第 3 章 联 接3.1 螺纹3.2 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件3.3 螺纹联接的预紧和防松3.4 螺纹联接的强度计算3.5 螺栓的材料和许用应力3.6 提高螺栓联接强度的措施

一、螺纹的形成3.1 螺纹

d2

螺旋线 ---- 一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺纹 ---- 一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。

螺纹

按螺纹的牙型分

螺纹的分类

按螺纹的旋向分

按螺旋线的根数分

按回转体的内外表面分

按螺旋的作用分

按母体形状分

矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹

螺纹的牙型

矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹

15º 30º

3º

30º

按螺纹的牙型分

螺纹的分类

按螺纹的旋向分

按螺旋线的根数分

按回转体的内外表面分

按螺旋的作用分

按母体形状分

矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹

按螺纹的牙型分

螺纹的分类

按螺纹的旋向分

按螺旋线的根数分

按回转体的内外表面分

按螺旋的作用分

按母体形状分

矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹

单线螺纹多线螺纹 一般 : n ≤ 4

双线螺纹单线螺纹

PS

S = 2P

PS

P

S =P

n 线螺纹 : S = n P

按螺纹的牙型分

螺纹的分类

按螺纹的旋向分

按螺旋线的根数分

按回转体的内外表面分

按螺旋的作用分

按母体形状分

矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹

单线螺纹多线螺纹

外螺纹内螺纹

螺纹副

外螺纹

内螺纹

按螺纹的牙型分

螺纹的分类

按螺纹的旋向分

按螺旋线的根数分

按回转体的内外表面分

按螺旋的作用分

按母体形状分

矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹

单线螺纹多线螺纹

外螺纹内螺纹

联接螺纹传动螺纹 螺旋传动

联接螺纹传动螺纹

按螺纹的牙型分

螺纹的分类

按螺纹的旋向分

按螺旋线的根数分

按回转体的内外表面分

按螺旋的作用分

按母体形状分

矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹

单线螺纹多线螺纹

外螺纹内螺纹

联接螺纹传动螺纹

圆柱螺纹圆锥螺纹

圆柱螺纹 圆锥螺纹

管螺纹

(3) 中径 d2 。

β

d1d2d

(1) 大径 d

(2) 小径 d1

(4) 螺距 P

(5) 导程 S

(6) 螺纹升角 ψ

(7) 牙型角 α 牙

tgψ= πd2

nP

牙侧角 β

α

β

ψ

πd2

Sψ

S = nP

二、螺纹的主要几何参数 SPP/2P/2

机械制造常用螺纹

三角形螺纹 普通螺纹 α = 60˚管螺纹 α = 55˚

普通螺纹以大径 d 为公称直径，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，其余的统称为细牙螺纹。

60˚P

d粗牙 d

P

细牙 d

P

细牙

粗牙螺纹应用最广细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高，缺点：不耐磨易滑扣。应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。

用螺纹密封的管螺纹

普通细牙螺纹

管螺纹 非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁 α = 55˚ ）用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁 α = 55˚ ）60˚ 圆锥管螺纹公称直径 ---- 管子的公称通径。强调与普通螺纹不同

55 ˚ 55 ˚

非螺纹密封的管螺纹

dd2

d1 Pd

d2d1 Pφ

2φ

梯形螺纹：

梯 形 锯齿形 30º

3º

30º

为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角 β 比三角形螺纹的要小得多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。

锯齿形螺纹 :常用于传动。β= 15º

β= 3º

粗牙普通螺纹的基本尺寸见表 3-1 后面有图

螺纹的基本尺寸：

细牙普通螺纹的基本尺寸见表 3-2

梯形螺纹的基本尺寸见表 3-3

直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm

3 0.5 2.675 2.459

公称直径（大径） 粗 牙 细 牙 D d 螺距 P 中径 D2 d2 小径 D2 d2 螺距 P

4 0.7 3.545 3.242 5 0.8 3.545 4.134

0.35

0.56 1 5.350 4.918 8 1.25 7.188 6.647 10 1.5 9.026 8.376 1.25, 1 0.75

12 1.75 10.863 10.106 1.5, 1.25 0.5 (14) 2 12.701 11.835 1.5, 116 2 14.701 13.835 (18) 2.5 16.376 15.294 20 2.5 18.376 17.294

(20) 2.5 20.376 19.294 24 3 22.052 20.752

(27) 3 25.052 23.752 30 3.5 27.727 26.211

2, 1.5, 1

注：括号内的公称直径为第二系列

H=0.866P d2=d-0.6495P d1=d-1.0825P

D1 、 d1---- 内、外螺纹小径 D2 、 d2---- 内、外螺纹中径 D 、 d ---- 内、外螺纹大径

P---- 螺距 标记示例：M24( 粗牙普通螺纹、直径 24 、螺距 3)

M24X1.5( 细牙普通螺纹 , 直径 24, 螺距 1.5)

PP/8

P/8

P/8

H/4

D d

D2 d

2

D1 d

1

P/2

P/4

30˚

60˚

90˚

细牙普通螺纹基本尺寸 mm螺距 P 中径 D2 、 d2 小径 D1 、 d1

0.35 d-1+0.773 d-1+0.621

0.5 d-1+0.675 d-1+0.459

0.75 d-1+0.513 d-1+0.188

1 d-1+0.35 d-2+0.918 1.25 d-1+0.188 d-2+0.647

1.5 d-1+0.026 d-2+0.376

2 d-2+0.701 d-3+0.835

3 d-2+0.052 d-4+0.752

梯形螺纹基本尺寸 mm

标记示例： Tr48X8( 梯形螺纹，直径 48 ，螺距 8)

P h3=H4 ac 第 1 系列 第 2 系列 D2 d2 D1 螺距 螺纹牙高 牙顶间隙 公称直径 d 中 径 内螺纹小径

12 6.5 0.5 90 、 100 85 、 95 d-6 d-12 10 5.5 0.5 40 、 70 、 80 38 、 42 、 65 d-5 d-10

8 6.5 0.5 48 、 52 46 、 50 d-4 d-8

4 2.25 0.25 16 、 20 18 d-2 d-4 5 2.75 0.25 24 、 28 22 、 26 d-2.5 d-5 6 2.25 0.5 32 、 36 30 、 34 d-3 d-6

内螺纹

外螺纹

d

P

R1

R2

D1

D4

H1

D2

d2

d3

ac

ac

30˚

H4R2

3.2 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件一、 螺纹联接的基本类型

螺栓联接基本类型

e

a

a

l1

l1

可承受横向载荷。

螺纹余留长度 l1

铰制孔螺栓

孔与螺杆之间留有间隙

静载荷 l1>=(0.3~0.5)d;变载荷 l1>=0.75d;冲击载荷或弯曲载荷 l1≥ d;铰制孔用螺栓 l1≈ 0;

螺纹伸出长度 a=(0.2~0.3)d; 螺栓轴线到边缘的距离e=d+(3~6) mm

用于经常拆装易磨损之处。

d

d

一、 螺纹联接的基本类型螺栓联接基

本类型

螺钉联接

座端拧入深度 H ，当螺孔材料为：

a

e

e

双头螺柱联接 联接件厚，允许拆装。

§10 － 4 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件

钢或青铜 H=d;铸铁 H=(1.25~1.5)d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;

参数 l1 、 e 、 a 与螺栓相同

l 1l 1

HH

H1

H1

H2

H2

结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。

d

一、 螺纹联接的基本类型螺栓联接基

本类型

螺钉联接双头螺柱联接紧定螺钉联接

§10 － 4 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件

紧定螺钉

二、螺纹紧固件螺栓

螺纹紧固件

LL0

d

六角头L

d

L0

小六角头

螺栓的结构形式

双头螺柱d

L0L1

L

L1 ----- 座端长度L0 ----- 螺母端长度

二、螺纹紧固件螺栓

螺纹紧固件

螺钉、紧定螺钉双头螺柱

二、螺纹紧固件螺栓

螺纹紧固件

末端结构

头部结构

其它螺母：

螺母

六角螺母 六角扁螺母 六角厚螺母 圆螺母

螺钉、紧定螺钉双头螺柱

二、螺纹紧固件螺栓

螺纹紧固件 用于经常拆装

易磨损之处。

用于尺寸受限制之处。

国标罗列有六十余种不同结构的螺母

其它螺母：

垫圈 平垫圈 薄平垫圈

A 型平垫圈 B 型平垫圈

螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱

二、螺纹紧固件螺栓

螺纹紧固件

斜垫圈弹簧垫圈

圆螺母用止动垫圈

作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。

faca rFftgdF

TTT )(2

'221 )(

2'2

21 tgdF

TTT a

一、 拧紧力矩一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联接，应控制其预紧力，因为的大小对螺纹联接的可靠性，强度和密封均有很大影响。

21 TTT

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；

设轴向力为 Fa 或预紧力（不受轴向载荷）

fc—摩擦系数。 无润滑时取： fc =0.15rf—支撑面摩擦半径。

rf =(dw+d0)/4

d

d0

dwT

简化公式： 适用于 M10~M60 的粗牙螺纹， f’=0.15, fc=0.15, T ≈ 0.2 Fa d

预紧应力： σ=(0.5~0.7) σs

3.3 螺纹联接的预紧和防松

Fa

Fa 是由联接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠，应取：

通常螺纹联接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。

总力矩：

测力矩扳手

工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。

二、 螺纹联接的防松联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，联接仍有可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。防松的方法

1. 利用附加摩擦力防松

尼龙圈锁紧螺母

F

弹簧垫圈 对顶螺母

定力矩扳手

开口销与六角开槽螺母

串联钢丝

2. 采用专门防松元件防松

圆螺母用止动垫圈

止动垫圈

3. 其他方法防松

1~1.5P

用冲头冲 2~3 点

冲点防松法 粘合法防松

涂粘合剂

3.4 螺栓联接的强度计算螺栓联接的主要失效形式：

螺栓拉断螺纹压溃或剪断滑扣 因经常拆装

一、松螺栓联接 装配时不须要拧紧

强度条件： ][4/2

1

d

Fa

式中 :d1---- 螺纹小径， mm

二、紧螺栓联接 装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。

螺栓受轴向拉力 Fa 和摩擦力矩 T 的双重作用。

][4/2

1

d

Fa拉应力：Fa

Fa

力除以面积

][4/

3.121

d

Fa

切应力： 16/31

1

d

T

16/

2)'(31

1

d

dtgFa

4/)'(

22

11

2

d

Ftg

d

d a

对于 M10~M68 的普通螺纹，取 d1 、 d2 和 ψ 的平均值，并取： tgρ’ = f ’ =0.15 得： τ ≈ 0.5 σ

当量应力： 22 3 c22 )5.0(3

强度条件：

3.1

1. 受横向工作载荷的螺栓强度螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力 Fa 导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷 F 。

C--- 可靠性系数，常取 C=1.1~1.3

mf

CFFa 预紧力 Fa ：

f---摩擦系数，对钢与铸铁，取 :

f =0.1~0.15

m--- 结合面数 上图 m=1, 下图 m=2

若取 f =0.15 ， C=1.2, m=1, 则：

Fa ≥ 8F →结构尺寸大

F

F

F

F/2

F/2

Fa

Fa

Fa

Fa

F

F/2

F/2

2. 受轴向工作载荷的螺栓强度

改进措施： 1. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。

2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。

设流体压强为 p ，螺栓数目为 Z ，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：

p ·πD2/4FE = Z

p

FE

FE

D

特别注意，轴向载荷：

松弛状态Fa≠ F0+FE

预紧状态

δC0

δb0

F0 F0

受载变形FR FR

FE FE

F0 F0

加预紧力后→螺栓受拉伸长 δb0

→被联接件受压缩短 δC0

加载 FE后 :

螺栓总伸长量增加为 :

总拉力为：

被联接件压缩量减少为：

残余预紧力减少为： FR

FaFaFa=FE+FR

很显然 : FR<F0

∆δ+δb0

δC0 - ∆δ

∆δ

被联接件放松了

δb0

∆δ

联接件变形

力

螺栓变形

力

∆Fb

∆Fc

螺栓变形

力

Fa

FR

FE

F0 F0

δC0

F0

δb0 δC0

arctgkb arctgkc

---- 相对刚度系数

力

螺栓变形

arctgkbFE= ∆Fb +∆Fc =(kb +kc ) ∆δ

kb +kc

kbFa = F0 +FE

kb +kc

kbFR = F0 –FE 1-

FR= F0- ∆ FE = F0 - kc ∆δ

F a= F0 +∆ Fb = F0 +kb ∆ δ

kb +kc

FE∆δ=

FE Fa

∆Fb

F0

∆δ

代入得：

表 10-5 螺栓的相对刚度系数垫片类型 金属垫片或无垫片 皮革 铜皮石棉 橡胶

0.2~0.3 0.7 0.8 0.9kb +kc

kb

∆Fc

FR

3.5 螺栓的材料和许用应力一般螺栓 ---- Q215 Q235 10 35 45 重要螺栓 ---- 15Cr 40Cr 30Cr MnSi

紧螺栓联接的受载情况 许用应力

受轴向载荷 , 横向载荷

铰制孔用螺栓受 横向载荷

静载荷

变载荷

控制预先紧力时 S=1.2~1.5不能严格控制预紧力时查表 10-7

被联接件为钢

被联接件为铸铁

[σp] 按静载荷 [σp]值降低 20%~30%

1.25σS[σp] =

3.5~5[τ]=σS

2~2.5σB[σp] =

2.5

σS[τ] =

SσS[σ] =

螺栓的许用应力

螺栓联接的安全系数 S( 不能严格控制预紧力时 )

碳素钢 4~3 3~2 10~6.5 6.5

M6~M16 M10~M30 M6~M16 M10~M30

合金钢 5~4 4~2.5 7.6~5 5

静载荷 变载荷材 料

3.6 提高螺栓联接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂

容易断裂部位：

一、降低螺栓总拉伸载荷的 Fa 变化范围轴向工作载荷 FE 的变化范围 : 0~ FE

kb +kc

kbF0 ~ F0 +FE总拉伸载荷的 Fa 变化范围 :

kb ↓ 或 kc ↑

→ Fa 变化范围↓

提高螺栓联接强度的措施

d

0.8d0.7d

d

1. 采用柔性结构

2. 有密封要求时，采用金属薄垫片

3. 或者采用 O 形密封圈

宜采取措施 :

因密封采用软垫片将降低被联接件的刚度，这时可采用

二、改善螺纹牙间的载荷分布

措施 : 采用悬置螺母。加厚螺母不能提高联接强度。

普通螺母

加厚螺母

10 圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。

螺母体

螺栓杆

悬置螺母均载原理

螺母体

螺栓杆螺栓杆

Fa

螺母体

F=F1+F2+F3+F4+F5

F1>F2>F3>F4>F5螺母体Fa

螺栓杆

螺母和螺杆均为拉伸变形，有助于减小两者螺距变化，使受载均匀。

F5/2

F4/2

F3/2

F2/2

F1/2

F5/2

F4/2

F3/2

F2/2

F1/2

螺栓杆

Fa

螺母体

支承面不平

三、减小应力集中1.增大过渡圆角2.切制卸载槽 r

四、避免或减小附加应力

采用凸台或沉孔结构

切削加工支承面

被联接件变形太大

五、采用特殊制造工艺

冷镦头部、辗压螺纹 疲劳强度提高 30%

表面处理：

氰化、氮化也能提高疲劳强度。

本 章 重 点(1) 了解螺纹的类型和主要参数以及螺纹连接的基本类型。(2) 了解螺栓连接的预紧，防松(3) 掌握螺纹连接的强度计算方法及力分析(4) 能根据工程实际问题进行螺纹连接设计