，A d2/4，mm2。 Q0 = (0.50.7)s ssA N (13-2) T=0.2Q0d Nmm(13-1) 对于对于M10M64的粗牙普通螺栓，若螺纹联接的的粗

25、牙普通螺栓，若螺纹联接的 预紧力为预紧力为Q0，螺栓直径为，螺栓直径为d，则紧拧紧力矩，则紧拧紧力矩T可以按近可以按近 似公式计算似公式计算 测力矩扳手测力矩扳手 预紧力控制方法预紧力控制方法: : 联接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动 松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有 可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象 （如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。 F F 定力矩扳手定力矩扳手 通常螺纹联接拧紧是凭工人的经验来决定的， 重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。 L LS S 1)1)凭手感

26、经验；凭手感经验； 2)2)测力矩扳手；测力矩扳手； 3)3)定力矩扳手；定力矩扳手； 4)4)测定伸长量。测定伸长量。 L LM M L LS S 13.3.3.2 螺纹联接的防松螺纹联接的防松 联接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温 度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变 载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有可 能松动而失效。高温下的螺栓联接，由于温度变形差 异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计 时必须考虑防松，即防止相对转动。 防松的方法：防松的方法： 1. 利用附加摩擦力防松利用附加摩擦力防松 尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母 弹簧垫圈弹簧垫圈 对顶螺母对

27、顶螺母 防松防松-防止螺旋副相对转动。防止螺旋副相对转动。 开口销与六开口销与六 角开槽螺母角开槽螺母 串联钢丝串联钢丝 2. 机械防松机械防松 圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈 止动垫圈止动垫圈 3. 其他方法防松其他方法防松 11.5P 用冲头冲用冲头冲23点点 冲点防松法冲点防松法 粘合法防松粘合法防松 涂粘合剂涂粘合剂 螺栓联接通常是成组使用的，称为螺栓组。在进螺栓联接通常是成组使用的，称为螺栓组。在进 行螺栓组的设计计算时，首先要确定螺栓的数目和布行螺栓组的设计计算时，首先要确定螺栓的数目和布 置，再进行螺栓受载分析，从螺栓组中找出受载最大置，再进行螺栓受载分析，从螺栓组中找出受载最

28、大 的螺栓，计算该螺栓所受的载荷，螺栓组的强度计算，的螺栓，计算该螺栓所受的载荷，螺栓组的强度计算， 实际上是计算螺栓组中受载最大的单个螺栓的强度。实际上是计算螺栓组中受载最大的单个螺栓的强度。 13.3.4 螺栓联接的强度计算螺栓联接的强度计算 由于螺纹联接件已经标准化，各部分结构尺寸是由于螺纹联接件已经标准化，各部分结构尺寸是 根据等强度原则及经验确定的，所以，螺栓联接的设根据等强度原则及经验确定的，所以，螺栓联接的设 计只需根据强度理论进行计算确定其螺纹直径即可，计只需根据强度理论进行计算确定其螺纹直径即可， 其它部分尺寸可查标准选用。其它部分尺寸可查标准选用。 螺栓联接中的单个螺栓受力

29、分为轴向载荷（受拉螺栓联接中的单个螺栓受力分为轴向载荷（受拉 螺栓）和横向载荷（受剪螺栓）两种。螺栓）和横向载荷（受剪螺栓）两种。 13.3.4.1 螺栓联接的失效形式和设计准则螺栓联接的失效形式和设计准则 受拉力作用的普通螺栓联接，其主要失效形式是螺受拉力作用的普通螺栓联接，其主要失效形式是螺 纹部分的塑性变形或断裂，经常装拆时也会因磨损而发纹部分的塑性变形或断裂，经常装拆时也会因磨损而发 生滑扣，其设计准则是保证螺栓的静力或者疲劳拉伸强生滑扣，其设计准则是保证螺栓的静力或者疲劳拉伸强 度；度； 受剪切作用的铰制孔用螺栓联接，因此其主要失受剪切作用的铰制孔用螺栓联接，因此其主要失 效形式是螺

30、杆被剪断，螺杆或者被联接件的孔壁被压溃，效形式是螺杆被剪断，螺杆或者被联接件的孔壁被压溃， 故其设计准则为：故其设计准则为： 保证螺栓被联接件具有足够的剪切强度和挤压强度。保证螺栓被联接件具有足够的剪切强度和挤压强度。 松螺栓联接装配时不需要松螺栓联接装配时不需要 拧紧螺母，在承受工作载荷之拧紧螺母，在承受工作载荷之 前，螺栓不受力。如图前，螺栓不受力。如图所所示，示， 起重吊钩的螺栓联接就是典型起重吊钩的螺栓联接就是典型 的松螺栓联接。当承受工作载的松螺栓联接。当承受工作载 荷荷Q时，螺栓杆受拉，其强度条时，螺栓杆受拉，其强度条 件为件为 2 2 1 N/mm 4/ s s d Q 13.3

31、.4.2 受轴向载荷的螺栓联接受轴向载荷的螺栓联接 （1）松螺栓联接）松螺栓联接 Q 如图所示，紧螺栓联接如图所示，紧螺栓联接 装配时需要将螺母拧紧，在拧装配时需要将螺母拧紧，在拧 紧力矩作用下，螺栓受到预紧紧力矩作用下，螺栓受到预紧 力产生的拉应力作用，同时还力产生的拉应力作用，同时还 受到螺纹副中摩擦阻力矩受到螺纹副中摩擦阻力矩T1所所 产生的剪切应力作用，即螺栓产生的剪切应力作用，即螺栓 处于弯扭组合变形状态。为了处于弯扭组合变形状态。为了 简化计算，对简化计算，对M10 M68的钢的钢 制普通螺栓，只按拉伸强度计制普通螺栓，只按拉伸强度计 算，并将所受拉力增大算，并将所受拉力增大30%

32、30%来来 考虑剪切应力的影响。考虑剪切应力的影响。 （2）紧螺栓联接）紧螺栓联接 1）紧螺栓联接的应力）紧螺栓联接的应力 d 0 d 2 0 Q 2 0 Q T 2 T 1 T 2 D T D1 2 2 1 0 mm N 4/ 3.1 s d Q 只有预紧力螺栓的强度条件为只有预紧力螺栓的强度条件为 式中： Q0为螺栓所受的预紧力，N； d1为螺纹小径，mm2； s为紧螺栓联接的许用应用力，N/mm2。 2 0 1 mm N 3.14 d s Q 螺栓的设计：螺栓的设计： 2）受横向工作载荷的紧螺栓联接（）受横向工作载荷的紧螺栓联接（只有预紧力只有预紧力） 如图如图所所示，紧螺栓联接示，紧螺

33、栓联接 受横向工作载荷。普通螺栓受横向工作载荷。普通螺栓 与螺栓孔之间有间隙，它是与螺栓孔之间有间隙，它是 靠接合面间的摩擦力来承受靠接合面间的摩擦力来承受 工作载荷的。工作时，只有工作载荷的。工作时，只有 当接合面间摩擦力足够大时，当接合面间摩擦力足够大时， 才能保证被联接件不会发生才能保证被联接件不会发生 相对滑动。相对滑动。 F F F F/2 F/2 Q0 Q0 Q0 Q0 1m 1m 因此，螺栓的预紧力因此，螺栓的预紧力Q0应为应为 式中：式中：z为联接螺栓数目；为联接螺栓数目； f为接合面间的摩擦系数，对于钢和铸铁，为接合面间的摩擦系数，对于钢和铸铁，f=0.15 0.2； m为摩

34、擦接合数；为摩擦接合数； F为横向载荷，为横向载荷，N； Kf为可靠性系数或称防滑系数，通常为可靠性系数或称防滑系数，通常Kf = 1.11.3。 N 0 zfm FK Q f （13-5） 用键、套筒和销承受横向载荷用键、套筒和销承受横向载荷 普通螺栓靠摩擦力来承受横向工作载荷需要很大普通螺栓靠摩擦力来承受横向工作载荷需要很大 的预紧力，为了防止螺栓被拉断，需要较大的螺栓直径，的预紧力，为了防止螺栓被拉断，需要较大的螺栓直径， 这将增大联接的结构尺寸。这将增大联接的结构尺寸。 对横向工作载荷较大的螺栓联接，可采用辅助结对横向工作载荷较大的螺栓联接，可采用辅助结 构，如图构，如图所所示，用键、

35、套筒和销等抗剪切件来承受横向示，用键、套筒和销等抗剪切件来承受横向 载荷，这时，螺栓仅起一般联接作用，不受横向载荷，载荷，这时，螺栓仅起一般联接作用，不受横向载荷， 联接的强度应按键、套筒和销的强度条件进行计算。联接的强度应按键、套筒和销的强度条件进行计算。 按式（按式（13-5）求出预紧力）求出预紧力Q0后，再按式（后，再按式（13-4）计）计 算螺栓强度即可。算螺栓强度即可。 如如 图所示为气缸的盖图所示为气缸的盖 螺栓联接，设螺栓联接，设z个螺栓沿圆周个螺栓沿圆周 均布，气缸内的气体压强为均布，气缸内的气体压强为p， 则每个螺栓的工作载荷为则每个螺栓的工作载荷为 N 4 2 z D pQ

36、F （3）受预紧力和轴向载荷作用的紧螺栓连接）受预紧力和轴向载荷作用的紧螺栓连接 p F F D 受载受载 变形变形 特别注意，轴向载荷：特别注意，轴向载荷： 加预紧力后加预紧力后螺栓受拉伸长螺栓受拉伸长b0 被联接件受压缩短被联接件受压缩短m0 加载加载 F 后后: 螺栓总伸长量增加为螺栓总伸长量增加为: 总拉力为：总拉力为： 被联接件压缩量减少为：被联接件压缩量减少为： 残余预紧力减少为：残余预紧力减少为： F1 很显然很显然: Qr0， 表13.6 剩余预紧力与工作载荷比值 连接情况载荷情况Qr/QF 一般连接 稳定工作载荷0.20.6 变动工作载荷0.61.0 有紧密性要求 的连接 1

37、.51.8 地脚螺栓连接1 如图所示，受剪螺栓通常是六角头铰制孔用螺栓，如图所示，受剪螺栓通常是六角头铰制孔用螺栓， 螺栓与螺栓孔多采用过盈配合或过渡配合。螺栓与螺栓孔多采用过盈配合或过渡配合。 （3） 受剪螺栓联接受剪螺栓联接 用铰制孔螺栓受剪用铰制孔螺栓受剪 F为横向载荷，为横向载荷，N； z为螺栓数目；为螺栓数目； m为螺栓受剪面数目；为螺栓受剪面数目； d0为螺栓杆在剪切面处的直径，为螺栓杆在剪切面处的直径，mm； d d为螺栓杆与孔壁间接触受压的最小轴向长度，为螺栓杆与孔壁间接触受压的最小轴向长度，mm； t t为螺栓材料许用剪应力为螺栓材料许用剪应力，N/mm2； s sp p为螺

38、为螺杆或者被联接件材料的许用挤压应力，杆或者被联接件材料的许用挤压应力，N/mm2，计算时计算时 取两者中的小值。取两者中的小值。 当联接承受横向载荷时，在联接的结合处螺栓横截当联接承受横向载荷时，在联接的结合处螺栓横截 面受剪切，螺栓杆和被联接件孔壁接触表面受挤压，螺面受剪切，螺栓杆和被联接件孔壁接触表面受挤压，螺 栓的剪切强度条件和螺杆与孔壁接触表面的挤压强度条栓的剪切强度条件和螺杆与孔壁接触表面的挤压强度条 件分别为件分别为 )(N/mm 2 0 pp zd F s d s )(N/mm 4/ 2 2 0 t t dzm F 螺栓材料一般采用碳素钢；对于承受冲击、振动螺栓材料一般采用碳素

39、钢；对于承受冲击、振动 或者变载荷的螺纹联接，可采用合金钢；对于特殊用途或者变载荷的螺纹联接，可采用合金钢；对于特殊用途 （如防锈、导电或耐高温）的螺栓联接，采用特种钢或（如防锈、导电或耐高温）的螺栓联接，采用特种钢或 者铜合金、铝合金等。者铜合金、铝合金等。 13.3.4.5 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力 如表如表13-5所示，国家标准规定螺纹联接件按材料所示，国家标准规定螺纹联接件按材料 的机械性能分级。螺母的材料一般与相配合的螺栓相的机械性能分级。螺母的材料一般与相配合的螺栓相 近而硬度略低。近而硬度略低。 M 16 M16一栏一栏,对钢结构的螺栓分别改为对钢结构的螺栓分别改

40、为M12和和M13. 紧定螺钉的性能等级与螺钉不同紧定螺钉的性能等级与螺钉不同,此表未列入。此表未列入。 36531226924823218114013411310990 最低硬度最低硬度 HBSmin 1100940720660640480420300340240190 最小抗拉极限最小抗拉极限 Smin或或0.2min N/mm2 1220 104 0 900830800600520500420400330 最小抗拉强度最小抗拉强度 极限极限 BminN/mm2 13.910.99.8 8.8 6.85.85.64.84.63.6机械性能等级机械性能等级 表表13-5 螺栓、螺钉和双头螺柱

41、的机械性能等级（螺栓、螺钉和双头螺柱的机械性能等级（GB3098.11982） 螺栓联接的许用应力与材料、制造、结构尺寸及螺栓联接的许用应力与材料、制造、结构尺寸及 载荷性质等有关。普通螺栓联接的许用拉应力按表载荷性质等有关。普通螺栓联接的许用拉应力按表13- 6选取，许用剪应力和许用挤压应力按表选取，许用剪应力和许用挤压应力按表13-7选取。选取。 在设计时，通常螺栓直径未知，因此要用试算法：在设计时，通常螺栓直径未知，因此要用试算法： 假定公称直径假定公称直径d，查出螺栓联接许用拉应力，按式，查出螺栓联接许用拉应力，按式13-11 或式或式13-15计算螺栓小径计算螺栓小径d1，由，由d1

42、查取公称直径查取公称直径d，若公，若公 称直径与原先假定值相差较大时，应进行重算，直到称直径与原先假定值相差较大时，应进行重算，直到 两者相近。两者相近。 直径直径 材料材料 碳钢碳钢 注注: s为螺栓材料的屈服极限为螺栓材料的屈服极限,N/mm2 0.20 s (0.130.20) s 0.4 s (0.250.40) s (0.200.25) s 合金钢合金钢 0.15 s (0.100.15) s (0.500.77) s (0.330.50) s (0.250.33) s M16M30M6M16M30M60M16M30M6M16 变载荷变载荷静载荷静载荷载荷性质载荷性质 不严格控不严格

43、控 制预紧力制预紧力 的紧联接的紧联接 (0.60.8) s 严格控制严格控制 预紧力的预紧力的 紧联接紧联接 s 松连接松连接 表表13-6 螺栓连接的许用拉应力螺栓连接的许用拉应力 注注: s 钢材的屈服极限，钢材的屈服极限， N/mm2； ；B 铸铁的抗拉强度极限， 铸铁的抗拉强度极限， N/mm2 (0.30.4) B(0.50.6) s(0.20.3) s 变载荷变载荷 (0.40.5) B0.8 s0.4 s 静载荷静载荷 被联接件为铸被联接件为铸 铁铁 被联接件为钢被联接件为钢 许用挤压应力许用挤压应力p 许用剪应力许用剪应力 表表 13-7 螺栓联接的许用剪应力螺栓联接的许用剪

44、应力和许用挤压应力和许用挤压应力p 由表由表13-6可知，不严格控制预紧力的紧螺栓联接的可知，不严格控制预紧力的紧螺栓联接的 许用拉应力与螺栓直径有关。在设计时，通常螺栓直许用拉应力与螺栓直径有关。在设计时，通常螺栓直 径是未知的，因此要用试算法：先假定一个公称直径径是未知的，因此要用试算法：先假定一个公称直径d， 根据此直径查出螺栓联接的许用拉应力，按式根据此直径查出螺栓联接的许用拉应力，按式13-11或或 式式13-15计算出螺栓小径计算出螺栓小径d1，由，由d1查取公称直径查取公称直径d，若该，若该 公称直径与原先假定的公称直径相差较大时，应进行公称直径与原先假定的公称直径相差较大时，应

45、进行 重算，直到两者相近。重算，直到两者相近。 例例13-1 如图如图13-8示，一钢制液压油缸，已知油压示，一钢制液压油缸，已知油压p=1.6 N/mm2，D= 160 mm，采用，采用8个个4.8级螺栓，试计算其缸级螺栓，试计算其缸 盖联接螺栓的直径和螺栓分布圆直径盖联接螺栓的直径和螺栓分布圆直径D。 QF QF D D0 图图13-8 kN 02. 4 84 160 6 . 1 4/ 2 2 z Dp QF 每个螺栓承受的平均轴向工作载荷每个螺栓承受的平均轴向工作载荷QF为为 解解 （1） 决定螺栓工作载荷决定螺栓工作载荷QF QF QF D D0 图图13-8 选取螺栓材料为选取螺栓材

46、料为45钢，钢，s ss=340 N/mm2（表（表13- 6），装配时不严格控制预紧力，按表），装配时不严格控制预紧力，按表13-7，螺栓许用，螺栓许用 力为力为 kNQQQQ FrF 3 .1102. 48 . 28 . 2 2 2 决定螺栓总拉伸载荷决定螺栓总拉伸载荷Q 根 据 密 封 性 要 求 ， 对 于 压 力 容 器 取 残 余 预 紧 力根 据 密 封 性 要 求 ， 对 于 压 力 容 器 取 残 余 预 紧 力 Qr=1.8QF，由式（，由式（13-11）可得）可得 （3）求螺栓直径）求螺栓直径 2 /1023403 . 03 . 0mmN s ss 由式（由式（13-11

47、3-13 3）得螺纹的小径为）得螺纹的小径为 mm Q d5 .13 102 103 .113 . 14 3 . 14 3 1 s 设油缸壁厚为设油缸壁厚为10mm，从图，从图13-14可以决定螺栓分可以决定螺栓分 布圆直径布圆直径D0为为 D0=D+2e+2 10=160+216+(36)+2 10 =218224mm 查查GB196-81，取，取M16螺栓。螺栓。 （4）决定螺栓分布圆直径）决定螺栓分布圆直径 取取D 0=220mm。 1. 改善螺纹牙间的载荷分布改善螺纹牙间的载荷分布 受拉的普通螺栓联接，其螺栓所受的总拉力是通受拉的普通螺栓联接，其螺栓所受的总拉力是通 过螺纹牙面间相接触

48、来传递的。如图过螺纹牙面间相接触来传递的。如图13-10所示，当联所示，当联 接受载时，螺栓受拉，螺距增大，而螺母受压，螺距接受载时，螺栓受拉，螺距增大，而螺母受压，螺距 减小。减小。 13.3.5 提高螺栓联接强度的途径提高螺栓联接强度的途径 螺螺 栓栓 杆杆 螺螺 栓栓 杆杆 F F 螺螺 栓栓 杆杆 Q Q 螺母体螺母体 图图13-10 因此，靠近支撑面的第一圈螺纹受到的载荷最大，到第因此，靠近支撑面的第一圈螺纹受到的载荷最大，到第 810圈以后，螺纹几乎不受载荷，各圈螺纹的载荷分布见图，圈以后，螺纹几乎不受载荷，各圈螺纹的载荷分布见图， 因此采用圈数过多的厚螺母并不能提高螺栓联接强度。

49、为改善因此采用圈数过多的厚螺母并不能提高螺栓联接强度。为改善 螺纹旋合螺纹上的载荷分布不均匀程度，可采用悬置螺母或环螺纹旋合螺纹上的载荷分布不均匀程度，可采用悬置螺母或环 槽螺母。槽螺母。 普通螺母普通螺母悬置螺母悬置螺母环槽螺母环槽螺母 普通螺母普通螺母 加高螺母加高螺母 当被联接件、螺母或螺栓头部的支撑面粗糙、被当被联接件、螺母或螺栓头部的支撑面粗糙、被 联接件因刚度不够而弯曲、钩头螺栓以及装配不良等联接件因刚度不够而弯曲、钩头螺栓以及装配不良等 都会使螺栓中产生附加弯曲应力。都会使螺栓中产生附加弯曲应力。 2.减少或避免附加应力、减少应力集中减少或避免附加应力、减少应力集中 支承面粗糙支

50、承面粗糙被联接件刚度不够被联接件刚度不够 对此，应从结构或工艺上采取措施，如规定螺纹对此，应从结构或工艺上采取措施，如规定螺纹 紧固件与联接件支承面的加工精度和要求；在粗糙表紧固件与联接件支承面的加工精度和要求；在粗糙表 面上彩需经切削加工的凸台或沉头座；采用球面垫圈面上彩需经切削加工的凸台或沉头座；采用球面垫圈 或斜垫圈等。或斜垫圈等。 采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构 切削加工支承面切削加工支承面 球面垫圈球面垫圈 腰环螺栓腰环螺栓 螺栓上的螺纹（特别是螺纹的收尾）、螺栓头和螺栓上的螺纹（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螺栓杆的过渡处以及螺栓

51、横截面面积发生变化的部位 都会产生应力集中。为减少应力集中，可采用较大的都会产生应力集中。为减少应力集中，可采用较大的 圆角和卸载结构等措施。圆角和卸载结构等措施。 在机械中，有时需要将转动变为直线移动。螺旋在机械中，有时需要将转动变为直线移动。螺旋 传动是实现这种转变经常采用的一种传动。例如机床传动是实现这种转变经常采用的一种传动。例如机床 进给机构中采用螺旋传动实现刀具或工作台的直线进进给机构中采用螺旋传动实现刀具或工作台的直线进 给，又如螺旋压力机和螺旋千斤顶的工作部分的直线给，又如螺旋压力机和螺旋千斤顶的工作部分的直线 运动都是利用螺旋传动来实现的。运动都是利用螺旋传动来实现的。 13

52、.4 13.4 螺旋传动螺旋传动* * 千斤顶千斤顶 压力机压力机 （1）传力螺旋：这种传力螺旋主要是承受很大的轴向传力螺旋：这种传力螺旋主要是承受很大的轴向 力，通常为间歇性工作，每次工作时间较短，工作速力，通常为间歇性工作，每次工作时间较短，工作速 度不高，而且需要自锁。如螺旋千斤顶度不高，而且需要自锁。如螺旋千斤顶 13.4.1 螺旋传动的类型螺旋传动的类型 螺旋传动由螺杆、螺母组成。按其用途可分为：螺旋传动由螺杆、螺母组成。按其用途可分为： （2）传导螺旋：以传递运动为主如精密车床的走刀螺杆。传导螺旋：以传递运动为主如精密车床的走刀螺杆。 （3）调整螺旋：用于调整并固定零部件之间的相对

53、位调整螺旋：用于调整并固定零部件之间的相对位 置如千分尺中的螺旋。置如千分尺中的螺旋。 （1）滑动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滑动滑动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滑动 摩擦的螺旋。摩擦的螺旋。 螺旋传动按其摩擦性质又可分为：螺旋传动按其摩擦性质又可分为： （2）滚动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滚动滚动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滚动 摩擦的螺旋。摩擦的螺旋。 （3）静压螺旋：将静压原理应用于螺旋传动中静压螺旋：将静压原理应用于螺旋传动中, 需要供油系统。需要供油系统。 图图13-9是最简单的滑动螺旋传动。其中螺母是最简单的滑动螺旋传动。其中螺母3相对相对 支架支架1可作轴向移动。设螺杆的导程为

54、可作轴向移动。设螺杆的导程为S，螺距为，螺距为p，螺，螺 纹线数为纹线数为n ，因此螺母的位移，因此螺母的位移L和螺杆的转角和螺杆的转角 （rad） 有如下关系：有如下关系： 22 npS L 13.4.2 滑动螺旋传动滑动螺旋传动 1 2 3 如图所示为一种差动滑动螺旋传动，螺杆如图所示为一种差动滑动螺旋传动，螺杆2分别与支架分别与支架1、螺、螺 母母3组成螺旋副组成螺旋副A和和B，导程分别为，导程分别为SA和和SB，螺母，螺母3只能移动不能只能移动不能 转动。若左、右两段螺纹的螺旋方向相同，则螺母转动。若左、右两段螺纹的螺旋方向相同，则螺母3的位移的位移L与与 螺杆螺杆2的转角的转角 （r

55、ad）有如下关系）有如下关系 2 )( BA SSL- BA 1 3 2 由式（由式（13-9）可知，若）可知，若A、B两螺旋副的导程两螺旋副的导程SA和和 SB相差极小时，则位移相差极小时，则位移L也很小，这种差动滑动螺旋传也很小，这种差动滑动螺旋传 动广泛应用于各种微动装置中。动广泛应用于各种微动装置中。 2 )( BA SSL 若图若图13-10两段螺纹的螺旋方向相反，则螺杆两段螺纹的螺旋方向相反，则螺杆2的的 转角转角 与螺母与螺母3的位移的位移L之间的关系为之间的关系为 对于硬度不高的螺杆，通常采用对于硬度不高的螺杆，通常采用45、50钢；对于钢；对于 硬度较高的重要传动，可选用硬度

56、较高的重要传动，可选用T12、65Mn、40Cr、 40WMn、18CrMnTi等，并经热处理获得较高硬度。等，并经热处理获得较高硬度。 对于精密螺杆，要求热处理后有较好的尺寸稳定对于精密螺杆，要求热处理后有较好的尺寸稳定 性，可选用性，可选用9Mn2V、CrWMn、38CrMoAlA等。等。 螺母常用材料为青铜和铸铁。要求较高的情况下，螺母常用材料为青铜和铸铁。要求较高的情况下， 可采用可采用ZCuSn10Pb1和和ZCuSn5Pb5Zn5；重载低速的；重载低速的 情况下，可用无锡青铜情况下，可用无锡青铜ZCuAl9Mn2；轻载低速的情况；轻载低速的情况 下，可用耐磨铸铁或铸铁。下，可用耐磨铸铁或铸铁。 滑动螺旋传动的滑动螺旋传动的 结构，主要是指螺杆结构，主要是指螺杆 和螺母的固定与支承和螺母的固定与支承 的结构形式。图中所的结构形式。图中所 示为螺旋起重器（千示为螺旋起重器（千 斤顶）的结构，螺母斤顶）的结构，螺母5 与机架一起静止不动，与机架一起静止不动， 而螺杆而螺杆7则既转动又移则既转动又移 动，单向传力（外载动，单向传力（外载 荷荷Q向下作用）。向下作用）。 9 8 7 6 5 4 3 1 2 图中所示结构，图中所示结构， 螺母转动，螺杆移动，螺母转动，螺杆移动， 单向传力（外载荷单向传力