第5章螺紋連接

1、第五章 螺紋聯(lián)接§51螺紋（一） 螺紋的形成螺旋線動點在一圓柱體的表面上，一邊繞軸線等速旋轉(zhuǎn)，同時沿軸向作等速移動的軌跡。螺紋平面圖形沿螺旋線運動，運動時保持該圖形通過圓柱體的軸線，就得到螺紋。（二） 螺紋的類型及應(yīng)用1、螺紋的分類：按螺紋的牙型分：三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋（如下圖）三角形螺紋 矩形螺紋、 梯形螺紋 鋸齒形螺紋按螺紋的旋向分：左旋、右旋按螺旋線的根數(shù)分：單頭、多頭（不超過4頭）按回轉(zhuǎn)體的內(nèi)外表面分：內(nèi)螺紋、外螺紋（內(nèi)外螺紋組成螺旋副）按螺旋的作用分：聯(lián)接螺紋、傳動螺紋按母體形狀分：圓柱螺紋、圓錐螺紋2、各種螺紋的特點：按螺旋的作用分類來介紹。1）聯(lián)接

2、螺紋：普通三角形螺紋：牙型為等邊三角形，牙型角 =60°，同一公稱直徑下有粗牙及細牙。細牙的p小，小，自鎖性好；但牙淺不耐磨，易滑扣。故：一般聯(lián)接使用粗牙，變載荷、薄壁件用細牙。管螺紋：用于管子聯(lián)接的三角形螺紋，牙型為等邊三角形，牙型角 =55°。根據(jù)其密封性能，可將其分為密封管螺紋和非密封管螺紋。密封管螺紋的螺紋牙分布在圓錐體上，其螺旋副具有密封和機械聯(lián)接兩種功能；非密封管螺的螺紋牙分布在圓柱體上，螺旋副僅具有機械聯(lián)接一種功能。2）傳動螺紋：矩形螺紋：牙型角 =0°，其傳動效率較其它螺紋高，但牙根強度弱，螺旋副磨損后，間隙難以修復(fù)和補償，傳動精度降低。矩形螺紋尚

3、未標準化，已逐漸被梯形螺紋代替。梯形螺紋：牙型角 =30°，內(nèi)外螺紋以錐面貼緊不易松動。與矩形螺紋相比，傳動效率略低，但工藝性好，牙根強度高，對中性好。如用剖分螺母，還可以調(diào)整間隙。梯形螺紋是最常用的傳動螺紋。鋸齒形螺紋：牙型為不等腰梯形，工作面的牙側(cè)角為 3°，非工作面的牙側(cè)角為30°，外螺紋牙根有較大的圓角,以減小應(yīng)力集中。內(nèi)、外螺紋旋合后，大徑處無間隙，便于對中。這種螺紋兼有矩形螺紋傳動效率高、梯形螺紋牙根強度高的特點，但只能用于單向受力的螺紋聯(lián)接或螺旋傳動中，如螺旋壓力機。（三）螺紋主要參數(shù)以三角形外螺紋（圖5-1）為例說明。主要幾何參數(shù)如下：大徑d即螺紋

4、的公稱直徑。如M20d=20mm小徑d1螺紋的最小直徑，常用于聯(lián)接的強度計算。中徑d2齒厚=齒槽寬處直徑，線數(shù)n螺紋的螺旋線數(shù)目。圖5-1螺距P螺紋相鄰兩個牙型上對應(yīng)點間的軸向距離。導(dǎo)程S螺紋上任一點沿同一條螺旋線轉(zhuǎn)一周所移動的軸向距離，S=nP。螺紋升角螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。牙型角螺紋軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。§52螺紋聯(lián)接的類型和標準聯(lián)接件（一）螺紋聯(lián)接的基本類型1、螺栓聯(lián)接1）普通螺栓聯(lián)接：被聯(lián)接件的通孔與普通螺栓的桿部之間留有一定的間隙。通孔的加工精度要求較低，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，應(yīng)用十分廣泛。螺栓孔的直徑大約是螺栓公稱直徑的1.1倍。2）絞制孔

5、螺栓聯(lián)接：鉸制孔用螺栓聯(lián)接（也稱配合螺栓聯(lián)接）的被聯(lián)接件通孔與螺栓的桿部之間多采用基孔制過渡配合，螺栓能精確固定被聯(lián)接件的相對位置，并能承受橫向載荷。這種聯(lián)接對孔的加工精度要求較高，應(yīng)精確鉸制加工而成，聯(lián)接也因此得名。2、雙頭螺柱聯(lián)接使用于結(jié)構(gòu)上不能采用螺栓聯(lián)接的場合，例如，被聯(lián)接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比較軟，且需要經(jīng)常拆卸的場合。3、螺釘聯(lián)接螺釘直接擰入被聯(lián)接件的螺紋孔中，不必用螺母，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。當(dāng)要經(jīng)常拆卸時，易使螺紋孔磨損，導(dǎo)致被聯(lián)接件報廢，故多用于受力不大，不許經(jīng)常拆卸的場合。4、緊定螺釘聯(lián)接緊定螺釘聯(lián)接是利用擰入的螺釘末端頂住另一零件的表面或頂入相應(yīng)的凹坑中，以固定兩個零件

6、的相對位置，并可同時傳遞不太大的力或力矩。(二) 螺紋緊固件機械制造中常用的螺紋聯(lián)接件有：螺栓、雙頭螺栓、螺釘、螺母和墊圈（表5-2）。這些零件的結(jié)構(gòu)和尺寸均已標準化，設(shè)計時根據(jù)有關(guān)標準選用。§53螺紋聯(lián)接的預(yù)緊預(yù)緊力：大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力，用F0表示。預(yù)緊的目的：在于增強聯(lián)接的緊密性，防止受載后出現(xiàn)間隙及滑動。預(yù)緊力大?。翰粦?yīng)超過其材料屈服極限的80%，一般聯(lián)接的預(yù)緊力：(碳素鋼螺栓)(合金鋼螺栓)預(yù)緊力矩：T=T1+T2T1螺紋副間的摩擦力矩：T2螺母支承面間的摩擦阻力矩：螺紋導(dǎo)程角，V螺旋副的當(dāng)量摩

7、擦角，fc端面摩擦系數(shù)，d0螺栓孔直徑，D0螺母環(huán)形支撐面外徑。將一些已知條件代入，整理后的簡化公式：T0.2F0d（d螺紋公稱直徑）控制預(yù)緊力矩的方法：TF0拉斷、滑扣；T不能滿足工作要求，故需控制T的大小。方法如下：一般情況憑經(jīng)驗，擰緊即可；測力矩扳手；定力矩扳手；測量螺栓伸長量。§54螺紋聯(lián)接的防松松動原因：螺紋聯(lián)接一般都能滿足自鎖條件，但在振動或變載荷作用下，螺紋聯(lián)接中的預(yù)緊力和摩擦力會減小或瞬時消失，導(dǎo)致聯(lián)接失效。為保證聯(lián)接安全可靠，設(shè)計時必須采取有效的防松措施。放松方法：按放松原理不同，分為三類：1) 摩擦放松如彈簧墊圈、對頂螺母等；2) 機械放松（直接鎖?。┤玳_口銷、槽

8、形螺母等。3) 破壞螺紋副關(guān)系（不可拆卸）如膠接、焊接等§5-5螺栓聯(lián)接的強度計算螺栓聯(lián)接中，螺栓、螺母、墊片均按等強度設(shè)計，故只要保證螺栓強度即可。螺栓的失效形式：受拉螺栓：主要是疲勞斷裂（90%），斷裂位置發(fā)生在尺寸有突變的地方（螺紋根部85%，螺桿頭與光桿部15%）。受剪螺栓：剪斷，壓潰 螺栓組的強度計算：通過受力分析找到受力最大的螺栓，然后再按下面介紹的方法進行強度計算。 （一）松螺栓聯(lián)接強度計算 例如起重滑輪螺栓，僅受軸向工作拉力F作用。強度條件：FFF0F0F0F0d1危險截面計算直徑；螺栓材料的許用應(yīng)力， （二）緊螺栓聯(lián)接強度計算1、只受預(yù)緊力F0的緊螺栓聯(lián)接只受預(yù)緊力

9、的情況：以圖5-15的螺栓聯(lián)接為研究對象。這種情況，工作載荷施加前后螺栓的受力不改變，仍然是預(yù)緊力。強度條件：螺栓受軸向力（預(yù)緊力F0）和擰緊力矩，產(chǎn)生軸向拉伸應(yīng)力和剪應(yīng)力。 其中拉應(yīng)力：圖5-15剪應(yīng)力：（M10M64普通螺紋鋼制螺栓, , ，）根據(jù)第四強度理論得到的計算應(yīng)力為：于是，只受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接的強度條件為：（5-14a） 螺栓小徑為：（5-14b）預(yù)緊力的確定：在圖5-15的情況下，F(xiàn)0的大小應(yīng)能保證板不滑移：或（5-14c） 式中：f為接觸面的摩擦系數(shù)(f=0.10.15)，C為可靠性系數(shù)（C=1.11.3）討論：由5-14c，當(dāng)f=0.1，C=1.2時，F(xiàn)0=12F，這表明

10、需要很大的預(yù)緊力，這將導(dǎo)致螺栓尺寸很大。為此采取下列措施減載：如圖514的減載零件，或采用鉸制孔螺栓（即受剪螺栓）。pFDF2、受預(yù)緊力F0和工作載荷F的緊螺栓聯(lián)接 受預(yù)緊力F0和工作載荷F的情況：典型的受力模型如圖5-24。1） 靜強度計算靜強度條件：設(shè)流體壓強為p，螺栓數(shù)目為Z，則缸體周圍每個螺栓的平均載荷,即工作載荷為：圖5-24設(shè)螺栓受到的總拉力為F2（F0+F），同理，考慮扭轉(zhuǎn)作用，強度條件為： （5-19）螺栓小徑為： （5-20）螺栓總拉力F2的確定： 圖5-15為螺栓受工作載荷作用前后變形與受力情況。受力三階段：a、螺母剛好擰到被連接件接觸；b、施加預(yù)緊力F0后：螺栓伸長，被連

11、接件被壓縮；b、工作拉力F2作用后：螺栓進一步伸長，被連接件被放松。結(jié)論：螺栓總拉力等于工作載荷與殘余預(yù)緊力之和。即 F2 =F1+F上述過程還可通過受力變形圖表示（圖5-16）。a b c圖5-15FbFma b c圖5-16由圖5-15a、b：，（為螺栓及被聯(lián)接件剛度）由圖5-15c： 或者： 其中：為螺栓的相對剛度，為被聯(lián)接件的相對剛度。討論：1）為螺栓的相對剛度，其取值范圍為01；2）由，當(dāng)螺栓的相對剛度大（對應(yīng)于Cb大，Cm?。?，工作載荷作用后，螺栓總拉力增加較大；反之，螺栓總拉力增加很少。所以，應(yīng)使螺栓的相對剛度盡量小些。3）F1的確定：F1>0，即不能出現(xiàn)縫隙。F1具體取值

12、按聯(lián)接時載荷的大小，聯(lián)接重要性等要求確定。有密封性要求的聯(lián)接： F1（1.51.8）F一般聯(lián)接：工作載荷F穩(wěn)定時： F1（0.20.6）F 工作載荷F不穩(wěn)定： F1（0.61）F 地腳螺栓： F1>F其他情況：如有滑動趨勢的接合面，要按不滑動條件確定2）疲勞強度校核：對重要的聯(lián)接，如內(nèi)燃機的汽缸蓋，還應(yīng)作疲勞強度校核。F0F2對變載荷，當(dāng)工作拉力在0F 之間變化時，螺栓的總拉力將在F0F2之間變化，如圖517。，；圖517 疲勞強度校核條件：（各符號含義見教科書）3、承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接圖5-18示為受剪螺栓（即鉸制孔螺栓），螺栓桿與孔壁間無間隙，螺栓桿受剪切和擠壓作用，失效形式為剪

13、斷和壓潰。圖518擠壓強度條件：剪切強度條件：式中：F螺栓所受的工作剪（N）；d0螺栓剪切面的直徑（可取螺栓孔直徑，mm）；Lmin螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度（mm），設(shè)計時應(yīng)使Lmin1.25d0。§56螺栓組聯(lián)接的設(shè)計 主要解決螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計及受力分析問題。（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則：1）為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證聯(lián)接結(jié)合面受力均勻，通常聯(lián)接結(jié)合面的幾何形狀都設(shè)計成:軸對稱的簡單幾何形狀。2）螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理：（1）對于鉸制孔用螺栓聯(lián)接，不要在平衡于工作載荷的方向上成排地布置個以上的螺栓，以免載荷分布過于不均；（2）當(dāng)螺栓聯(lián)接彎距或轉(zhuǎn)距時，應(yīng)使螺栓的位置

14、適當(dāng)靠近聯(lián)接接合面的邊緣，以減少螺栓的受力。（3）當(dāng)同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷時，采用抗剪零件來承受橫向載荷。3）螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距，以保證扳手空間。4）為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成:2、4、6等偶數(shù)。同一螺栓組中的螺栓的材料、直徑、長度應(yīng)相同。5）避免螺栓承受附加的彎曲載荷。（二）螺栓組的受力分析假設(shè)：a) 所有螺栓的材料、直徑、長度和預(yù)緊力均相同；b) 螺栓組的對稱中心與聯(lián)接接合面的形心重合；c) 受載后聯(lián)接接合面仍保持為平面。四種典型受載情況的受力分析：圖5-221、受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接（1）普通螺栓聯(lián)接（5-22a）：按預(yù)緊

15、后接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷的要求，有： Z為螺栓數(shù)目，i為接合面數(shù)目（2）鉸制孔用螺栓聯(lián)接（5-22b）：每個螺栓所受工作剪力為：2、受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接 （1）普通螺栓聯(lián)接（5-23a）：靠聯(lián)接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩T。（2）鉸制孔用螺栓聯(lián)接（5-23b）：圖5-23靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用來抵抗轉(zhuǎn)矩T。半徑越大受力越大：力的平衡條件：受力最大螺栓的工作剪力：3、受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接圖5-24若作用在螺栓組上軸向總載荷F，作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，則各個螺栓受載相同，每個螺栓所受軸向工作載荷為：4.、受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)

16、接受傾覆力矩作用的兩個階段：（1）底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已擰緊并承受預(yù)緊力F0（圖5-25a）；（2）傾覆力矩M 作用在底板接合面的對稱面內(nèi)（圖5-25b），使其繞O-O傾轉(zhuǎn)一個角度，從而在O-O左側(cè)，螺栓被進一步拉伸，地基被放松；在O-O右側(cè)，螺栓被進放松，地基被進一步壓縮。將此刻左右螺栓作用在底板的力標在圖5-25c的底板上方，地基的應(yīng)力標在底板下方。 a b c d圖5-25二個階段的受力分析：可借助受力變形圖（圖5-26）。（1）底板在承受傾覆力矩之前，螺栓和地基均受預(yù)緊力F0，工作點在A點；（2）傾覆力矩M 作用后：左側(cè)：螺栓被進一步拉伸，工作點在B1點，載荷為F2；地基被放松

17、，工作點在C1點，載荷為F1； 右側(cè)：螺栓被放松，工作點在B2點，載荷為F2m；圖5-26地基被進一步壓緊，工作點在C2點，載荷為F1m；螺栓的強度計算：顯然應(yīng)按左邊來計算。由前推導(dǎo)：， 故須先求出螺栓的工作載荷F。由于有多個螺栓，應(yīng)求最大的。設(shè)Fmax及Fi分別是M作用后螺栓的最大工作載荷及第i顆螺栓的工作載荷。因螺栓處的工作載荷等效于M作用效果，從而可求出工作載荷：（5-30a）由于螺栓受力與距O-O的距離（圖5-25d）成正比，故：（5-30b）聯(lián)立5-30a、b得：。從而可求出最大螺栓拉力F2max，作為強度計算的依據(jù)。地基的校核：為防止結(jié)合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求

18、：其中：，代表預(yù)緊力產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力；，代表M產(chǎn)生的附加擠壓應(yīng)力之最大值。§57螺紋聯(lián)接的材料及許用應(yīng)力（一）螺紋聯(lián)接件材料常用的螺紋聯(lián)接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。當(dāng)強度要求高時，還可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。普通墊片用Q235，15鋼，彈簧墊片用65Mn鋼。國家標準規(guī)定了螺紋聯(lián)接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃?0級，從3.6到12.9（表58），螺母的性能等級分為 7級，從4到12（表59）。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壍暮x：小數(shù)點前的數(shù)等于B/100, 小數(shù)點后的數(shù)等于10S/B。在一般用途的設(shè)計中，通常選用4.8級左右的螺栓，在重要的或有特殊要求設(shè)計中的螺紋聯(lián)接件，要選用高的性能等級，如在壓力容器中常采用8.8級的螺栓。（二