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1、第七章 螺纹连接与螺旋传动 为了便于机器的制造、安装、维修和运输，在机器和设备的各零、部件间广泛采用各种联接。联接分可拆联接和不可拆联接两类。不损坏联接中的任一零件就可将被联接件拆开的联接称为可拆联接，这类联接经多次装拆仍无损于使用性能，如螺纹联接、链联接和销联接等。不可拆联接是指至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接，如焊接、铆钉联接和粘接等。螺纹联接和螺旋传动都是利用具有螺纹的零件进行工作的，前者作为紧固联接件用，后者则作为传动件用。本章主要讨论螺纹联接的结构、计算和设计，重点介绍单个螺栓联接的强度计算、螺栓组的受力分析及提高螺栓联接强度的措施。一、教学要求1.掌握螺纹连接的基本类型、
2、掌握螺纹连接的预紧和防松；2.掌握单个螺栓连接的强度计算；3.了解螺栓组连接的受力分析，能够根据已知的条件合理的选择螺栓连接。二、教学重点与难点1.螺栓连接的基本类型；2.单个螺栓连接的强度计算；3.螺栓组的设计计算是本章的难点。 7.1 螺纹连接的基本知识7.1.1 螺纹的类型按牙型: 三角形螺纹、管螺纹 联接螺纹 矩形、梯形、锯齿形螺纹传动螺纹，如图7.1按位置： 内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹 外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹三角形螺纹： 粗牙螺纹用于紧固件 细牙螺纹同样的公称直径下，螺距最小，自锁性好，适于薄壁细小零件和冲击变载等根据螺旋线绕行方向： 左旋不常用 右旋常用，如图7.2
3、根据螺旋线头数： 单头螺纹（n=1）用于联接 双头螺纹（n=2）如图 多线螺纹（n2）用于传动 如图7.37.1.2 螺纹的主要参数现以图7.4所示的圆柱普通螺纹为例说明螺纹的主要几何参数。1、大径d 与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱体的直径，在有关螺纹的标准中称为公称直径。2、小径d1 与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱体的直径，是螺纹的最小直径，常作为强度计算直径。3、中径d2 在螺纹的轴向剖面内，牙厚和牙槽宽相等处的假想圆柱体的直径。4、螺距P 螺纹相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。5、导程S 同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点问的轴向距离。设螺纹线数为n，则对
4、于单线螺纹有SP，对于多线螺纹则有Sn P。如图73所示。6、升角 在中径d2的圆柱面上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角，由图74可得 （7.1）7、牙型角 、牙型斜角 在螺纹的轴向剖面内，螺纹牙型相邻两侧边的夹角称为牙型角 。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙型斜角 ，对称牙型的/2，如图7.1所示。7.1.3常用螺纹的特点及应用1、普通螺纹即米制三角形螺纹，其牙型角60，螺纹大径为公称直径，以mm为单位。同一公称直径下有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的称为细牙螺纹，如图7.5所示。普通螺纹的当量摩擦系数较大，白锁性能好，螺纹牙根的强度高，广泛应用于各种紧固联接。
5、一般联接多用粗牙螺纹。细牙螺纹螺距小、升角小、白锁性能好，但螺牙强度低、耐磨性较差、易滑脱，常用于细小零件、薄壁零件或受冲击、振动和变载荷的联接，还可用于微调机构的调整。2、管螺纹管螺纹是英制螺纹，牙型角55，公称直径为管子的内径。按螺纹是制作在柱面上还是锥面上，可将管螺纹分为圆柱管螺纹和圆锥管螺纹。前者用于低压场合，后者适用于高温、高压或密封性要求较高的管联接。3、矩形螺纹牙型为正方形，牙型角0。其传动效率最高，但精加工较困难，牙根强度低，且螺旋副磨损后的间隙难以补偿使传动精度降低。常用于传力或传导螺旋。矩形螺纹未标准化，已逐渐被梯形螺纹所替代。4、梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙型角30。其传动
6、效率略低于矩形螺纹，但工艺性好，牙根强度高，螺旋副对中性好，可以调整间隙。广泛用于传力或传导螺旋，如机床的丝杠、螺旋举重器等。5、矩齿形螺纹 工作面的牙型斜角为3，非工作面的牙型斜角为30。它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的特点，但仅能用于单向受力的传力螺旋。7.1.4螺纹连接的基本类型合理选择螺纹连接需要了解螺纹联接类型的特点及应用场合。正确选用连接类型,熟悉常用连接件的有关国家标准是设计螺纹连接所必须掌握的基本知识。螺纹连接是由带螺纹的零件，即螺纹紧固件和被联接件组成常用联接的基本类型：螺栓联接 、双头螺柱联接、 螺钉联接 、紧定螺钉联接。 表7-1 螺纹连接的基本类型7.1.5
7、 标准螺纹连接件常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈等。 图7.6 螺栓 图7.7 双头螺柱图7.8 螺钉、紧定螺钉的头部和末端图7.9 螺母7.2 螺纹连接的预紧与防松7.2.1螺纹连接的预紧螺纹联接：松联接在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用 紧联接在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力F0预紧目的保持正常工作。如汽缸螺栓联接，有紧密性要求，防漏气，接触面积要大，靠摩擦力工作，增大刚性等。增大刚性增加联接刚度、紧密性和提高防松能力预紧力F0预先轴向作用力（拉力）预紧过紧拧紧力QP过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松拧紧力QP过小，工作不可靠 预紧力的控制：测力矩板手测
8、出预紧力矩，如图7.10a定力矩板手达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑，如图7.10b 图7.10 控制拧紧力矩用的扳手 扳手力矩为 （7-2）式中F。为预紧力，单位为N；d为螺纹的公称直径，单位为mm；K为拧紧力矩系数7.2.2螺纹连接的防松1、防松目的实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故 2、防松原理消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。3.防松方法按其工作原理可分为摩擦防松、机械防松、永
9、久防松和化学防松4大类。常用的防松方法如表7-2所列。7.3 单个螺栓连接的强度计算单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。根据联接的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓。针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，则失效形式是设计计算的依据和出发点。螺栓连接的失效形式和原因 1.失效形式 工程中螺栓联接多数为疲劳失效 受拉螺栓螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂受剪螺栓螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断2.失效原因：应力集中 应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程3、设计计算准则与思路受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强
10、度和剪切强度 表7-2 常用的防松方法7.3.1 受拉螺栓连接1、松螺栓联接 这种联接在承受工作载荷以前螺栓不拧紧，即不受力，如图7-11所示的起重吊钩尾部的松螺接联接。螺栓工作时受轴向力F作用，其强度条件为 （7-3） 式中d1为螺栓危险截面的直径(即螺纹的小径)，单位为mm；为松联接的螺栓的许用拉应力，单位为MPa由上式可得设计公式为 （7-4）计算得出dl值后再从有关设计手册中查得螺纹的公称直径d。 图7.11 松螺栓连接 2、紧螺栓联接只受预紧力的紧螺栓联接 工作前拧紧，在拧紧力矩T作用下：复合应力状态：预紧力F0 产生拉伸应力 螺纹摩擦力矩T1产生剪应力 按第四强度理论：强度条件为：
11、设计公式为：由此可见，紧联接螺栓的强度也可按纯拉伸计算，但考虑螺纹摩擦力矩T的影响，需将预紧力增大30。 承受横向外载荷的紧螺栓联接主要防止被联接件错动 特点：杆孔间有间隙，靠拧紧的正压力(F0)产生摩擦力来传递外载荷，保证联接可靠(不产生相对滑移)的条件为： 若考虑联接的可靠性及接合面的数目，上式可改成 图7.12 受横向外载荷的普通螺栓连接 式中FR为横向外载荷，单位为N；f为接合面间的摩擦系数，；m为接合面的数目；Kf 为可靠性系数，取Kf1.11.3。 强度校核公式为： 设计公式为：承受轴向静载荷的紧螺栓联接这种受力形式的紧螺栓联接应用最广，也是最重要的一种螺栓联接形式。图7.13所示
12、为气缸端盖的螺栓组，其每个螺栓承受的平均轴向工作载荷为 式中p为缸内气压；D为缸径；z为螺栓数 图7.13 气缸盖螺栓连接 图7.14 螺栓的受力与变形图7.14所示为气缸端盖螺栓组中一个螺栓联接的受力与变形情况。假定所有零件材料都服从胡克定律，零件中的应力没有超过比例极限。图7.14a所示为螺栓未被拧紧，螺栓与被联接件均不受力时的情况。图7.14b所示为螺栓被拧紧后，螺栓受预紧力F0，被联接件受预紧压力F0的作用而产小压缩变形1的情况。图7.14c所示为螺栓受到轴向外载荷(由气缸内压力而引起的)F作用时的情况，螺栓被拉伸，变形增量为2，根据变形协调条件，2即等于被联接件压缩变形的减少量。此时
13、被联接件受到的压缩力将减小为F0，称为残余预紧力。显然，为了保证被联接件间密封可靠，应使F00，即12。此时螺栓所受的轴向总拉力应为其所受的工作载荷F与残余预紧力F0之和，即 不同的应用场合，对残余颈紧力F0有着不同的要求一般可参考以下经验数据来确定：对于一般的联接，若工作载荷稳定，取F0(0.20.6)F，若工作载荷不稳定，取F0(0.61.0)F；对于气缸、压力容器等有紧密性要求的螺栓联接，取F0(1.51.8)F。当选定残余预紧力F0后，即可按上式求出螺栓所受的总拉力F，同时考虑到可能需要补充拧紧及扭转剪应力的作用，将增加30，则螺栓危险截面的拉伸强度条件为 设计公式为： 7.3.2受剪切螺栓连接 图7.15 受横向外载荷
