1、第二部分第二部分 机械连接机械连接螺纹连接赵玉奇教授2019年5月18日螺纹连接螺纹连接第一节 概 述第二节 螺纹连接第一节第一节 概概 述述一、螺纹的形成 螺旋线形成:将一直角三角形绕在直径为d的圆柱体表面上，使三角形底边d与圆柱体的底边重合，则三角形的斜边在圆柱体表面形成一条螺旋线。螺纹升角:三角形的斜边与底边的夹角。螺纹的形成: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，则这个平面图形在空间形成一个螺旋形体，称为螺纹。图1 螺纹形成图（1）大径d螺纹的最大直径，它是与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径。标准中定为螺纹的公称直径。（2）小径d1螺纹的最小直径，
2、它是与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱面的直径。一般作为外螺纹强度计算危险截面的直径。二、螺纹的主要参数图2 圆柱螺纹的主要参数（3）中径d2在轴向剖面内，螺纹牙的厚度与牙间宽度相等处的圆柱的直径。（4）螺距P相邻两螺纹牙上对应两点间的轴向距离。（5）导程Ph同一条螺纹线上相邻两螺纹牙上对应两点之间的轴向距离。单线螺纹PPh；多线螺纹PhnP。（6）螺纹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间的夹角。参照图2，其计算公式为：（7）牙型角在轴向剖面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角。螺纹分类根据螺旋线绕行的方向，右旋螺纹、左旋螺纹。常用右旋螺
3、纹，特殊情况才采用左旋螺纹。图3 螺纹的旋向（b）右旋（a）左旋按螺纹的线数（头数），可分为单线螺纹、双线螺纹、多线螺纹。双线螺纹有两条螺旋线，线头相隔180，多线螺纹由于加工制造的原因,线数一般不超过4。（a）单线（b）双线图4 螺纹的导程、螺距和线数 螺纹分布在圆柱体的外表面称为外螺纹（阳螺纹），螺纹分布在圆柱体的内表面称为内螺纹（阴螺纹）。在圆锥外表面（或内表面）上的螺纹称为圆锥外螺纹（或圆锥内螺纹）。想一想:观察你周围物体上的螺纹，说明其旋向、线数。螺纹类型螺纹类型 牙形图牙形图螺纹类型螺纹类型牙形图牙形图连接螺纹普通螺纹传动螺纹矩形螺纹非螺纹密封的管螺纹梯形螺纹螺纹密封的管螺纹锯齿形
4、螺纹三、几种常用螺纹的特点和应用 螺纹是螺纹联接和螺旋传动的关键部分，现将几种常用螺纹的应用分述如下：表1 常用螺纹的形状、特点和应用螺纹类型螺纹类型 牙形图牙形图特点和应用特点和应用 连接螺纹普通螺纹公制三角形螺纹：牙型角 60。三角形螺纹的当量摩擦系数大，自锁性能好，螺纹牙根部较厚，牙根强度高，广泛应用于各种坚固联接。非螺纹密封的管螺纹牙形为等腰三角形，管螺纹牙型角=55，牙顶有较大的圆角，管螺纹为英制细牙螺纹，以管子的内径（英寸）表示尺寸代号，以每25.4mm内的牙数表示螺距。本身不具有密封性，如果要求联接后具有密封性时，可在密封面间添加密封物。螺纹密封的管螺纹牙形为等腰三角形，牙型角=
5、55，牙顶有较大的圆角，其外螺纹分布在锥度1：16（=14724）的圆锥管壁上。螺纹旋合后，利用本身的变形能够保证连接的紧密性，不需要任何填料，密封简单。适用于管子、管接头、阀门、旋塞等连接。续表螺纹类型螺纹类型 牙形图牙形图特点和应用特点和应用 传动螺纹矩形螺纹牙型为正方形，牙型角=0。其传动效率最高；但牙根强度弱，精加工困难，螺纹牙磨损后难以补偿，传动精度降低，故应用较少。矩形螺纹未标准化，已逐渐被梯形螺纹所替代。梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙型角=30。其效率虽较矩形螺纹低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。梯形螺纹广泛用于车床丝杠，螺旋举重器等各种传动螺旋中。锯齿形螺纹锯齿形螺纹工作面的牙
6、型斜角=3，非工作面的牙型斜角为30，它兼有矩形螺纹和梯形螺纹的效率与牙根强度高的优点，但只能用于承受单方向的轴向载荷传动中。续表粗牙螺纹与细牙螺纹比较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，其余都称为细牙螺纹。细牙螺纹的螺距P小且中径d2及小径d1均较粗牙螺纹的大，故细牙螺纹的升角小，自锁性能好，但牙的工作高度小，不耐磨、易滑扣，适用于薄壁零件、受振动或变载荷的场合，还可用于微调机构中。(a)粗牙螺纹 (b)细牙螺纹 (c)细牙螺纹图5 细牙螺纹与粗牙螺纹的比较公称公称尺寸尺寸螺距螺距中径中径小径小径12粗牙1.7510.86310.106细牙1.511.02610.3761
7、.2511.18810.647111.35010.91718粗牙2.516.37615.294细牙216.70115.8351.517.02616.376117.35016.91724粗牙322.05120.752细牙222.70121.8351.523.02622.376123.35022.917表2 普通螺纹的基本参数（节选）各种螺纹的当量摩擦因数fv有如下关系：可见，三角螺纹fv大，自锁性能好，且牙根强度高，故常用于联接。梯形、锯齿形及矩形螺纹fv小，故效率高，多用于传动。而梯形螺纹牙根强度高、对中性好，比矩形螺纹容易制作，当采用剖分螺母时还可以消除因螺纹牙相互磨损而产生的间隙，在螺旋传
8、动中应用广泛。一、螺纹联接的基本类型螺栓连接、双头螺栓柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接。第第二二节节 螺纹连接螺纹连接表3 常用螺纹连接的类型、特点和应用类型类型构造构造特点和应用特点和应用普通螺栓连接被连接件的通孔与螺栓杆间有间隙，通孔加工精度低。螺栓穿过被连接件的通孔，与螺母组合使用，装拆方便，成本低，不受被连接件的材料限制。广泛应用于被连接件厚度不大，能从两边进行安装的场合。普通螺栓连接的螺栓杆受拉伸。类型类型构造构造特点和应用特点和应用绞制孔螺栓连接螺栓穿过被连接件的铰制孔并与之过渡配合，孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合（H7/m6/或H7/n6），与螺母组合使用，应用于传递横向载荷或需要
9、精确确定被连接件的相互位置的场合。绞制孔螺栓的栓杆受剪切。双头螺栓柱连接双头螺柱的一端旋入较厚被连接件的螺纹孔中并固定，另一端穿过较薄被连接件的光孔，与螺母组合使用。适用于被连接件之一较厚而不宜制成通孔又需经常拆卸的场合。续表类型类型构造构造特点和应用特点和应用螺钉连接螺钉穿过较薄被连接件的光孔，直接旋入较厚被连接件的螺纹孔中，不用螺母，结构紧凑。适用于被连接件之一较厚，受力不大，多用于不需经常拆卸的场合。紧定螺钉连接紧定螺钉旋入被连接零件的螺纹孔中，并以其末端顶住另一零件的表面或嵌入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并传递不大的力或扭矩。续表二、标准螺纹连接件1螺栓 螺栓的类型很多，以
10、六角头螺栓应用最广。按头部大小分为标准六角头螺栓小六角头螺栓两种，后者重量轻但不宜用于被连接件抗压强度低和经常拆卸的场所。图6 六角头螺栓2双头螺栓 双头螺栓（图7）两端部都有螺纹，旋入被连接件螺纹孔的一端被称为座端（图中bm为底端长度），另一端为螺母入端（图中b为螺母旋入端长度）。图7 双头螺栓3连接用螺钉 连接用螺钉的结构与螺栓大体相同，但头部形状较多（图8），以适应不同的装配要求。图8 连接用螺钉4紧定螺钉为了满足不同的工作要求，紧定螺钉的头部和末端有多种结构形式，如图9所示。图9 连接用螺钉5 螺母与垫圈 螺母的形状有六角形、圆形、方形等。在螺母与被链接零件间通常装有垫圈，主要用以保护
11、被联接零件表面在拧紧螺母时不被擦伤。同时，还可增大其接触面积，减少比压，有些垫圈还具有防松作用。图10 螺母与垫圈想一想:自行车、手表中使用了哪些螺纹连接？属于什么形式？三、螺纹联接的预紧和防松1螺纹联接的预紧 大多数螺纹连接件在装配时要拧紧，这种连接称为紧连接，这种装配过程称为预紧。预紧可以提高连接的刚度，紧密性和防松能力。当螺栓联接受螺栓拧紧力矩T时，被联接零件间产生预紧压力Fo，而螺栓则受到预紧拉力Fo，此Fo称为螺栓的预紧力。图11 拧紧螺母时的预紧力 拧紧力矩T、螺旋副中的阻力矩T和螺母与支承表面间的摩擦阻力矩Tf关系:T=T+Tf 预紧力Fo即为螺旋副中轴向力，对于M10M68的粗
12、牙螺纹，拧紧力矩T与预紧力Fo的关系:T0.2Fod10-3 式中：T的单位为Nm，d的单位为mm。如在气缸盖螺栓联接中，预紧力过小时，在工作过程中，缸盖和缸体间可能出现间隙而漏气。当预紧力过大时，又可能使螺栓拉断。装配时，可采用测力矩扳手来控制T、也可测量拧紧后螺栓的伸长量，以此来控制预紧力Fo。在比较重要的联接中，若不能严格控制预紧力的大小，而只依靠安装经验来拧紧螺栓时，为避免螺栓拉断，一般常用M12M24以上的螺栓。图12 测力矩扳手 对于铸造、锻造、焊接、型钢等粗糙不平零件表面，（图13）应在螺纹孔端面加工成凸台、沉头座或采用球面垫圈；支承面倾斜时采用斜面垫圈。这样可使螺栓轴线垂直于支
13、承面，避免承受偏心载荷，降低螺栓承载能力。图13 （a）凸台 （b）沉头孔 （c）斜面垫圈（d）球面垫圈 大多数机器的螺纹连接件都是成组使用。连接结合面的几何形状通常设计成轴对称的简单几何形状，保证连接结合面受力比较均匀。在装配时，按对称的原则，分几次（通常为23次）逐步拧紧；在拆卸时也要按照对称、分次原则拆卸。图142螺纹联接的防松 单线三角形螺纹，螺纹升角小于当量摩擦角，满足自锁条件。在静载荷作用下，螺纹联接不会自动松脱。在冲击、振动、变载荷作用下，或温度变化很大时，螺纹联接常常失去自锁能力，产生自动松脱现象，影响机器正常工作，甚至造成严重事故。机器中的螺纹联接皆采取可靠的防松措施。防松的
14、根本问题就是防止螺螺纹连接件的相对转动。防松的方法：摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副防松。（1）摩擦防松对顶螺母 此种方法多用于低速，载荷平稳的连接。自锁螺母弹簧垫圈 垫圈弹性反力，螺纹间的摩擦阻力，从而防止螺母松动。图15 摩擦防松(a)对顶螺母(c)弹簧垫圈(b)锥圆口自锁螺母（2）机械防松 机械防松是利用附加机械装置，约束螺母与螺栓之间的相对转动，因而防松可靠，应用很广。图16 机械防松(a)开口销与槽形螺母(d)串联金属丝(c)圆螺母用带翅垫片(b)止动垫片（3）破坏螺旋副防松 在螺纹连接件拧紧后，通过端铆、冲点、焊接等措施，使螺纹连接件不可拆卸。装配前，在螺纹连接件上涂以液体胶粘剂，拧
15、紧螺母后，胶粘剂硬化、固着、防止螺旋副的相对转动。方法简单可靠，适用于装配后不再拆卸的场合。图17 破坏螺旋副防松（a）端铆（d）胶接（c）焊接（b）冲点五、螺纹联接件的常用材料 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。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，可采用特殊钢、铜合金、铝合金等材料制造。螺母的材料，考虑到经济、方便，螺母材料的强度低于螺栓材料的强度。普通垫圈的材料推荐采用Q235、15、35；弹簧垫圈用
16、65Mn刚制造，并经热处理和表面处理。六、螺栓联接的受力分析表4 螺栓连接的受力分析与强度准则 螺栓的类别螺栓的类别螺栓及螺栓组螺栓及螺栓组承受载荷典型图例承受载荷典型图例单个螺栓载荷计算单个螺栓载荷计算受拉螺栓松螺栓连接轴向载荷Q螺栓只受轴向拉力Q。续表螺栓的类别螺栓的类别螺栓及螺栓组螺栓及螺栓组承受载荷典型图例承受载荷典型图例单个螺栓载荷计算单个螺栓载荷计算受拉螺栓紧螺栓连接螺栓只受预紧力作用横向载荷R螺栓只受预紧力Qp。扭转力矩T螺栓只受预紧力Qp。续表螺栓的类别螺栓的类别螺栓及螺栓组螺栓及螺栓组承受载荷典型图例承受载荷典型图例单个螺栓载荷计算单个螺栓载荷计算受拉螺栓紧螺栓连接螺栓受预紧
17、力和工作载荷作用轴向载荷F螺栓受预紧力、汽缸工作压力的综合作用。翻转力矩M螺栓受预紧力、翻转力矩的综合作用。续表螺栓的类别螺栓的类别螺栓及螺栓组螺栓及螺栓组承受载荷典型图例承受载荷典型图例单个螺栓载荷计算单个螺栓载荷计算受剪螺栓横向载荷R螺栓受剪切力作用。扭转力矩T螺栓受剪切力作用。八、提高螺纹连接强度的措施1降低影响螺栓疲劳的应力幅减小螺栓刚度或增大被连接件刚度。减少螺栓的刚度，可以适当加长螺栓，腰状杆螺栓或空心螺栓。在螺母下面安装弹件元件，其效果相似。图18 腰状杆螺栓与空心螺栓图19 弹性元件为了增大被联接件的刚度。不宜用软的垫片。可以用刚度较大的金属垫片或密封环为佳。（a）软垫片密封（
18、b）密封环密封图20 气缸密封元件2改善螺纹牙间载荷的不均匀分布 靠近支撑面的第一圈螺纹牙受载最大，此处最易发生疲劳断裂。以后各圈螺纹上的受力递减分布。采用加厚螺母，并不能提高连接强度。图21 旋合螺纹间的变形与载荷分布（a）螺纹牙受力和变形（b）螺纹牙受力分配为了改善这种受力不均的程度，常采用悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母、或采用钢丝螺母套等改善措施。图22 均载荷螺母结构（a）悬置螺母（d）兼有环槽螺母和内斜螺母（c）内斜螺母（b）环槽螺母 图23 钢丝螺套3减小应力集中、附加应力的影响 增大过渡圆角处的圆角、切制卸载槽，使螺栓截面变化均匀、减小应力集中的有效方法。图24 圆角和卸载结构（a
19、）加大圆角（c）卸载过渡结构（b）卸载槽 结构不当造成螺栓受附加弯曲应力，对螺栓强度影响很大。规定螺栓头部和被连接的支承面的加工要求、装配精度等；或采用球面垫圈等。图25 结构不当对螺栓强度的影响（a）螺栓受偏心载荷（c）支撑面不平（b）被连接件刚度不够4采用合适的材料和合理的制造工艺方法高强度钢。采用冷镦螺栓头部和碾压螺纹的工艺方法。碾压螺纹有冷作硬化的作用，其疲劳强度较车削螺纹可提高30%40%。热处理后再碾压螺纹，其疲劳强度可提高70%100%。采用碳氮共渗、氧化、喷丸等处理，都能提高螺栓强度。图26 加工方法对螺栓强度的影响高等教育出版社Higher Education Press谢 谢！
