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1、,螺纹联接原理,螺旋是一种简单机械，是斜面类机械的变形,将一与水平面倾斜角为的直线绕在圆柱体上，即可形成一条螺旋线。 如果用一个平面图形（梯形、三角形或矩形）沿着螺旋线运动，并保 持此平面图形始终在通过圆柱轴线的平面内，则此平面图形的轮廓在 空间的轨迹便形成螺纹。,螺旋副啮合条件,螺纹的牙型、大径、螺距、线数和旋向称为螺纹五要素，只有五要 素相同的内、外螺纹才能互相旋合。,螺旋副中的受力分析,：驱动力 ：螺纹之间压力 ：螺旋升角 ：螺距 ：螺纹中径 ：阻尼角,1、螺纹联接原理,螺旋副与螺纹联接,螺纹联接：利用相互形成螺旋副的若干零件，构成的一种机械 静联接形式，以固定被联接件之间的相对位置或姿
2、态，使其无 相对运动。螺纹联接：是一种可拆联接，无须毁坏联接中的任 一零件就可拆开。结构简单，拆装方便，适用范围广,螺纹联接的常见联接形式,螺栓联接：被联接件通孔和螺栓杆之间有间隙，加工精 度要求低，结构简单，装拆方便，不受被联接件材料的 限制，但安装空间较大，需两头同时操作。,双头螺柱联接：用于被联接件不宜制成通孔，且需要经 常拆装的场合。安装和拆卸过程，需要专用工具。如进 排气歧管安装、涡轮增压器安装、线束支架安装等。,螺钉联接：结构简单紧凑，无需螺母，但经常装拆易使 螺纹磨损。发动机大部分螺纹联接皆属于该联接形式。,1、螺纹联接原理,螺纹联接的受力状态,对于整个联接而言，所受的载荷可能为
3、轴向载荷、横向载 荷、弯矩和转矩等，但是对于当个螺栓而言，所受载荷为 轴向力和（或）横向力。 轴向力 拉伸应力 拉伸强度 横向力 剪切应力 剪切强度、挤压强度,产生,计算准则,除了内部的载荷，连接件可能会承受更多 的分离载荷，它们包括但也不局限于： 振动 温度的循环作用 侧向应力(风力, 流量, 压力等等) 负载的改变 这些载荷可能会导致： 残余预紧力丧失，联接出现松动 超出联接件承受极限，联接被破坏失效,发动机螺栓所受载荷一般有以下四种： 1、纯拉力，如发动机缸盖螺栓； 2、纯剪切，如发动机飞轮螺栓； 3、拉力+弯曲，如发动机连杆螺栓； 4、拉力+剪切+弯曲，如轮胎螺栓。,1、螺纹联接原理,
4、螺纹联接的常见失效形式,1）螺栓联接的松动； 2）螺栓杆的拉断； 3）螺栓杆或螺栓孔的压溃； 4）螺栓杆的剪断（螺栓组受弯矩导致螺栓弯曲变形）； 5）螺栓杆的扭断； 6）因如经常拆装而发生滑扣现象,1、螺纹联接原理,螺纹联接的常见失效形式,1）螺纹联接的松动 一般情况下，由于满足自锁条件和摩擦力的防松作用，在静载荷和工作温度变化不大时，螺纹联接不会自动松脱。 但在冲击、振动或变载荷的作用下，螺旋副间的摩擦力可能减小或瞬间消失。当这种情况反复出现后，就会使联接松脱。在高温或温度变化变化较大的情况下，由于螺纹联接件和被联接件的材料发生蠕变和应力松弛，使得联接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，最终导致联接
5、失效。,2）螺栓杆的拉断；螺栓杆或螺栓孔的压溃；螺栓杆的剪断 属于破坏性失效。 一般情况下，在静载荷下螺纹联接是很少被破坏的。一旦出现破坏，就性质而言，约90%的螺栓属于疲劳破坏，且发生于截面面积较小并有缺口应力集中的部位。,1、螺纹联接原理,螺纹联接的常见失效形式,3）螺栓杆的扭断 属于破坏性失效。 在螺纹联接过程中，由于受到螺纹摩擦阻力的影响，螺栓体呈现扭转变形状态，螺栓体横截面受拉应力和剪应力的同时作用。 失效形式：拉断、剪断、拉剪复合失效 实际失效形式与螺栓材质、受力状态有关,滑扣的形成原因： 1）螺纹联接初始阶段，啮合面不吻合，螺纹相互切削破环 2）螺纹联接过程中，螺纹受剪切破坏 3
6、）反复多次装拆，螺纹啮合面磨损，有效受力承载面积减小，出现跳牙,1、螺纹联接原理,螺纹联接的有效性,螺纹联接的静强度校核：,1）拧紧后，螺栓受恒定拉力 ，伸长了 ；被联接件受恒定压力 ，缩短了 。 2）螺栓受轴向工作载荷后，螺栓受的拉力增至 ，螺栓的伸长量增加，成为( +)；同时，被联接件由于螺栓的伸长压缩变形量减少，成为( ) ，被联接件所受压力（预紧力）由 减为剩余预紧力 。,当螺栓工作载荷过大或预紧力 过小时，引起螺纹工作拉伸长度 大于被联接件的形变量，联接会出现缝隙，导致联接失去紧密性，在 变载荷时会产生冲击。因此，应保证 。,1、螺纹联接原理,螺纹联接的有效性,2）螺纹联接的疲劳强度
7、校核：, = + = , ：螺栓变载时的许用应力幅 ：螺纹尺寸系数，与之成反比 ：螺纹制造工艺系数，车制螺纹取1，辗制螺纹取1.25 ：各圈螺纹牙受力不均匀系数，受压螺母取1，受拉（部分受拉）螺母取1.51.6； ：螺纹应力集中系数,为避免失效，螺纹联接的设计准则： 1）预紧螺栓在轴向疲劳过程中，承受的总拉力并不是预紧力和轴向力之和，而是残余预紧力与轴向力之和。所以，保证足够的残余预紧力是预紧螺栓联接副服役过程不发生失效破坏的必要条件。 2）螺纹联接要有适当的拧紧力矩和防松措施。 3）根据所受载荷情况，通过强度计算来确定螺栓的直径和性能等级。 4）在使用中发现螺纹紧固件出现磨损，及时更换磨损件
8、。,1、螺纹联接原理,螺纹联接的有效性,3）提高螺纹联接有效性的措施： a) 改善螺纹制造工艺,(1)一般的加工工艺： 热轧盘条 冷拨(冷镦粗加工成型)、球化(软化)退火 机械除鳞/酸洗(去除冷镦后的氧化层) 冷拨(改制原材料的尺寸；通过变形强化 作用使紧固件获得基本的机械性能) 冷锻塑形成形、螺纹加工(冷加工) 热处理(调质、回火等) 涂层或密封,(2)采用冷镦头部和辗制螺纹的制造工艺： 1）由于冷作硬化的作用，螺纹表面的强度和硬度较高，但表层有残余压应力； 2）无切削过程，金属流线合理，螺栓疲劳强度比切削螺纹高35%左右； 3）增加适当热处理，如碳氮共渗、渗氮、喷丸等，提高螺栓疲劳强度。,
9、1、螺纹联接原理,螺纹联接的有效性,b) 选用合理性能等级的螺栓,钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级。 螺栓性能等级的含义是国际通用的标准，相同性能等级的螺栓，不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选用性能等级即可。 螺母的性能等级分7个等级，从4到12。螺栓和螺母的性能等级应配合使用。,1、螺纹联接原理,螺纹联接的有效性,c) 防松,摩擦防松,机械防松,破坏螺旋副的防松,注意： 提高螺栓拧紧扭矩，只可以提高两个零件的联接程度，但不能起到防松 作用，而且一味的提高扭矩，可能会造成紧固件拉伸变形，一
10、旦超过屈 服极限，就会造成紧固件断裂，联接失效，严重的还会引起其他事故的发生。,1、螺纹联接原理,螺纹联接的有效性,d-1) 减轻应力集中,螺纹的牙根和收尾、螺栓头部与栓杆交接处都有应力集中，是产生疲劳断裂的危险部位。 为减轻应力集中，适当加大牙根圆角半径以可提高螺栓疲劳强度2040%，或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。,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F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均可减小应力幅，但需相应提高预紧力 。 尽量减小预紧螺栓轴向疲劳过程的应力幅，从而提高预紧螺栓联接副抗疲劳破坏的能力。,d-2) 减小螺栓的应力幅,
