第6章　螺纹联接

6.1　复习笔记

一、螺纹联接的主要类型、材料和精度

1．主要类型

（1）螺纹紧固件多为标准件，常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉和紧定螺钉等。

（2）按螺栓主要受力状况不同可分为受拉螺栓联接和受剪螺栓联接两种，所用螺栓的结构型式和联接的结构细节也有所不同，前一种制造和装拆方便，应用广泛，后一种多用于板状件的联接，有时兼起定位作用。

2．螺纹紧固件的性能等级和材料

（1）螺栓、螺柱、螺钉的性能等级和材料

①螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级：3.6，4.6，4.8，5.6，5.8，6.8，8.8，9.8，10.9，12.9。点前数字为σ_Bmin/100，点后数字为10（σ_Smin/σ_Bmin）。此处σ_B为材料的拉伸强度极限，σ_s为屈服极限，单位均为MPa。

②螺栓、螺柱和螺钉的材料可按不同的性能等级选取：

a．3.6——低碳钢；

b．4.6～6.8——低碳钢或中碳钢；

c．8.8、9.8——中碳钢或低碳合金钢；

d．10.9——中碳钢、低碳或中碳合金钢；

e．12.9——合金钢。

有防蚀或导电等要求时，螺纹紧固件材料也可用铜及其合金以及其他有色金属。

（2）螺母性能等级和材料

①螺母性能等级按螺母高度m不同有两类。

a．m≥0.8D：4、5、6、8、9、10、12；

b．0.5D≤m＜0.8D：04、05。

D为螺母螺纹直径。性能等级的数字表示螺母材料强度δ_Bmin/100值，“0”表示螺母的实际承载能力比后面数字表示的低。

②螺母材料为中碳钢，最高含碳量4、5、6三级为0.5％，其余各级为0.58％。

3．螺纹公差和精度

（1）螺纹公差

根据标准规定，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。

（2）精度

标准中还规定了三种不同的精度，其选用原则为：

①精密，用于精密螺纹和要求配合变动小的场合；

②中等，用于一般用途；

③粗糙，用于对精度要求不高的场合。螺纹常用的公差等级为4～8级，精密的用4～6级，中等的用7级，粗糙的用7～8级。

二、螺栓联接的拧紧和防松

1．螺栓联接的拧紧

（1）螺栓联接的拧紧的受力分析

①拧紧螺母时，需要克服螺纹副的螺纹力矩T₁和螺母的承压面力矩T₂，因此拧紧力矩T=T₁+T₂（如图6-1（a）所示）；

②螺栓所受的螺纹力矩T₁与头部的承压面力矩T₃和夹持力矩T₄相平衡，即T₁=T₃+T₄（如图6-1（b）所示）；

③螺栓的转矩如图6-1（c）所示，在螺纹力矩的影响下，螺纹副间有圆周力F_t的作用，螺栓受到预紧力Fˊ，而被联接件则受到预紧压力Fˊ（如图6-1（d）所示）。

图6-1  拧紧时联接中各零件的受力

（2）控制拧紧力矩的方法

使用测力矩扳手或定力矩扳手，装配时测量螺栓的伸长，规定开始拧紧后的扳动角度或圈数。

（3）拧紧注意事项

拧得过紧可能使使螺栓拧断。因此，对于要求拧紧的强度螺栓联接应严格控制其适度的拧紧力，并不宜用小于M₁₂～M₁₆的螺栓。

2．螺纹联接的防松

（1）方法

防松方法可分为利用摩擦、直接锁住和破坏螺纹副关系三种。

（2）优点

利用摩擦防松简单方便，而直接锁住则较可靠；两者还可联合使用。破坏螺纹副关系的方法，多用于很少拆开或不拆的联接。

三、单个螺栓联接的受力分析和强度计算

1．受拉螺栓联接

（1）强度计算

如果选用的是标准件，则强度计算主要是确定或验算螺栓危险截面的尺寸。螺栓螺纹部分危险截面的面积要用计算直径d_r计算，此直径可根据经验公式确定：

式中d₁为螺纹小径；H为螺纹牙形的三角形高度。

（2）受拉松螺栓联接只能受静载荷

螺栓在工作时才受拉力F，其螺纹部分的强度条件为

[σ]为松联接螺栓的许用拉应力。

图6-2  只受预紧力的紧螺栓联接

（3）受拉紧螺栓联接能承受变载荷

①只受预紧力的紧螺栓联接

如图6-2所示，为靠摩擦传递横向力F_N的受拉螺栓联接，这时，螺栓只受预紧力Fˊ，所受的螺纹力矩相应得拉应力，切应力。因螺栓材料是塑性的，可根据第四强度理论计算螺纹部分强度。取ρ_v=arctan0.15，得螺栓螺纹部分的强度条件为：

[σ]为紧联接螺栓的许用拉应力。

②受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接

这种联接拧紧后螺栓受预紧力Fˊ，工作时还受到工作载荷F₀螺栓和被联接件都是弹性体，联接中各零件受力关系属静不定问题。

a．螺栓切应力τ_r和拉应力σ分别为；

b．静载强度条件为；

c．若受的是变载，工作载荷在F₁与F₂之间变化，则螺栓拉力将在F₀₁和F₀₂之间变化，

由于变载零件的疲劳强度应力幅是主要因素，故应满足强度条件：，式中螺栓变载时的许用应力幅。

2．受剪螺栓联接

（1）联接损坏的可能形式有：螺栓被剪断，栓杆或孔壁被压溃等。

（2）设螺栓所受的剪力为F_s（联接受横向力F_R，F_s=F_R），则其强度条件为

式中d为螺栓抗剪面直径；m为螺栓抗剪面数目；[τ]为螺栓的许用切应力。

（3）杆孔表面的挤压应力分布见图6-3（c），它和表面加工、杆孔配合、零件变形等有关，很难精确确定。计算时，常假设按均匀规律分布，如图6-3（d），因此联接的强度条件为

式中h为计算对象的受压高度；[σ_p]为计算对象的许用挤压应力。

图6-3　受剪螺栓联接

（4）受拉螺栓联接也是用以传递横向载荷的。由于靠摩擦传力，在冲击、振动或变载荷下不够可靠，而且所需螺栓直径也较大。为了避免上述缺点，除受剪螺栓外，还常用各种抗剪件来传递横向力。

四、螺栓组联接的受力分析

1．受力分析前提

（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。

2．受轴向力F_Q的螺栓组联接

如图6-4为气缸盖螺栓联接，其载荷通过螺栓组形心，因此各螺栓分担的工作载荷F相等。设螺栓数目为z，则。

图6-4  受轴向力的螺栓组联接

3．受横向力F_r的螺栓组联接

如图6-5所示，为板件联接，螺栓沿载荷方向布置。载荷可通过两种不同方式传递，其中（a）图为用受拉螺栓联接，（b）图为用受剪螺栓联接。

图6-5  受横向力的螺栓组联接

（1）受拉螺栓联接

当用受拉螺栓联接时，螺栓只受预紧力F′，靠接合面间的摩擦来传递载荷。假设各螺栓联接接合面的摩擦力相等并集中在螺栓中心处，则根据板的平衡条件得：

μ_r为接合面摩擦系数；m为接合面数目；z为螺栓数目；K_f为考虑摩擦传力的可靠系数，K_f=1.1～1.5。

（2）受剪螺栓联接

当用受剪螺栓联接时，靠螺栓受剪和螺栓与被联接件相互挤压时的变形来传递载荷。假设各螺栓所受的工作载荷均为F_s，则根据板的静力平衡条件得：

由于板是弹性体，两端螺栓所受剪力比中间螺栓大，所以沿载荷方向布置的螺栓数目不宜超过6个，以免受力严重不均。

4．受旋转力矩T的螺栓组联接

如图6-6所示，为一底板螺栓联接，假设在T作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线O-O旋转的趋势，则每个螺栓联接都受有横向力，也可通过两种方式传递。

图6-6  受旋转力矩的螺栓组联接

（1）用受拉螺栓联接

如图(b)所示，假设各螺栓联接接合面的摩擦力相等并集中在螺栓中心处，与螺栓中心至底板旋转中心O的连线垂直，则根据底板的静力平衡条件得：

式中F′为需要的螺栓预紧力；r₁、r₂、…、r_z为各螺栓中心至底板旋转中心的距离。

（2）用受剪螺栓联接

如图（c）所示，各螺栓的工作载荷F_s。与其中心至底板旋转中心的连线垂直。忽略联接中的预紧力和摩擦力，则根据底板的静力平衡条件得：

根据螺栓变形协调条件，各螺栓的剪切变形量与其中心至底板旋转中心的距离成正比。因为螺栓剪切刚度相同，所以各螺栓的剪力也与这个距离成正比，于是

、…等可通过联立解上两式求出。

5．受翻转力矩M的螺栓组联接

如图6-7所示，为另一底板螺栓联接，采用受拉螺栓。假设被联接件是弹性体但其接合面始终保持为平面，且在M作用下底板有绕通过螺栓组形心的轴线O-O翻转的趋势。根据底板的静力平衡条件得：

图6-7  受翻转力矩的螺栓组联接

根据螺栓变形协调条件，各螺栓的拉伸变形量与其中心至底板翻转轴线的距离成正比。所以左边螺栓的工作载荷和右边基座在螺栓处的压力也与这个距离成正比，即

F₁、F₂、…等可通过联立解上两式求出。

五、提高螺栓联接强度的措施

1．均匀螺纹牙受力分配

（1）均匀螺纹牙受力分配不均匀的原因

螺栓和螺母传力时其旋合各圈螺纹牙的受力不是均匀的。参看图6-8（a）的受拉螺栓与受压螺母组合，螺栓杆拉力自下而上由F递减为零，并通过螺纹牙传给了螺母；螺母体压力则自上而下由零递增为F。

（2）螺纹牙受力比较均匀的方法

①改进螺母结构

a．悬置螺母，使母体和栓杆的变形一致，可提高螺栓疲劳强度达40％；

b．内斜螺母，可减小原受力大的螺纹牙的刚度而把力分移到原受力小的牙上，可提高螺栓疲劳强度达20％；

c．环槽螺母，利用螺母下部受拉且富于弹性可提高螺栓疲劳强度达30％。

图6-8  螺纹牙的受力

②改善螺纹牙受力分配

如果螺母材料软、弹性模量低，例如钢螺栓配用有色金属螺母，则可改善螺纹牙受力分配，提高螺栓疲劳强度达40％。

③装钢丝螺套

钢丝螺套由菱形截面钢丝绕成，类似螺旋弹簧（如图6-9所示），装于螺纹孔或螺母中，有减轻螺纹牙受力不均和冲击振动的作用，可提高螺钉或螺栓疲劳强度达30％。

图6-9  钢丝螺套的结构和应用

2．减小附加应力

（1）弯曲应力产生的原因

钩头螺栓引起的弯曲应力很大，应尽量少用。此外，被联接件、螺栓头部、螺母等的承压面倾斜，螺纹孔不正，都会引起弯曲应力。

（2）减小或避免弯曲应力的结构措施

几种结构措施见图6-10。在工艺上要求螺纹孔轴线与联接中各承压面垂直。

图6-10  使栓杆减免弯曲应力的措施举例

3．减轻应力集中

（1）应力集中的产生

螺纹的牙根和收尾、螺栓头部与栓杆交接处，都有应力集中，是产生断裂的危险部位；特别是在旋合螺纹的牙根处，由于栓杆拉伸，牙受弯剪，而且受力不均，情况更为严重。

（2）减轻应力集中的方法

①适当加大牙根圆角半径以减轻应力集中，可提高螺栓疲劳强度达20％～40％；

②在螺纹收尾处用退刀槽、在螺母承压面以内的栓杆有余留螺纹等，都有良好效果。

4．降低应力幅

（1）应力幅与疲劳强度的关系

螺栓的最大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度越高。在工作载荷和剩余预紧力不变的情况下，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度都能达到减小应力幅的目的，但预紧力则应增大。当螺栓刚度为被联接件刚度的一半时，螺栓拉力变化幅仅为工作载荷变化幅的三分之一。

（2）减小螺栓刚度的措施

①适当增大螺栓的长度；

②部分减小栓杆直径或作成中空的结构，如柔性螺栓；

③在螺母下面安装弹性元件，当工作载荷由被联接件传来时，也能起到柔性螺栓的效果。

5．选择恰当的预紧力并保持不减退

由于多种因素的影响，螺栓和被联接件的刚度不变只恰当地增大预紧力，能提高螺栓的疲劳强度。

6．改善制造工艺

（1）采用辗制螺纹时，螺栓疲劳强度可较车制螺纹高30％～40％；热处理后再滚压的效果更好；

（2）碳氮共渗、渗氮、喷丸处理都能提高螺栓疲劳强度；

（3）受剪螺栓联接，提高其强度的主要措施是增强孔壁强度；

（4）各种形式杆孔过盈配合和冷挤压胀孔技术能有效提高联接的疲劳强度。

六、螺旋传动

1．螺旋传动的定义

螺旋主要用以变回转运动为直线运动，同时传递能量或力，也可用以调整零件的相互位置，有时兼有几种作用。根据螺纹副的摩擦情况，可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。

2．滑动螺旋传动

（1）螺纹副耐磨性计算

磨损多发生在螺母，把螺纹牙展直后相当于一根悬臂梁。耐磨性的计算在于限制螺纹副的压强。设轴向力为F，相旋合螺纹圈数，此处Ｈ′是螺母旋合长度，P为螺距，则验算计算式为:

d₂为螺纹中径；h为螺纹工作高度，梯形和矩形螺纹h=0.5p，锯齿形螺纹h=0.75p；[p]为许用压强。引用系数以消去H′得

（2）螺纹牙强度计算

螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。牙的剪切和弯曲强度条件分别为：

d为螺母螺纹大径；t₁为螺纹牙底宽度，梯形螺纹t₁=0.634p，矩形螺纹t=0.5p，锯齿形螺纹t₁=0.736p；[τ]和[σ_b]为许用切应力和弯曲应力。螺母和螺杆材料相同时，按螺杆计算，d改用d₁。

（3）螺杆强度计算

螺杆受有压力（或拉力）F和扭矩r，根据第四强度理论，其强度条件为：

（4）螺纹副自锁条件

ψ＜ρ_v

（5）螺杆稳定性计算

螺杆受压时的稳定性验算式为：

F_cr,为螺杆的稳定临界载荷；E为螺杆材料的弹性模量；I为螺杆危险截面的轴惯性矩；β为长度系数，与两端支座形式有关：两端铰支，或一端固定、一端移动时为1；一端固定、一端自由，或一端铰支、一端移动时为2；两端固定时为1/2。