螺纹联接的基础知识

螺纹联接的基础知识

螺纹联接因其构造简单，拆装方便，都已标准化，批量生产，成

本低廉，联接可靠，有足够的强度、刚度和自锁性，广泛用于各种金

属结构和机构中。

1、螺纹及螺纹联接的主要参数

螺纹的外表面是圆柱螺旋线。圆柱螺旋线是沿着圆柱表面运动的点的

轨迹，该点的轴向位移a与相应的角位移a成正匕，在圆柱表面上，

沿着螺旋线所形成的连续凸起和沟槽称为螺纹。

螺纹由外螺纹和内螺纹组成，按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹和圆

锥螺纹。根据牙型可分为三角螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺

纹。三角形螺纹用于联接，后三种螺纹用于传动。

螺纹的主要参数有：

①线数：如果有两个以上的动点，同时在同一个圆柱面上作同样的

螺旋运动，且轴向为等距分布时，则形成多线螺旋线。螺旋线的条数

称为螺纹的线数，用n表示。

②旋向：点沿圆柱表面运动的角位移方向和轴向位移方向不同，螺

旋线有右旋和左旋之分，螺钉顺时针旋入的称为右旋螺纹，逆时针旋

入的称左旋螺纹，常用大多数螺纹都是右旋的。

③牙型角牙型半角Q/2：在螺纹牙型上，连接牙顶和牙底的侧

表面称为牙侧，相邻牙侧间的夹角a叫牙型角。牙侧与螺纹轴线的垂

线的夹角a/2叫牙型半角。

④外径（大径）d：与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱

面的直径叫螺纹外径（或大径），亦称公称直径。

⑤内径（小径）dl：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱

面的直径叫螺纹内径（或小径）。

@中径d2：指一个假想的中径圆柱的直径，该圆的母线通过牙型上

沟槽和凸起宽度相等的地方。

⑦螺距P:相邻两牙在中线上对应相点间的轴向距离。

⑧导程S:同一条螺旋线上相邻两牙在中线上对应两点间的轴向距

离，S=nP,对单线螺纹而言，因n=l,所以S二P。

⑨螺旋升角在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的

平面的夹角。

nP

所蕨

用于联接的螺纹主要有：普通螺纹与管螺纹。普通螺纹牙型角60°,

以外径d为公称直径。同一公称直径可有多种螺距的螺纹。其中最大

螺距的螺纹叫粗牙螺纹，其余的都叫细牙螺纹。一般联接常用粗牙螺

纹，据公称直径查标准选用。细牙螺纹升角小，自锁性好。细牙螺纹

比粗牙螺纹钉杆强度高，但不耐磨，易滑扣，多用于薄壁零件。

管螺纹有牙型角55。的英制细牙螺纹，公称直径为管子内径，还有圆

锥管螺纹，牙型角有55。和60。两种，不同填料即可保证联接紧密性。

2、螺纹联接的主要型式，标准联接零件

螺纹联接的主要型式有：

①螺栓联接：当被联接件不太厚时，用普通螺栓贯穿两个（或多个）

被联接的孔，再拧紧螺母，此种应用最广。

②螺钉联接，如被联接之一较厚，即可采用螺钉联接。螺钉拧入深

度与螺钉及被联接件的材料有关，按等强度条件决定的最小拧入深度

可查有关手册。此种联接不适于经常拆卸的联接，经常拆卸可使螺孔

磨损导致修理困难及被联接件的报废。

③双头螺柱联接：用于被联接件之一较厚而又经常拆装的场合。拆

装时只需卸下螺母，不必拧出螺柱。

设计时注意双头螺柱必须紧固。在拧松螺母时，保证螺柱在螺孔中不

得转动。

双头螺柱联接常用的紧固方式如下页图所示：

其中：

(a)利用过盈配合螺纹，拧入螺纹孔，构成旋合会长横向收紧；

(b)利用螺纹收尾部分(不完全螺纹)挤入螺纹孔构成局部横向收紧;

(c)利用挡环端面抵紧螺纹孔，并使螺柱轴向定位；

(d)利用螺柱顶部结构，抵紧螺纹孔底面，构成轴向固紧。

④紧定螺钉联接：将钉拧入一个零件的螺纹孔，使钉的末端顶住另一

零件表面或顶入相应的坑穴。它主要用于固定两零件的相互位置，不

宜传递很大的力或力矩。

螺纹联接用标准联接件主要有以下六种：

①螺栓：按加工精度不同分为粗制螺柱和精制螺栓两种。螺栓头部常

用的有标准六角头，小六角头、方头...。

②双头螺柱：两端均制有螺纹，共拧入机体端的螺纹长度为LI,L1

的大小与被联接件的材料有关，当钢对钢连接时，Ll=d,当钢对铸铁

联接时Ll=l.25d和Ll=l.5d,当钢对铝合金时Ll=2do

③螺钉：结构形状与螺栓类似，但螺钉头部形式较多，其中内、外

六角头可施加较大的拧紧力矩。圆头和十字头都不便施加较大力矩，

所以选用的直径不要过大，一般不超过10mm。

④紧定螺钉：其头部和尾部的形式很多，常用尾部形状有锥端，平

端和圆柱端，一般要求尾端要有足够的硬度。

⑤螺母：常用六角螺母，亦有粗制和精制之分。按其高度不同分为

标准螺母，扁螺母及厚螺母。如要求减轻重量且不常拆卸可用扁螺母,

常拆卸时用厚螺母。

⑥垫圈：常用的附件，放在螺母与被联接件之间，可以保护支撑面或

防止螺母松脱(弹簧垫圈等)。

3、螺纹紧固件的强度级别

国家标准规定：螺纹紧固件按其材料机械性能分级，强度级别由数字

表示：螺栓用两个数字表示，小数点前的数字为材料的抗拉强度。

Bmin/100,小数点后的数字为10X,两个数字相乘的10倍即为材料的

最低屈服极限。Sniin(MPa)o螺母用一个数字表示，为。为防止螺纹

副咬死和减少磨损，应使螺母的材料级别比螺栓材料的级别低。

100

4、螺纹联接的预紧与防松

按螺纹联接装配时是否拧紧，分为松联接和紧联接。固定滑轮的联接

螺栓就是松联接的典型例子，这种螺栓只有在承受外载荷时才受到力

的作用。

实际应用中，绝大多数联接在装配时就需要拧紧，此时螺栓所受的力

叫预紧力。预紧可增加联接刚度，紧密性和提高防松能力。

联接螺纹标准件都能满足自锁条件。螺母或钉头与被联接件支撑面间

的磨擦力也有助于防止螺母松脱。但是，如果温度变化大或承受冲击

荷载，或振动都会使螺母逐渐松脱，设计时必须按工作条件及可靠性

要求，结构特点考虑设置防松装置。这种防松装置一般可分为三类：

①利用磨擦力防松，弹簧垫圈是结构简单、使用方便的防松零件，

但因弹力不均而不十分可靠。还可用双螺母防松。还可用锁紧螺母防

松。锁紧螺母上端开口后径向收口，拧紧后张开，靠螺母弹性锁紧，

简单可靠，可多次拆装，用于较重要场合。

锁紧媒母

②利用联接件的形状防松

利用附加联接件的形状，或改变螺纹副的形状使螺纹副不能相对转动。

其作法有:

2六角槽螺母：设置开口销，安装时在螺杆末端钻孔（指开口销）可

用于承受冲击线载荷变化较大的联接。

2单耳止动圈：将其一边弯起贴在螺母侧面上，另一边弯下贴在被联

接件的侧壁上，防松可靠。

III轲士小曲

2三联止动垫圈：将三个螺母拧紧后把垫圈的两边分别扳起贴在三个

螺母的侧面上，使三个螺母彼此制约。

2串联钢丝：用于螺钉数目不多且排列较密的联接，注意钢丝穿联方

向，图中右图方向合理，防松效果，但安装费时。

2端面冲点：属于永久止动，用于不拟拆卸的螺纹联接。

③利用附加材料防松，如将螺母焊在钉杆上，侧面焊死，或用粘合

剂涂在螺纹表面，不仅防松还可密封。

5、螺栓组结构设计应考虑的因素

①从加工看，联接接合面的几何形状应尽量简亘，常使螺栓组的形

心与联接面的形心相重合。最好有两个对称轴，加工计算都方便。通

常采用条状或环状接合面，减少加工量和接合面不平的影响，同时增

加联接刚度。

②受力矩作用的螺栓组，螺栓布置尽量远离对称轴，同一圆周上螺

栓数目应采用4,6,8,12……便于划线和分度。

③螺栓受力要合理，对受横向载荷的普通螺栓可采用减荷装置。或

改用较制孔螺栓，尽量避免螺栓受附加弯曲载荷〔如支承面不平，螺

母孔不正，被联接件刚度小，联接机体孔偏斜等）。

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④装配时使每个螺栓的预紧力一样，使接合面产生均布压力。因此

相邻螺栓的中心距t一般应小于10d。对有紧密性要求的联接，要按有

关规定设计t值。t值大小还要考虑扳手的活动空间，因此t值也不能

太小。

6、螺栓组受力情况

①受横向载荷的螺栓组联接：包括螺栓组连接、普通螺栓联接和较

制孔用螺栓联接。

对普通螺栓联接，螺栓预紧后在结合面间产生压紧力，靠磨擦力抵抗

横向外载荷。

对较制孔用螺栓联接，在横向外载荷作用下，螺栓杆承受剪切和挤压。

②对受旋转力矩的螺栓组联接，其受力情况与横向载荷基本相同。

③受轴向载荷的螺栓组联接：多螺栓受力均匀，其轴线相同，设想

螺栓均布，每个螺栓受外载荷相同。

④受翻转力矩的螺栓组：翻转趋势与M转向相同。当M作用后0~0

左侧的螺栓被拉紧，轴向拉力增大，右侧的螺栓被放松，螺栓的预紧

力QP减小。

图（b）为在预紧力作用下，接合面间的挤压应力分布图。

图（c）为翻转力矩作用下，接合面间的挤压应力分布图。

图（d）为不考虑受载螺栓预紧力变化时，翻转力矩产生应力与预紧力

合成后，挤压应力的分布图。由图看出，接合面左边缘挤压应力最小,

右边缘挤压应力最大。

螺栓联接设计时，不论其受什么样外载荷，均先求出螺栓组受的总合

力，然后再进行单个螺栓的强度计算。

7、提高螺栓联接强度的措施

①改善螺纹牙间载荷分配不均现象

从刚度变形来分析，在力的传递过程中，螺栓受拉，螺距增大，而螺

母受压螺距减小，两者螺距的变化差要靠旋合螺纹的弯剪变形来协调

补偿。研究情况表明，从螺母支承面算起第一圈纹牙变形最大，第二

圈次之，以后递减，因此采用圈数过多的螺母并不能提高联接强度。

为改善螺纹牙上载荷分布的不利情况，常采用的方法有：

2设悬置螺母，使母体和螺栓都受拉，减少螺距变化差，使螺纹牙上

载荷分布均匀。

2用内斜螺母，螺母旋入端制成10。〜15。的内斜角，原受力大的下面

几圈螺纹牙受力点外移，刚性随之减小，载荷上移，使载荷分布趋于

均匀。

2环槽螺母，螺母开割凹槽，造成螺母部分受拉，作用同设悬置螺母。

悬置媒母

申

内斜骞母

送

环梅典等

这些措施加工复杂，只适用于重要场合。

②减少螺栓应力幅

受交变载荷的螺栓联接来说，增加螺栓长度、减小螺杆横截面积或减

小螺杆材料的弹性横量E都可降低螺杆刚度，如采用柔性螺栓。

减少应力集中，在螺栓的螺纹牙上、螺纹收尾处、过渡圆角处、杆截

面变化处都有应力集中。其中螺纹牙根的应力集中影响很大，可增大

牙根的圆角半径，如将厂0.1443P增为厂0.21p,螺栓联接强度可提高

24^40%o此外加大钉头钉杆过渡圆角，切制卸载槽及采用卸载过渡，

螺纹收尾退力槽等均可减少集中应力。

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这些措施的缺点是增加了成本，只在重要联接时使用。

④避免附加应力

如支撑面不平、螺母孔不正、被联接件打孔不在一条直线上，被