第6章螺纹联接

➢ 受拉松螺栓联接
装配时不须要拧紧
F
强度条件
4F s
dc2
式中 dc= d1－H/6 mm ， [s ] - 许用应力
➢ 受拉紧螺栓联接
装配时需要拧紧，在工作状 态下可能还需要补充拧紧。
F
1. 只受预紧力的紧螺栓联接
2. 受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接
Q
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
m－ 结合面数 上图 m =1,下图 m=2 s － 摩擦系数，对钢与铸铁，
取 s = 0.1~0.15 若取 s = 0.15， kf =1.2, m =1, 则
F ' ≥ 8FR → 结构尺寸大
F'
Ff F '
FR F'
FR/2 F' F'
FR/2
FR
F ' Ff
FR
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
d a l1
受剪螺栓联接
可承受横向载荷。
H2 l1 H1 H
a H2 l1 H1 H
机械设计
主要 类型
§6.1 螺纹联接的主要类型、材料和精度
d
螺栓联接
e
e
双头螺柱联接
螺钉联接
参数 l1 、e、a , 与螺栓相同
座端拧入深度 H， 当螺孔材料为： 钢或青铜 H d ;
铸铁 H (1.25~1.5) d ；
拧紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件
间出现缝隙或发生相对移动。
预紧力的确定原则： 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料
的屈服极限 ss 的 80%。
一般螺纹连接在装配时都必须拧紧，这时螺纹
碳素钢螺栓： F0 (0.6~0.7) ss A1
连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接， 应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹连
T2
1 2
d2 d
tan
v
2
3d
D13 D12
d03 d02
F d
k tFd
T1 －克服螺纹副相对转动的阻力矩 T2 －克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩 对 M10~M60 的粗牙螺纹，
取 v = arctan 0.15, 平均可得 kt = 0.2。
公式可简化为：T ≈ 0.2 F ' d
机械设计
§6.1 螺纹联接的主要类型、材料和精度
各种类型联接的特点 1 螺栓联接的特点
无需在被联接联接件上切制螺纹，使用不受被联接件材料的限制。 结构简单， 应用最广。用于可制通孔的场合。分受拉螺栓联接和受剪 螺栓联接两种，前者螺栓杆与孔壁有间隙，后者则直接接触。
2 双头螺柱联接与螺钉联接
两种联接均用于受结构限制而不能用螺栓或希望联接结构紧凑的 场合。双头螺柱使用螺母，用于经常拆卸的场合，螺钉联接不用螺母， 不宜用于时常装拆的联接，以免损坏被联接件的螺纹孔。
－受预紧力和工作载荷
的紧螺栓联接
加预紧力 F‘ 后：
→螺栓受拉伸长 1 →被连接件受压缩短 2
加载 F 后:
螺栓总伸长量增加为： ∆ 1 + 1
F'
被连接件压缩量减少为： 2 －∆ 2
由变形协调条件可知：∆ 2 = ∆ 1 = ∆
预紧力减少为： F " (残余预紧力， 即被连接件间的压力)
总拉力为： F0=F +F "
➢ 螺母的性能等级：
m ≥ 0.8D
4 5 6 8 9 10 12
0.5D ≤m < 0.8D 04 05
➢ 螺母的材料：中碳钢
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§6.1 螺纹联接的主要类型、材料和精度
➢ 垫圈
弹簧垫圈
机械设计
§6.1 螺纹联接的主要类型、材料和精度
3 螺纹公差和精度 ➢ 螺纹公差
内螺纹的公差带为 G 和 H 两种， 外螺纹的公差带为 e, f, g, h 四种。内、外螺纹的配合最好选用G/h、H/g或H/h。
注意：对于重要的连接，应尽可能采用
大于 M12 的螺栓。
T
F' d
d0 F'
机械设计
§6.2 螺纹联接的拧紧与防松
预紧力控制方法
(1) 凭手感经验 (2) 测力矩扳手 (3) 定力矩扳手 (4) 测定伸长量
测力矩扳手
LSLSLM
定力矩扳手
机械设计
§6.2 螺纹联接的拧紧与防松
测力矩扳手
机械设计
FR －螺栓所受的工作剪力，单位为N； d －螺栓剪切面的直径，单位为mm；
h －螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，
单位为 mm。
螺栓杆的剪切强度条件为
4FS
d 2m
FR
h dd0
FR
设计公式
d
4FS
m
受剪螺栓
螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为
s
p
FR dh
s
p
设计时应使 h≥1.25d
[sp] 取螺栓杆、被联结件中最小值
F1
F02
F2
θ1
F01 2
螺栓的拉力变幅：
Fa
F02
2
F01
F2
2
F1
c1 c1 c2
强度条件：
sa
Fa Ac
2
F2 F1
d
2 c
c1 c1 c2
sa
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 受剪螺栓联接
这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。 螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在连 接接合面处，螺栓杆则受剪切。
对顶螺母
弹簧垫圈
尼龙圈锁紧螺母
机械设计
§6.2 螺纹联接的拧紧与防松
➢ 直接锁住
开口销与六角开槽螺母
圆螺母用止动垫圈 止动垫圈
机械设计
§6.2 螺纹联接的拧紧与防松
串联钢丝
➢ 破坏螺纹副
用冲头冲2至3点
涂粘合剂
冲点防松法
1~1.5P
粘合法防松
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
螺栓联 接的主 要失效 形式
合金钢螺栓： F0 (0.5~0.6) ss A1 接的可靠性，强度和密封均有很大影响。
A1 — 危险截面积， A1 ≈πd 21/4
机械设计
§6.2 螺纹联接的拧紧与防松
拧紧力矩
设预紧力为 F '
T1 F tan( v ) d2 / 2
T2
F
3
D13 D12
d03 d02
总力矩
T
T1
合成应力 s e
s2
3
2 T
s 2 30.5T 2 1.3s s
强度条件
4
1.3F
d
2 c
s
由此可见，对于M10 ~ M64普通螺纹的钢制紧螺栓连接，在拧紧 时，虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以只 考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑扭转的影响。
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
主要
用于经常拆装易磨损之处。
类型
孔与螺杆之
螺纹余留长度 l1
间留有间隙
l1
静载荷 l1 (0.3~0.5)d ; 变载荷 l1 0.75d ; 冲击、载荷 l1 d ;
受剪螺栓 l1 尽可能小;
a d
受拉螺栓联接
螺纹伸出长度 a (0.2~0.3)d ;
螺栓轴线到被连接件边缘的距离
e = d+(3~6) mm
改进措施： (1) 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用 (2) 采用无间隙的铰制孔用螺栓。
潘存云教授研制
FR/2
F 潘存云教授研制 R
FR/2
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
3 许用应力（表 6.3）
螺纹连接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷)、 装配情况(松、紧连接)、材料、结构尺寸有关。
许用拉应力 [ s] sS
[SS ] 许用切应力和挤压应力
[ ] s S
[ S]
[s
P
]
sS
[ SP]
被连接件为钢
[s
P
]
sB [ SP]
被连接件为铸铁
[SS ] [Sτ ] [Sp －] 安全系数，其取值详见 表 6.3 。
机械设计
§6.4 螺栓组联接的受力分析
螺纹组联接受力分析的任务是求出联接中各螺栓受力的大小， 特别是其中受力最大的螺栓及其载荷。
➢ 精度
标准规定了三种不同的精度： 精密 —— 用于精密螺纹和要求配合变动小的场合； 中等 —— 一般用途； 粗糙 —— 用于对精度要求不高的场合。
机械设计
§6.2 螺纹联接的拧紧与防松
1 螺纹联接的拧紧
拧紧：大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷
之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。
塑性变形螺纹部分 受拉螺栓 断裂
剪断 受剪螺栓
压溃
螺栓 （连接件）
经常拆卸 滑扣 因经常拆装
被连接件 被连接件接触面：压溃
出出现现间间隙隙
断裂
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
1 受拉螺栓联接
螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采 用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓连接的计算主要是 确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。
机械设计
第6章 螺纹联接
§6.1 螺纹联接的主要类型、材料和精度 §6.2 螺栓联接的拧紧和防松 §6.3 单个螺栓联接的受力分析
和强度计算
§6.4 螺栓组联接的受力分析 §6.5 提高螺栓联接强度的措施
机械设计
§6.1 螺纹联接的主要类型、材料和精度
1 主要类型 （表6.1 p100）
e
螺栓联接
特别注意：轴向载荷：F0≠ F '+F
F0
很显然 F " < F '
F
2
F' F'
松弛 状态
1
∆
F" F"
F' 预紧 状态
∆
F0 受载 F 变形
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
力
arctan c1
1
F'
螺栓变形
力
F'
arctan c2
2
连接件变形
力
F'
1
∆F1
∆F2 F F0
F"
铝合金 H (1.5~2.5) d ；
螺纹孔深度 H1 H+(2~2.5) p ; 钻孔深度 H2 H1+(0.5~1)d ;
机械设计
§6.1 螺纹联接的主要类型、材料和精度
主要 类型
螺栓联接 双头螺柱联接 螺钉联接 紧定螺钉联接
ds
紧定螺钉
d （0.2~0.3）ds 转矩大时取大值，
ds 为轴径
∆
变形
2
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
F F1 F2 c1 c2
F
c1 c2
F0 F F1 F c1
F0
F
c1
c1 c2
F
F F F2 F c2
F F c2 F c1 c2
F F c2 F c1 c2
力
F'
arctan c1
相对刚度系数
§6.2 螺纹联接的拧紧与防松
2 防松－防止螺旋副相对转动。
防松的方法 ➢ 利用摩擦防松
连接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温 度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变 载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可 能松动而失效。高温下的螺栓连接，由于温度变形可 能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑 防松，即防止相对转动。
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
当使用 受拉螺栓 时， 预紧力 F ‘ 导致接
合面产生 摩擦力 Ff 来承受横向工作载荷 FR。
预紧力 F '
接合面压力Q， Q =F '
接合面摩擦力 Ff Ff msQ ms F
ms F FR
F k f FR
ms
kf －可靠性系数，常取 kf = 1.1~1.3
p
D F
机械设计
§6.4 螺栓组联接的受力分析
2 受横向力 FR 的螺栓组联接
对于 受拉螺栓 连接 ，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须 大于或等于横向载荷的要求，有
∆F1
∆F2 F F0
F"
∆ 螺栓变形
F0
F
c1
c1 c2
F
F F c2 F c1 c2
F F c2 F c1 c2
机械设计
§6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
静强度条件
4 1.3F0
dc2
s
设计公式 dc
重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。
4 1.3F0
s
当工作拉力在 F1~F2 之间变化时，螺 栓所受总拉力在 F01 ~ F02 之间变化。
分析时通常作以下假设：① 被联接件为刚体；② 各螺栓的拉伸刚 度或剪切刚度及预紧力都相同；③ 螺栓的应变没有超出弹性范围。
1 受轴向力FQ的螺栓组联接
若作用在螺栓组上轴向总载荷 FQ 作用 线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称
中心。
则各个螺栓受载相同，每个螺栓所
受轴向工作载荷为：
F FQ z
F
FQ
3 紧定螺钉联接
常用于固定两零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。
机械设计
§6.1 螺纹联接的主要类型、材料和精度
2 螺纹紧固件的性能等级和材料
➢ 螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级：
3.6 4.6 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9
➢ 螺栓、螺柱、螺钉的材料：
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
－只受预紧力的紧螺栓联接
螺栓在拧紧时受轴向拉力 F ‘ 和摩擦力矩 T1 的双重作用。
拉应力
s
4F
d
2 c
0.25
扭转切应力
T
T1 dc3
16
F
d
2 c
4
2 tan v d2
dc
2s tan v
dc
d2
对于 M10 ~ M68 的普通钢制螺纹，可取：tanv≈ f v= 0.15， d2 /d1=1.04 ~ 1.08 得：T 0.5s