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1、螺纹连接的应用（盐城师范学院 物理科学与电子信息技术 10（4）班，盐城 224002）摘要：简单介绍螺纹连接的基本知识，螺纹连接的预紧和防松以及简单的设计计算，以理论和举例的形式讲述常用的螺纹的适用范围,具体说明螺纹连接在机械设计中的应用以及螺纹的设计要求。关键词：螺纹；螺纹连接；机械设计；应用The Application of Screw ConnectionTian Yang(School of Physical and Electron , YanCheng Teachers University, YanGheng224002,China)Abstract: Introduce t
2、he basic knowledge of Screw Connection easily ,the tight and close of Screw Connection and brief design calculation of Screw Connection .In the form of theory and give some example to introduce the operation limits ,explain the application of Screw Connection in design of machinery and its design de
3、mand concretely.0 引言随着经济和科技的迅速发展，各种机械被广泛的应用在人们的生活和生产中，机械的种类繁多，形式结构和用途也各有不同。螺纹连接作为一种连接方式在很多机器机构中发挥了很重要的作用。我在此对螺纹连接及其应用作详细阐述。1 螺纹连接的基本知识 1.1 螺纹的类型1.1.1 根据螺纹体母线的状况可以分为：圆柱螺纹和圆锥螺纹1.1.2 根据牙型可以分为：三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹和矩形螺纹1.1.3 根据旋向可以分为：左旋螺纹和右旋螺纹1.1.4 根据螺旋线的数目可以分为：单线螺纹和多线螺纹1.2 螺纹的主要参数dd2d11）大径 d螺纹的最大直径，即与螺纹牙顶相重
4、合的假想圆柱面的直径，在标准中定为公称直径。2）小径 d1螺纹的最小直径，即与螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径。3）中径 d2通过螺纹轴向截面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱面的直径。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。4）螺距 p螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。5）牙型角 螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角。对称牙型 内螺纹中径和小径的极限偏差1.3 几种常用螺纹的特点和应用1.3.1 普通螺纹 牙型角为 60，统同一公称直径有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，它用于一般连接；其他的都称为细牙螺纹，螺距越小，升角越小，自锁能力越好
5、，常常用于细小和薄壁零件。1.3.2 管螺纹 牙型角为 55，公称直径为管径，分为用螺纹密封和非螺纹密封的螺纹管，用螺纹密封的螺纹其螺纹管制作在锥面上。1.3.3 梯形螺纹 牙型角为 30，是应用最广泛的一种传动螺纹。当采用剖分式螺母时，还可以消除因磨损而产生的间隙，机床的丝杠多用梯形螺纹。1.3.4 锯齿形螺纹 两侧牙型斜角分别为 3和 30。此种螺纹仅仅适用于承受单方向轴向载荷。1.3.5 矩形螺纹 牙型为正方形，牙型角为 0属于非标准螺纹。牙厚为螺距的一半，当量摩擦系数较小，效率较高，但牙根强度较低，螺纹磨损后造成的轴向间隙难以补偿，对中精度低，且精加工较困难，因此，这种螺纹已较少采用。
6、1.3.6 圆柱管螺纹 牙型角 = 55，牙顶呈圆弧形，旋合螺纹间无径向间隙，紧密性好，公称直径为管子的公称通径（图 9-8c） ，广泛用于水、煤气、润滑等管路系统连接中。1.3.7 锯齿形螺纹 锯齿形螺纹工作面的牙侧角为 3，非工作面的牙侧角为 30，兼有矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点，但只能承受单向载荷，适用于单向承载的螺旋传动。螺纹牙强度高，用于单向受力的传力螺旋；如螺旋压力机、千斤顶等。1.4 螺纹连接的基本类型一共有四种基本类型1.4.1 螺栓连接螺栓连接常用于被连接件不太厚和便于加工通孔的场合。有普通螺栓连接和绞制孔用螺栓连接两种。1.4.2 双头螺柱连接 使用两端均有螺
7、纹的螺柱，一端旋入并紧定在较厚被连接件的螺纹孔中，另一端穿过较薄被连接件的通孔。适用于被连接件较厚，要求结构紧凑和经常拆装的场合。1.4.3 螺钉连接 螺钉直接旋入被连接件的螺纹孔中（如教材图 9-14） ，结构较简单，适用于被连接件之一较厚，或另一端不能装螺母的场合。但经常拆装会使螺纹孔磨损，导致被连接件过早失效，所以不适用于经常拆装的场合1.4.4 紧定螺钉连接 将紧定螺钉拧入一零件的螺纹孔中，其末端顶住另一零件的表面（如教材图 9-15） ，或顶入相应的凹坑中。常用于固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。标准螺纹连接件2 螺纹连接的预紧与防松2.1 螺纹连接的预紧（拧紧）预紧的
8、目的：为了提高联接的可靠性、紧密性和防松能力。螺纹连接 1、松连接在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用轻少用2、紧连接在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力。 （预紧力的大小可根据螺栓的受力情况和连接的工作要求决定，一般规定拧紧后不超过螺纹连接材料的屈服极限的 80%）预紧目的：保持正常工作。如汽缸螺栓连接，有紧密性要求，防漏气，接触面积要大性，靠摩擦力工作时，增大刚性等。2.2 螺纹连接的防松螺纹连接一般具有自锁性，此外螺母及螺栓头部的支撑面上的摩擦力也有防松作用，故拧紧后一般不会松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，以及在高温或温度变化较大时，螺纹钢之间的摩擦力会顺时减小或消失
9、，连接就可能松动。防松的关键就是防松螺旋钢的相对转动。防松的原理是防止螺纹副间发生相对转动。防松方法很多，按其工作原理可分为摩擦力防松、机械防松、冲边法防松、粘合法防松等。2.2.1. 摩擦防松 2.2.1.1 弹簧垫片：利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。 2.2.1.2 对顶螺母：增加摩擦放松； 2.2.1.3 自锁螺母：增加摩擦放松； 2.2.2 机械放松 开槽螺母与开口销；圆螺母与止动垫圈27；带翅垫片。变为不可拆连接 端铆、冲点（破坏螺纹）点焊。2.2.3 其它的几种防松方法2.2.3.1、摩擦防松：双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母。尼龙垫圈除防松外还可起密封作用螺母一端做成非圆形收
10、口或开峰后径面收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。2.2.3.2、机械防松：开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，弹簧垫片，轴用带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等。2.2.3.3、永久防松：端铆、冲点（破坏螺纹） 、点焊2.2.3.4、化学防松：粘合3 螺纹连接的强度的简单计算大多数机器的螺纹连接都是成组使用的，其中螺栓连接最具有典型性。螺栓连接强度计算的目的，主要是根据连接的结构形式、材料性质和载荷状态等条件，分析螺栓的受力和失效形式，然后按相应的计算准则计算螺纹小径 d1，再按照标准选定螺纹公称直径 d 和螺距 P 等。螺栓其余部分尺寸及螺母、垫圈等，一般都可根据公称直径
11、d 直接从标准中选定，因为制定标准时，已经考虑了螺栓、螺母的各部分及垫圈的等强度和制造、装配等要求。 （说明：螺栓连接、螺钉连接和双头螺柱连接的失效形式和计算方法基本相同，所以，本节对螺栓连接计算的讨论，其结论对螺钉连接和双头螺柱连接也基本适用。 ）3.1 受横向外载荷的紧螺栓连接 3.1.1. 采用普通螺栓 工作时连接受到与螺栓轴线相垂直的外载荷 FR 的作用。被连接件在预紧力的作用下相互压紧，依靠结合面产生的摩擦力来抗衡外载荷，从而避免产生相对移动。显然，无论工作前还是工作后，螺栓本身仅受装配时由于拧紧螺母而产生的预紧力和螺纹副阻力矩的作用。预紧力使螺栓危险截面上产生拉应力: F0f*z*
12、mKFR FRKFR/ f*z*m（式中：z 连接螺栓的数目；m 结合面数目；f 结合面间摩擦系数，对于钢或铸铁的干燥加工表面，可取 f =0.10.15；K 可靠性系数，亦称防滑系数，通常取 K =1.11.3。 ）由此可得，单个螺栓所需的预紧应力为：=4F0/d12 3.1.2 采用铰制孔用螺栓 绞制孔用螺栓连接一般均需拧紧，由预紧力产生的拉应力对连接强度的 影响可以不计。3.2 受旋转力矩的螺栓组连接在转矩 T 的作用下， 底板有绕螺栓组几何中心轴线旋转的趋势。每每个螺栓连接都受到横向力的作用，分以下两种形式分析：1）普通螺栓连接 2）绞制孔用螺栓连接3.3 受轴向外载荷的紧螺栓连接这种
13、承载形式在紧螺栓连接中比较常见，汽缸与汽缸盖螺栓组连接就是这种连接的典型例子。在这种连接中，螺栓实际承受的总拉力 Fo 并不等于预紧力和轴向工作载荷 F 之和。拧紧后受工作载荷时螺栓受到总拉力 F 作用： F=F+ F0 。此时，由于螺栓受工作载荷 F 的作用，伸长量又增加了 2，被连接件间随螺栓伸长而被放松了 2，故其压紧力由 F0 减小到 F0，被连接件作用与螺栓的反作用力也应为 F0， F0称为剩余预紧力。选取了 F0后，用F=F+ F0 计算出螺栓的总拉力 F 的值。根据受工作载荷 F 的伸长量与被连接件回弹变形量相等的关系，可导出预紧力 F0 与剩余预紧力 F0/的关系为：F0= F
14、0/+(1Kc)F; 式中：Kc=C1/(C1+C2)；C1 为螺栓刚度；C2 为被连接件刚度。 F=F+ F0/=F0+ C1F/(C1+C2)。 由上式可知，当螺栓受轴向工作载荷由 0 至 F 之间变化时，螺栓中总的拉力的变化范围是 F0F。3.4 受倾翻力矩的螺栓连接受倾翻力矩的螺栓螺栓组连接在力矩 M 的作用下，底板有绕通过螺栓组形心轴线旋转的趋势4 螺纹联接件的材料4.1.常用金属材料一般有：碳素钢、合金结构钢、灰口铸铁和可锻铸铁等，有色金属则是以铜、铝为基础的合金。4.1.1.铁碳合金钢和铸铁是汽车上应用最多的金属材料。它们的基本组成是铁和碳两种元素，所以又统称为铁碳合金。根据含碳
15、量不同，铁碳合金可以分为工业纯铁、钢和铸铁。工业纯铁含碳量小于 0.0218%的铁碳合金，钢含碳量在 0.0218%2.11的铁碳合金，钢又可分为碳素钢和合金钢。铸铁含碳量大于 2.11的铁碳合金，按其组织不同，可分为白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。4.1.2. 碳素钢和合金钢。碳素钢含碳量小于 2.11，并含有少量锰、硫、磷等杂质的铁碳合金。实际上应用的碳素钢，碳的含量不超过 1.5。碳素钢按含碳量可分为低碳钢（含碳量小于 0.25） ，中碳钢（含碳量在 0.250.6）和高碳钢（含碳量大于 0.6） 。合金钢钢中除了含碳以外，在冶炼时有目的地加入一定量的合金元素以获得预定性能的钢。
16、目前加入合金钢中的主要元素有锰（0.8%） 、硅（0.4%） 、钛、镍等。4.2.螺纹联接件的材料4.2.1 国家标准规定螺纹联接件按材料的力学性能分出等级（见表 1-4、1-5） ，螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级，自 3.6 至 12.9。螺母的性能等级分为七级，自 4 至 12。选用时，必须注意所用螺母的性能等级应不低于与其相配螺栓的性能等级。4.2.2 适合制造螺纹联接件的材料品种很多，常用材料有低碳钢（10 、15 钢）和中碳钢（35 、45 钢） 。对于承受冲击、振动或变载荷的螺0 纹联接件，可采用低合金钢、合金钢。如 U 型螺栓的材料为 45Mn2。标准规定8.8 级和 8.8 级以上的中碳钢、低碳或中碳合金钢都须经淬火并回火处理。4.2.3 普通垫圈的材料推荐采用 1
