第六章螺纹连接

一、 螺纹连接是利用螺纹零件构成的可拆连接，结构简单，拆装方便，适用范围广。

二、 螺纹的种类及主要参数：根据螺纹线绕行方向的不同，螺纹分为右旋和左旋，一般用右旋；根据螺纹在螺杆轴向剖面上的形状的不同，分为三角螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹和管螺纹；螺纹又分为内螺纹和外螺纹，二者旋合组成螺纹副或称螺旋副；根据母体的形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。

圆柱螺纹的主要参数d （D ）螺纹大径，是螺纹的公称直径如M8表示d=8mm ；d 1（D 1）螺纹小径，常用于计算螺纹强度；d 2（D 2）螺纹中径，用于计算效率、升角、自锁的基准。

（外螺纹各直径用小写字母表示，内螺纹各直径用大写字母表示）；p 螺距，螺纹上相邻两牙对应点轴向距离；n 线数，沿一条螺纹线形成的螺纹，成为单线螺纹，沿两条、三条或多条螺纹线形成的螺纹，成文双线、三线或多线螺纹；s 导程，任一点沿同一条螺纹线转一周的轴向位移，s=np ；ψ螺纹的螺旋升角，在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角，即22tan s np d d ψππ==；α牙形角，β牙形斜角，在对称牙形中2αβ=；h 工作高度，三、1. 三角螺纹的牙形角260αβ==o ，因牙形斜角β大，所以当量摩擦因素大，自锁性好，主要用于连接，这种螺纹分为粗牙和细牙，一般多用粗牙螺纹。

公称直径相同时细牙螺纹的螺距较小、牙细，内经和中径较大，升角较小，因为自锁性好，对螺纹零件的强度削弱小，但磨损后易滑扣。

细牙螺纹常用于薄壁和细小零件上或承受变载、冲击振动的连接及微调装置中。

2.举行螺纹牙形为正方形，牙形斜角0β=o。

所以当量摩擦角小，效率高，用于传动；但由于制造困难，螺母和螺杆同心度差，牙根强度弱，常被梯形螺纹代替。

3.梯形螺纹的牙形角230αβ==o，与矩形螺纹相比，效率略低，但牙根强度较高，易于制造，在螺旋传动中应用较为普遍。

4.锯齿形螺纹工作边的牙形斜角3β=o，传动效率高，便于加工，非工作边的牙形斜角30β=o。

综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹压根强度高的优点，能承受较大的载荷，用于单向传动。

5.管螺纹是用于连接的紧密螺纹，是英制细牙三角螺纹，牙形角60α=o。

其螺纹牙顶部和根部均是圆角，内、外螺纹间无径向间隙，因而连接紧密。

、6.圆锥管螺纹有牙形角55α=o和60α=o两种，螺纹分布在1:16的圆锥管壁上；内外螺纹面间无间隙，使用时不用填料而靠牙的变形来保证螺纹连接的紧密性，用于高温、高压系统的管件连接。

四、 螺纹副的受力关系、效率和自锁：1. 对于矩形螺纹，当拧紧螺纹时，中径处的水平推力()tan t F F ψρ=+，松开螺纹时，()tan t F F ψρ=-2. 非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹大，若将法向力的增加看做是摩擦因素的增加，则非矩形螺纹的摩擦阻力为cos e F F μμβ=，式中，e μ为当量摩擦角，tan cos e e μμρβ==，e ρ为当量摩擦角，β为牙形斜角。

因此对于非矩形的螺纹，中径处的水平推力拧紧时()tan t e F F ψρ=+，松开时()tan t e F F ψρ=-，运转效率拧紧时（t F 主动）()tan tan e ψηψρ=+，松开时（F 主动轴向载荷）()tan tan e ψρηψ-=，自锁的条件是e ψρ≤螺纹升角小于当量摩擦角。

五、 单个螺纹连接的设计：1. 常用的螺纹紧固件有：螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉及螺母等。

2. 螺栓、螺柱和螺钉按机械性能分为十个等级。

螺母机械性能分级按螺母高度m 与螺母，螺纹直径D 的关系不同分两类。

当0.8m D ≥时，为4,5,6,8,9,10和12七级；当0.50.8D m D ≤<时，为04和05两极；性能等级的数字表示螺母材料min 100B σ，‘0’’表示螺母的实际承载能力比后面数字所能表示的性能要低。

标准中还规定了螺纹紧固件的制造精度分为精密级、中等级和粗糙级三种。

精密级（4~6）用于精密螺纹和要求配合变动小的场合；中等级（7）用于一般用途；粗糙级（7~8）用于对精度要求不高的场合。

螺栓的材料常用中碳钢和低碳钢；重要和特殊用途的螺纹连接件可采用合金钢。

螺母材料为中碳钢。

3.螺纹连接的基本类型和画法:1)基本类型:螺栓连接、上头螺柱链接、螺钉连、紧定螺钉连接2)画法中注意的问题：i.当剖切面通过螺栓、螺母和垫圈等标准件时，这些零件均按照不剖绘制ii.两零件接触表面只画一条线，不接触的相邻表面，不论间隙多大，都应画两条线iii.内外螺纹旋合部分，螺纹大径用粗实线表示，小径用细实线表示iv.螺纹孔部分、螺纹小径和螺纹终止线用粗实线表示，大径用细实线表示，剖面线应画到粗实线v.螺纹底孔直径不应大于螺纹内经，头部夹角为120°，钻孔深度应大于螺纹深度vi.在装配图中，螺纹紧固件的倒角、退刀槽及缩颈等均可省略不画。

六、螺纹连接的主要失效形式:螺栓连接的松动、螺栓杆的拉断、螺栓杆或螺栓孔的压溃、螺栓杆的剪断、因经常拆装而发生的滑扣现象七、 、螺纹连接的设计准则：考虑螺纹连接要有适当的拧紧力矩和放松措施，通过强度计算来确定螺栓的直径。

在使用中发现螺纹紧固件出现磨损，应及时更换磨损件。

八、 螺栓的拧紧和放松：1. 螺栓连接的拧紧：在使用中，绝大多数的螺纹连接都必须在装配时拧紧，称为紧连接。

在拧紧后到承受工作载荷之前，紧连接的螺栓就受到轴向力的作用。

该轴向力称为预紧力F ’，可以起到一定的放松作用。

所需预紧力的大小与工作载荷有关。

重要的链接，在装配时应控制预紧力，可通过控制拧紧力矩等方法实现。

拧紧螺母的拧紧力矩T ，需要克服螺纹副的螺纹力矩T 1和螺母与支撑面的摩擦力矩T 2。

因此拧紧力矩()212'tan '2e f d T T T F F r ψρμ=+=++。

μ为螺母与支撑面间的摩擦因素。

f r 为支撑面摩擦半径，104f D d r +≈，1D 和0d 为螺母支撑面的外径和内径。

对于不同螺栓直径d ，若取tan 0.15,0.15e e μρμ===，可简化得到0.2'T F d ≈2. 螺纹连接的防松：防松的方法有很多，就其原理可分为摩擦防松、机械防松和破坏螺纹副关系防松等。

摩擦放松的措施有双螺母防松、弹簧垫圈防松、金属锁紧螺母防松等；机械防松的措施有开口销与槽型螺母防松、圆螺母与止动垫圈防松、止动垫圈防松等；破坏螺纹副关系防松的措施有电焊或点冲破坏螺纹或在旋合段涂金属粘结剂等。

3. 送螺栓连接强度的计算：螺栓在工作时受到拉力F 的作用，其螺栓螺纹部分的强度条件为[]214F d σσπ=≤。

[][]s S σσ=,其中，1d 为螺纹小径，[]σ为松连接螺栓的许用拉应力，s σ为材料的屈服极限，[]S 为安全系数，为淬火钢取1.2，淬火钢取1.64. 受横向工作载荷的金螺栓连接的强度计算：金螺栓连接在承受工作载荷前须拧紧，螺栓已受到轴向预紧力F ’，当被连接件承受横向工作载荷F R 时，普通受拉螺栓连接是靠预紧力在结合面上产生的摩擦力平衡外载荷，螺栓内部受到两种应力的作用，预紧力在螺栓上产生的拉应力为21'4F d σπ=，拧紧螺栓时，螺栓受到的螺纹力矩为()21'tan 2e d T F ψρ=+，在螺栓上产生的剪应力为13116T d τπ=。

将M10~M68普通螺纹d2、d1和ψ带入，取arctan 0.15e ρ=，可得0.5τσ≈。

螺栓一般为塑性材料，由第四强度理论得到螺栓的当量应力为 1.3e σσ=≈。

所以，普通受拉螺栓的强度条件为[]211.3'4e Fd σσπ=≤，[][]s S S σσ=。

s σ为屈服极限，[]S S 为静载荷时紧连螺栓的安全系数。

5. 受横向工作载荷作用时，也可用铰制孔连接。

在横向载荷F R 作用下，螺栓在连接结合面处受剪，并与被连接件孔壁互相挤压。

连接损坏的形式可能有：螺栓被剪断，栓杆或孔壁被压溃等。

连接的预紧力和摩擦力在一般情况下可忽略不计。

螺栓杆的剪切强度条件为：[]24R F d mττπ=≤，螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为min R p p F dh σσ⎡⎤=≤⎣⎦。

其中，R F 为螺栓所受剪力，d 为螺栓抗剪面直径，m 为螺栓抗剪面数目，[]τ为螺栓的许用剪切应力，[][]s S ττσ=。

[]S τ为许用剪应力安全系数，静载荷时[]S τ=2.5，变载荷时[]S τ=3.5~5。

min h 为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度。

p σ⎡⎤⎣⎦为螺栓杆或孔壁材料的许用挤压力。

p s p S σσ⎡⎤⎡⎤=⎣⎦⎣⎦九、 受轴向工作载荷作用的螺栓连接强度计算:1. 螺栓总拉力0F 的计算：受轴向工作载荷Q F 的紧螺栓连接中，螺栓实际承受的总拉力0F 并不等于预紧力'F 与工作载荷F 之和。

当应变在弹性变形分为之内时，各零件的受力可根据静力平衡和变形协调条件求出。

根据螺栓的静力平衡条件，螺栓的总拉力0F 为工作载荷F与被连接件给它的剩余预紧力''F 之和，即0''F F F =+.以1c 和2c 分别表示螺栓和被连接件的刚度，根据变形协调条件，有0112''''''F F F F F F F c c c δ-+--===V ，整理得到212'''c F F F c c =++，1012'c F F F c c =++。

式中，112c c c +为相对刚度系数，其值与螺栓和被连接件的材料、尺寸、结构、工作载荷作用的位置及连接中垫片的材料等因素有关。

铜皮石棉垫片0.8，橡胶垫片0.9。

当螺栓工作载荷F 过大或预紧力'F 过小时，连接会出现缝隙，导致连接失去紧密性，在变载荷时产生冲击。

设计时''F 可参考：静载荷时()''0.2~0.6F F =；变载荷时()''0.6~1.0F F =；压力容器的紧密连接时，()'' 1.5~1.8F F =，且应保证密封面的剩余预紧压力大于容器的工作压力。

2. 静强度计算：连接承受工作载荷后，如发现连接松弛而需要补充拧紧时，近似认为螺纹力矩为()02tan 2e F d ψρ+。

则受轴向工作载荷的紧螺栓的强度条件为[]0211.34F d σπ≤。

[]]s S S σσ=。

其中[]σ为金螺栓连接的许用拉应力，s σ为屈服极限，[]S S 为静载荷时紧螺栓的安全系数。

3. 疲劳强度计算：疲劳强度条件为()[]12121122a a F F c d c c σσπ-=⨯≤+，[][]1m u a k k k S σεσσ-=。