机械设计课件：螺纹连接

机械设计5.1

螺纹5.2

螺纹连接的类型和标准紧固件5.3

螺栓连接的拧紧和防松5.4

螺栓组连接的设计5.5

单个螺栓的强度计算5.6

螺纹连接件的材料及许用应力5.7

提高螺栓连接强度的措施

5.8

现代螺纹连接方法简介CONTENTS目录

螺纹连接连接件被连接件动连接---连接件与被连接件间有相对运动的连接。静连接---连接件与被连接件间无相对运动的连接。螺纹连接

过盈连接铆接、焊接

可拆的连接——多次装拆，无损使用

不可拆连接——拆后至少损坏一个零件

机器是由许多零部件按一定工作要求，用不同连接方法组合而成的。通常所说的连接主要指静连接

螺纹连接键、花键、销连接连接的类型连接的组成

胶接静连接2

5.1

螺纹一、螺纹的形成螺旋线的形成：将直角三角形(直角底边长πd2)绕到直径为d2的圆柱

体上，其斜边即在圆柱体上形成螺旋线。

螺纹连接S2轴向作等速移动的轨迹一平面图形(三角形、矩形、梯形等)沿螺旋线运动，运动时保持该图螺旋线一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时一边沿螺纹形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹

螺纹连接

d2

螺纹d二、螺纹的分类按螺纹的牙型分类三角形螺纹(常用于连接)矩形螺纹

梯形螺纹

锯齿形螺纹(多用于传动)

螺纹连接锯齿形螺纹三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹

15o30o30o3o左旋右旋螺纹(常用)左旋螺纹

螺纹连接按螺纹的旋向分类右旋单头螺纹：主要用于连接(ψ≤ρv时，能自锁)多头螺纹：多用于传动(η↑)

螺纹连接按螺旋线头数分类外螺纹内螺纹

螺纹连接按回转体的内外表面分类外螺纹内螺纹螺纹副连接螺纹传动螺纹连接螺纹(单线的三角螺纹)传动螺纹螺旋传动

螺纹连接按螺纹的作用分类管螺纹

螺纹连接圆柱螺纹圆锥螺纹按母体形状分类圆柱螺纹圆锥螺纹三、螺纹的主要几何参数1)大径d与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的

假想圆柱体的直径2)小径d1与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的

假想圆柱体的直径3)中径d2

ψ

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。4)螺距P

相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离

螺纹连接P/2P/2P

S

2

1ddd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离6)螺纹升角ψ中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺

纹轴线的平面间的夹角7)牙型角α轴向截面内螺纹牙相邻两侧边的夹角牙侧角β牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角α

螺纹连接5)导程Sd2

d1P/2P/2S

=

nPP

Sψββdψd2

πd2ψ

πd2

螺纹连接psS螺纹升角的计算ψ螺纹的主要参数:大径d

小径d1中径d2螺距P

导程S

升角ψ

牙型角α

牙型斜角β

螺纹连接四、常用螺纹普通螺纹α=60˚管螺纹α=55˚普通螺纹以大径d为公称直径

，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙

螺纹

，其余的统称为细牙螺纹。粗牙螺纹应用最广。细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高。细牙螺纹的缺点：不耐磨易滑扣。细牙螺纹的应用：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。

螺纹连接三角形螺纹P粗牙细牙细牙dddPP管螺纹

用螺纹密封管螺纹(圆锥管壁α=

55˚

)公称直径——管子的公称通径。非螺纹密封的管螺纹普通细牙螺纹非螺纹密封管螺纹(圆柱管壁α=55˚)用螺纹密封的管螺纹

螺纹连接60˚圆锥管螺纹5。55。2112ddddddPP常用于传动为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角β比三角形螺纹的要小得多。螺纹的基本尺寸：查阅《机械零件设计手册》及有关参考书梯形螺纹：β=

15o锯齿形螺纹：:β=3o

螺纹连接锯齿形梯形5.2

螺纹连接的类型和标准紧固件5.2.1类型紧连接松连接按受力情况受拉螺栓连接受剪螺栓连接按受载前是否拧紧

螺纹连接按主要联接件的结构特征，机器中的常见螺纹联接有四种：1、螺栓联接

螺纹连接1侧壁受挤压工作原理杆横截面受剪承受外载应用：需精确固定两被联接件的相对位置工作原理：螺栓受拉力以承受外载荷应用：应用于被联接件不太厚的常拆卸处螺栓联接又分为：受拉螺栓联接

螺纹连接受剪螺栓联接2、双头螺柱联接工作原理：螺栓受拉力，承受外载应用：被联接件之一较厚，且常拆卸处螺纹旋合深度H螺纹孔深度H1

钻孔深度H2

螺纹连接

H1dH2H3、螺钉联接工作原理：螺栓受拉承受外载应用：

一被联件较厚，但不常拆卸处

螺纹连接

平端紧定螺钉

螺纹连接4、紧定螺钉联接锥端紧定螺钉

螺纹连接T型槽螺栓联接地脚螺栓吊环螺栓螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母、垫圈标准化

螺纹连接5.2.2螺纹紧固件

螺纹连接

5.3

螺纹连接的预紧和防松5.3.1螺纹连接的预紧拧紧目的：

提高联接刚性、紧密性、紧固性

要求；以及防松1、拧紧力矩和预紧力拧紧力矩T=T1

+T2T1

：螺纹副的摩擦力矩式中:kt---

拧紧力矩系数，其值可查手册T2

：螺母与支承面间的摩擦力矩

螺纹连接对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。对于M16~M68粗牙，副间无润滑剂，

螺纹连接分析：2、拧紧力矩的控制预紧力控制方法:(1)凭手感经验(2)使用测力矩扳手(3)使用定力矩扳手(4)测定伸长量(精确)

螺纹连接螺栓预紧力传感器环形测力传感器测力矩扳手定力矩扳手超声波测量5.3.2螺纹连接的防松原因：冲击、震动、变载作用螺纹副间摩擦力急剧下降温度变化，材料蠕变连接松脱原理：防止螺纹副相对转动防松方法：1)

摩擦防松：

简便，但不可靠对顶螺母、弹簧垫圈、自锁螺母、尼龙圈锁紧螺母2)

直接锁住(机械防松)

:

可靠止动垫圈、开口销与槽形螺母、串联金属丝3)

破坏螺纹副：

可靠，一次性冲点防松、粘接法、焊接法

螺纹连接

螺纹连接对顶螺母(双螺母)防松拧紧螺母的同时将垫圈压平，利用垫圈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联接件的支承面，也有防松作用。

螺纹连接弹簧垫圈防松

螺纹连接尼龙圈锁紧螺母自锁螺母防松

开口销

开槽螺母开口销+槽形螺母防松

螺纹连接装配图螺栓止动垫片防松止动垫片防松方法是通过止动垫片的形状阻止螺母的转动，但是设计上还应解决止动垫片自身相对于机体的固定问题，图示的止动垫片防松结构中止动垫片通过将自身套在邻近的两个螺栓上使其不能相对机体转动，这种方法适用于一组螺栓相距较近的情况。如果螺栓距离机体边缘较近可以将垫片在机体边缘处弯折，以使垫片不能相对于机体转动，如果螺栓之间距离教远，而且螺栓与机体边缘也较远时，可以在螺栓附近的机体表面钻一小孔(如果允许)，并将垫片向孔中弯折。

螺纹连接

螺纹连接止动垫片防松

正确正确安装的串联钢丝使得任何一个螺栓向松动方向旋转时，其他螺栓被拧紧。

螺纹连接串联钢丝防松错误破坏螺纹副关系防松

螺纹连接图1左图将拧紧后的螺栓和螺母焊接，右图将拧紧后的螺栓和螺母铆接图1

螺纹连接粘合法冲点法5.4

螺栓组连接的设计目的:确定受力最大的螺栓；求出Fmax内容:螺栓组的结构设计--确定螺栓数目和分布形式、选择材料、尺寸(d、l等)5.4.1螺栓组连接的结构设计基本要求：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，通常连接接合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。

螺纹连接2、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。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。3、根据载荷的类型合理布置螺栓位置受旋转力矩T和翻转力矩M作用的螺栓组，靠边布置，以减小螺栓受力，

螺栓布置应尽量远离回转中心或对称轴线，以使各螺栓受力较小。

螺纹连接螺栓受弯矩或扭矩时螺栓的布置不合理合理对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的间距t的推荐尺寸见表。4、布置螺栓应留有合理的间距、边距，以保证扳手空间。扳手空间的尺寸查阅有关标准

螺纹连接60˚E

ECC5、避免螺栓受偏心承载，避免附加弯曲应力，尽量减少加工面。保证被连接件，螺母和螺栓头支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸、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。特殊情况也采用球面垫圈。

螺纹连接采用沉头座采用斜垫圈采用凸台5.4.2螺栓组连接的受力分析假设:(1)被连接件为刚体；(2)螺栓组中各螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；(3)螺栓组的对称中心与接合面形心重合；(4)螺栓的变形在弹性范围之内，受载后连接结合面仍保持为平面。螺栓组受载常见的四种典型情况:1.受轴向载荷的螺栓组连接2.受横向载荷的螺栓组连接3.受旋转力矩的螺栓组连接4.受翻转力矩的螺栓组连接

螺纹连接1.受轴向载荷的螺栓组连接条件：FQ通过螺栓组的对称中心，且平行于螺栓轴线工作载荷

螺纹连接式中：z----螺栓数目Q

F′

≥

ks

FR

µs

mz式中：2.受横向载荷的螺栓组连接1、采用受拉螺栓连接(图a)

螺纹连接图(a)采用受拉螺栓连接2、采用受剪螺栓连接(图b

)螺杆受剪力＋侧壁受挤压条件：各螺栓受载均等分析：d可减小；各螺栓受载不均，故z

不宜多于6个。

螺纹连接(b)采用受剪螺栓联接(a)联接受旋转力矩T

(b)采用受拉螺栓连接(1)采用受拉螺栓连接由力矩平衡式中：ri

----第i个螺栓的回转半径。3.受旋转力矩T的螺栓组连接

螺纹连接由变形协调条件：(甲)、(乙)联立，得：(2)采用受剪螺栓连接螺栓的布置应远离回转中心

螺纹连接(c)采用受剪螺栓联接(甲)(乙)4.受翻转力矩M的螺栓组连接连接形式：一般采用普通螺栓连接，工作前预紧螺栓受力：预紧力＋轴向工作载荷由变形协调条件：(甲)、(乙)联立，得：各个螺栓的变形量与距离成正比，也就是工作拉力与距离成正比

螺纹连接(甲)(乙)

5.5

单个螺栓的强度计算单个螺栓连接的强度计算是螺纹连接设计的基础。根据连接的的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓，两者失效形式、设计准则是不同的。螺栓连接的强度计算主要是确定或验算危险截面的尺寸，确定螺纹小径d1

，然后按照标准选定螺纹的公称直径(大径)d等。

螺纹连接5.5.1受拉螺栓联接一、失效分析1、静载荷作用下螺栓损坏形式为螺纹部分的塑性变形或断裂2、变载荷作用下破坏形式为疲劳断裂3、经常装拆或螺纹精度低时---滑扣破坏

螺纹连接20%

65%15%二、受拉松螺栓联接强度校核计算式：

螺纹连接1、只受预紧力的紧螺栓连接(连接受横向力FR

)扭剪应力螺栓拉伸应力公式物理意义:紧螺栓连接虽然同时承受

拉伸和扭转的联合作用，

但在计算时，可以将所受的拉力增大30%，来考虑扭转的影响。据第四强度理论(螺栓塑性)

螺纹连接三、受拉紧螺栓联接受力特点：载荷与螺栓轴线垂直，靠被连接件间的摩擦力传递。螺栓受载前需预紧，受载前后受力相同。

螺纹连接减载结构2、受预紧力F’和轴向工作载荷F的紧螺栓连接(连接受轴向力FQ

)典型例子：压力容器缸盖的螺栓组联接受力特点：载荷方向与螺栓轴向一致，螺栓受载前需预紧，受载前后受力不同。设：流体压力为p，螺栓个数为z，每个螺栓均受F’p下面从分析联接受力与变形的关系中求出螺栓的总拉力F0

。

螺纹连接?1)分析螺栓和被联接件的受力与变形示意图：图a)：螺母刚好拧到与被联接件接触，但没拧紧，螺栓和被连接件均未受力。图b)：装配后，螺母被拧紧。在预紧力F’作用下，螺栓产生拉伸变形6b

，被联接件产生压缩变形6m

。根据静力平衡条件，螺栓与被连接件所受拉力、压力大小相等(F’相等)，但二者的刚度不同(kb≠km

)，所以变形不同(6b≠6m

)。图c)：工作状态，螺栓除承受F’外，又承受工作载荷F。a)

b)

c)

d)

螺纹连接螺栓预紧及受载后螺栓轴向拉力的分析螺栓不受载被联接件不受载螺栓被联接件2)受力变形图a)：螺栓未预紧螺栓被联接件

螺纹连接c)：螺栓受工作载荷b)：螺栓预紧

螺纹连接×α

β

α

β

为讨论方便，用螺栓与被联接件的力与变形图表示：

螺纹连接

螺栓联接的受力与变形关系受

轴

向

工

作

拉

力

Fβ

α(6.6)(6.7)(6.8)

螺纹连接可得3)静应力强度

螺纹连接(6.9)若工作载荷在F1

~F2之间变化，则总拉力在F01

~F02之间变化

螺纹连接4)变应力强度5.5.2受剪螺栓联接1、失效形式螺栓被剪断、栓杆或孔壁被压溃2、抗剪切强度条件

螺纹连接3、挤压强度条件式中：

h1

2hh5.6.1螺纹连接件的材料常用低碳钢和中碳钢变载、冲击用合金钢(特殊场合用有色金属)3.6----低碳钢4.6~6.8----低碳钢或中碳钢8.8~9.8----中碳钢或低碳合金钢10.9----中碳钢，低碳钢或中碳合金钢12.9----合金钢#8.8和8.8级以上的材料需要经淬火并回火处理#有防蚀或导电要求时采用铜合金以及其它有色金属螺纹紧固件性能等级按机械性能分10级如4.6级螺栓，其强度极限σB

=4×100＝400Mpa，其屈服极限σS

=400×610=240Mpa

5.6

螺栓连接件的材料及许用应力

螺纹连接5.6.2许用应力受拉螺栓联接的许用应力见表5.3(P110)受剪螺栓联接的许用应力见表5.4(P110)

静载荷：许用拉应力许用剪应力许用挤压应力

螺纹连接变载荷：许用应力幅(静载荷、变载荷)(静载荷、变载荷)受剪螺栓受拉螺栓3、受轴向载荷螺栓组————4、受倾覆力矩螺栓组————1)普通螺栓———2)铰制孔螺栓——1)铰制孔螺栓——2)普通螺栓——

螺纹连接螺栓组受力分析2、受转矩螺栓组1、受横向载荷螺栓组小结：螺纹连接挤压强度螺栓联接强度计算公式受剪螺栓联接拉螺栓联接剪切强度紧联接松联接受一=12螺m钢用四个螺栓联接在厚度δ1

=30mm的铸铁架上，螺栓材料为Q235强度等级为4.6，已知载荷F=12KN，板和架的摩擦系数μs

=0.15，可靠系数kf

=1.2，尺寸l=400mm，a=100mm，试求a、b两种方案哪一种合理些；若采用受拉螺

栓联接，取S=2.2，求d1

；若采用受剪螺栓联接，求d0

([τ]=96MPa,铸铁架

[σp1]=180MPa，钢板[σp2]=320MPa)。(a

)(b)

螺纹连接1)在横向力F作用下，各螺栓所受力FS1

=F/z=12000/4=3000

N解：442233112)在旋转力矩T作用下，各螺栓所受力方案a

：

方案b

：

4

3

螺纹连接

142231第25

用

拉

接 查标准取M42，d1

=37.129mm由标准取M12，d0

=13mm2)验算挤压强度验算钢板孔壁挤压强度查各联接件标准，得到hmin

=8mm

螺栓直径

按剪切强度计算用章受剪螺螺纹栓联连接接1)3第.采5

合格

验算铸铁架孔壁强度P=5000N，其作用线与垂直线夹角α=300

，摩擦系数μs

=0.12，可靠

系数kf

=1.2，c1/(c1

+c2)=0.2，采用受拉螺栓连接。若挤压强度足够，

[σ]=160MPa，问选用M16(d1

=13.835mm)普通螺栓，此连接是否可靠？章：如螺图

为接一固定在钢制立柱上的铸铁托架，已知载荷P解第：栓

力 P1＝Psinα＝5000sin30°

＝2500NP2

=Pcosα＝5000cos30°＝4330N1)在轴向力P1作用下，各螺栓所受轴向力为F1

=P1/z=2500/4=625

N2)在倾覆力矩M作用下，上面的螺栓受力较大，其所受载荷为2.单个螺栓所受载荷P1

PP2M

根据不滑移条件可求得F’

M所2P向工作载荷为轴所螺的的螺3)在横向力P2

作用下，底板连接接合面可能产生滑移，

P1F＝F1＋Fmax＝625＋1874＝2499Nm=1，z=4

4)上面每个螺栓所受的总拉力F0

螺纹连接强度满足要求，此连接可靠3.螺栓强度校核5.7

提高螺栓连接强度的措施5.7.1均匀螺纹牙受载原因：螺栓螺母受力性质和材质不同变化的螺距差---螺栓受拉，螺距变大，螺母受压，螺距变小---从第一圈算起受力递减，第一圈螺纹承担约1/3的载荷---8~10圈后螺纹几乎不受力措施：可以采用悬置螺母、内斜螺母、环槽螺母、低弹性模量螺母、钢丝螺套等

螺纹连接内斜螺母上述为均载螺母，加工复杂，只适用于重要或大型联接处。

螺纹连接

内斜螺母

环槽螺母

悬置螺母

螺纹连接5.7.2降低螺栓应力幅措施：减小螺栓刚度或增大被连接件刚度---适当增大螺栓长度---部分减小栓杆直径或中空栓杆(柔性螺栓)---螺母下装弹性元件---不用垫片或用刚度大的垫片；有密封要求时，用密封环

螺纹连接

螺纹连接

减小螺栓刚度的方法柔性螺栓弹性元件

增大被联接件刚度的方法

螺纹连接金属垫片密封环5.7.3减小应力集中减小方法：加大牙根圆角半径、螺纹收尾处用退刀槽、余留螺纹

螺纹连接5.7.4避免或减小附加弯曲应力产生原因:偏载、螺纹力矩措施：提高被联件刚度；不采用钩头螺栓；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等。

螺纹连接

螺纹连接采用环腰采用球面垫圈

改善制造工艺冷镦螺栓头、滚压螺纹疲劳强度较高。滚压螺纹疲劳强度较车削螺纹高30~40%，若热处理后再滚压可提高70%-100%；表面处理氰化、氮化也能提高疲劳强度。

螺纹连接试找出图中螺纹联接结构设计中的错误，a)为普通螺栓联接，b)为螺钉联接，c)为双头螺柱联接，d)为紧定螺钉联接，并就图改正。已知被联接件的材料均为Q235钢，标准联接零件(螺栓、螺母、垫圈等)的尺寸可查手册。

螺纹连接5.8

现代螺纹连接方法简介5.8.1飞机用螺纹连接方法简介

螺纹连接高锁螺栓连接锥形螺栓连接L5.8.2汽车用螺纹连接方法简介

螺纹连接直接拧紧螺纹连接

栓5：

连r

t

n

被联接件的刚度c2

，arctanc2=45°。1)绘制此螺栓联接的力——变形图，并确定螺栓总拉力F0。2)若将螺栓改为,使arctanc1=60°，其他不变，F0=？3)比较上述两种情况，判断哪种密闭性好？注：此题用图解法求解。。已知单个螺栓所受轴向载荷F=500N。已知单个螺栓所受轴向载荷