螺纹联接的基本类型及预紧技巧

活动情境

1.参观普通车床车制螺纹的过程，注意车床丝杠、刀架等的运动。

2.用扳手等工具装拆一台报废的卷扬机。

任务要求

掌握螺纹的特征，理解联接的作用，会进行简单的螺栓联接结构设计。

任务引领

通过观察与操作回答以下问题：

1.螺纹联接有哪些基本类型？

2.用对顶螺母或弹簧垫圈的目的是什么？

3.螺母拧紧以后不加任何措施会不会自动松开？

4.拧紧扳手时，为什么不能拧得过紧又不能过松？

5.如何保证螺纹联接安全可靠？

归纳总结

4.1.1　螺纹概述

1）螺纹的形成

如图4.1所示，根据螺纹的加工过程不难发现，螺纹实际上是由圆柱体的旋转运动和车刀在圆柱体表面上的直线运动叠加而成的，该轨迹称为螺旋线。

图4.1　车床切削外螺纹

图4.2　螺纹的形成

如图4.2所示，将一直角三角形abc绕在直径为d2的圆柱体上，并使底边ab与圆柱体的底边重合，斜边ac所形成的曲线即为螺旋线。

2）螺纹的分类

螺纹有内螺纹和外螺纹两种类型，二者共同组成螺纹副用于联接和传动。螺纹有米制和英制两种。在我国除管螺纹外都采用米制螺纹。螺纹轴向剖面的形状，称为螺纹的牙型。常用的螺纹牙型有三角形、矩形、梯形、锯齿形及管螺纹等，如图4.3所示。其中，三角形螺纹主要用于联接，其余多用于传动。

图4.3　螺纹的牙型

（1）三角形螺纹（普通螺纹）

牙型角为60°，可分为粗牙和细牙。粗牙用于一般联接；与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。

（2）矩形螺纹

牙型角为0°，适于作传动螺纹。

（3）梯形螺纹

牙型角为30°，是应用最为广泛的传动螺纹。

（4）锯齿型螺纹

两侧牙型角分别为3°和30°，3°的一侧用来承受载荷，可得到较高效率；30°一侧用来增加牙根强度。它适用于单向受载的传动螺纹。

（5）管螺纹

多用于有紧密性要求的管件联接，牙型角为55°，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角螺纹。

螺纹按螺纹线绕行方向的不同，可分为右旋螺纹和左旋螺纹。机械制造中，常采用右旋螺纹。

根据螺纹线的数目，可将螺纹分为单线螺纹和多线螺纹。

3）螺纹的主要参数

螺纹的主要几何参数如下（见图4.4）：

图4.4　螺纹的主要几何参数

（1）大径d

螺纹的最大直径，在标准中也作公称直径。

（2）中径d2

通过螺纹轴向剖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，近似等于螺纹的平均直径，是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。

（3）小径d1

螺纹的最小直径，在强度计算中常作为危险剖面的计算直径。

（4）螺距p

螺纹相邻两牙在中径上对应两点的轴向距离。

（5）线数n

螺纹的螺旋线数量，也称螺纹头数。

（6）导程s

同一螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点之间的轴向距离。对单线螺纹，s=p；对多线螺纹，s=np。

（7）升角λ

中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角，即

（8）牙型角α、牙型角β

在螺纹的轴向剖面内，螺纹牙型两侧边的夹角，称为牙型角α。牙型侧边于螺纹轴线的垂线之间的夹角，称为牙侧角β。对称牙型的，α=2β。

对这些几何参数值的规定，国际和国内都已标准化。规定的值不同，就会形成不同的螺纹。需要时，可查阅相关的手册和国家标准。

4.1.2　螺纹联接的主要类型及应用

螺纹联接的主要类型有螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接及紧定螺钉联接。它们的主要类型、构造、尺寸及应用见表4.1。

表4.1　螺纹联接的主要类型、构造、尺寸及应用

续表

4.1.3　螺纹联接的预紧和防松

1）螺纹联接的预紧

任何材料在受到外力作用时，都会产生或多或少的形变，螺栓也不例外。当联接螺栓承受外在拉力时，将会伸长。如果在初始时仅将螺母拧上使各个接合面贴合，那么，在受到外力作用时，接合面之间将会产生间隙。因此，为了防止这种情况的出现，在零件未受工作载荷前需要将螺母拧紧，使组成联接的所有零件都产生一定的弹性变形（螺栓伸长、被联接件压缩），从而可有效地保证联接的可靠。这样，各零件在承受工作载荷前就受到了力的作用，这种方式则称为预紧，这个预加的作用力则称为预紧力。

图4.5　测力矩扳手

显然，预紧的目的是：增强联接的紧密性、可靠性，防止受载后被联接件之间出现间隙或发生相对滑移。

经验证明，选用适当较大的预紧力，对螺栓联接的可靠性及螺栓的疲劳强度都是有利的。但过大的预紧力会使紧固件在装配或偶尔过载时断裂。因此，对重要的螺栓联接，在装配时需要控制预紧力。

在装配时，预紧力是借助测力矩扳手或定力矩扳手控制的，如图4.5所示。通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力的。

拧紧力矩T′用来克服螺旋副及螺母支承面上的摩擦力矩。预紧时，螺栓杆所受到的拉力称为预紧力F′。实验表明，M10—M68的常用粗牙普通钢制普通螺纹，无润滑时，有近似公式为

式中　T′——拧紧力矩，N·mm；

　　　F′——预紧力，N；

　　　d——螺纹联接件的公称直径，mm。

对只靠经验而不加严格控制预紧力的重要螺栓，如压力容器、输气、输油管道等联接螺栓，不宜采用小于M12—M16的紧固件。

2）螺纹联接的防松

机械中联接的失效（松脱），轻者会造成工作不正常，重者要引起严重事故。因此，螺纹联接的防松是工程工作中必须考虑的问题之一。

一般来说，联接螺纹具有一定的自锁性，在静载荷条件下并不会自动松脱。但是，由于联接的工作条件是千变万化、各不相同的具体实际场合，都不可避免地存在冲击、振动、变载荷作用。因此，在这些工况条件下，螺纹副之间的摩擦力会出现瞬时消失或减小的现象；同时，在高温或温度变化较大的场合，材料会发生蠕变和应力松弛，也会使摩擦力减小。在多次的作用下，就会造成联接的逐渐松脱。

防松的本质是防止螺纹副的相对转动，也就是螺栓与螺母之间的相对转动（内螺纹与外螺纹之间）。

常用的防松方法有3种，即摩擦防松、机械防松和永久防松，见表4.2。

表4.2　常用防松方法及其特点

续表

拓展延伸

1）螺栓联接的结构设计

一般情况下，螺栓联接都是成组使用的。设计安装螺栓联接时，必须考虑各个螺栓工作时均匀的承受载荷，因此，合理布置各个螺栓的位置是十分重要的。通常应考虑以下问题：

（1）螺栓的布置

布置螺栓位置时，螺栓与螺栓、螺栓与箱体壁之间给扳手留有足够的空间，以便于装拆（见图4.6）。

图4.6　扳手空间

（2）螺栓组的布置

①螺栓组的布置尽可能对称，以使结合面受力均匀，一般都将结合面设计成对称的简单几何形状，并应使螺栓组的对称中心与结合面的形心重合（见图4.7）。

②当螺栓联接承受弯矩和转矩时，应尽可能地把螺栓布置在靠近结合面边缘，以减少螺栓中的载荷。

图4.7　螺栓组的布置

③同一圆周上螺栓的数目宜取2，3，4，6，8等易于分度的数目，以便于加工。

④同一组的螺栓，尽可能采用相同的材料和规格，以便安装。

2）螺栓联接的强度计算

螺栓联接的强度计算，主要是确定螺栓的直径或校核螺栓危险截面的强度。至于标准螺纹联接件的其他尺寸，按照等强度的原则及使用经验由标准确定，不必计算。

（1）松螺栓联接的强度计算

松螺栓联接，螺母、螺栓和被联接件不需要拧紧，在承受工作载荷前，联接螺栓是不受力的。典型的结构有起重机吊钩，如图4.8所示。

该螺栓联接在外载荷F作用下，其强度条件式为

或

式中　d1——螺纹的小径，mm；

　　　[σ]——许用拉应力，MPa，且

图4.8　起重机吊钩

　　　σ——材料的屈服极限；

　　　S——安全系数，安全系数需要根据具体情况，参照有关标准和设计规范选择。

（2）紧螺栓联接的强度计算

这种装配，螺栓将承受预紧力和工作载荷的双重作用。工作载荷的作用方式有横向载荷和轴向载荷两种。

①承受横向载荷作用时的强度计算

同样的承受横向载荷，螺栓联接的方式又有两类：普通螺栓联接和铰制孔螺栓联接。

对这两类联接方式，其对应的失效方式是不同的。对于普通螺栓联接来说，如果两联接接合面间发生相对滑移，即被视为失效；而铰制孔螺栓联接是依靠螺栓受挤压的强度决定的。

对普通螺栓联接（见图4.9），强度的计算准则为：预紧力在接合面所产生的摩擦力必须足以阻止被联接件之间的相对滑移。

图4.9　承受横向载荷的螺栓联接

设螺栓组中各螺栓所承担的载荷是均等的，则强度关系式可表示为

螺栓杆的计算应力为

式中　Qp——每个螺栓所受的预紧力；

　　　z，i——螺栓组中的螺栓数目及接合面数；

　　　f——接合面之间的摩擦系数（根据材质的不同而变化）；

　　　Ks——可靠性系数，一般可取Ks=1.1~1.3；

　　　FΣ——外载总和。

已知，f一般较小，远小于1，这时的Qp需要很大才能满足要求，势必要增加螺栓直径。为避免这种缺陷，可采用如图4.10所示的减载装置结构，利用键、套筒或销来承受横向工作的载荷，使螺栓只用来保证联接，而不再承受工作载荷，因此预紧力不需要很大。

图4.10　减载装置

这种装置的联接强度是按减载零件（键、套筒或销）的剪切、挤压强度条件进行计算。

此外为简化结构，还可采用铰制孔螺栓联接，如图4.9（b）所示。因为螺栓杆与孔壁之间没有间隙，当承受横向载荷时，接触表面受挤压，在联接接合面处，螺栓杆则承受剪切。因此，应对螺栓杆与孔壁配合面的挤压强度和钉杆横剖面的抗剪切强度进行验算。强度验算式为

式中　d0——螺杆与孔壁配合部分的直径；

　　　Lmin——螺杆与被联接件孔壁受挤压面的最小高度，按具体要求选取，一般Lmin≥1.25d0。

②承受轴向载荷时的强度计算。

受轴向载荷的额紧螺栓联接是工程上使用最多的一种联接方式。这时，必须同时考虑预紧力和外载力对联接的综合影响。如图4.11所示为螺栓联接的预紧和工作的全过程中螺栓与被联接件受力变形过程的结构示意图（注意：为了说明问题，图中的尺寸有些夸大）。

图4.11　单个紧螺栓联接受力变形图

当螺栓未拧紧时，螺栓和被联接件都处于自然状态。当施加预紧力Qp后，螺母拧紧，螺栓杆对应于Qp伸长λb，被联接件在Qp的作用下产生压缩变形量为λm。当联接上作用有外载F时，螺栓杆将继续伸长，其增量为Δλ，被联接件因压力减小而产生部分弹性恢复，其压缩变形的恢复量也应该等于Δλ。此时，被联接件上的残余压力，称为残余预紧力，用Q′p表示。螺栓杆上所受的总拉力Q可表示为

可知，螺栓杆和被联接件的变形是彼此相关的，作用在螺栓上的总拉力Q并不等于预紧力和外载力之和，这一点计算中要特别注意。

外载荷可通过对螺栓组的受力分析求得。对残余预紧力Q′p，一般按螺栓联接要求或重要程度由经验选取，都必须使Q′p>0。在没有资料时，可按下面推荐值选用：

=（0.2~0.6）F，一般联接，工作载荷稳定。

=（0.6~1.0）F，一般载荷，工作载荷不稳定。

=（1.5~1.8）F，要求由密封性的联接。

Q′p≥F，地脚螺栓联接。

为了保证可靠预紧，在求得Q后，考虑其他因素（如扭转剪切应力等）的影响，应将Q增加30%，故

（3）螺纹紧固件的材料与许用应力

①材料。

螺纹紧固件的材料是多种多样的，以满足不同行业不同用途的需要。常用的有Q215，Q235，以及10，35和45钢。对承受冲击、振动的，可采用高强度材料，如15Cr，40Cr，30CrMnSi等；用作其他特殊用途的可采用特殊材料，如不锈钢等。

螺纹联接件常用材料的力学性能见表4.3。

表4.3　螺纹联接件常用材料的力学性能

②许用应力

螺纹联接件的许用应力与载荷性质、装配情况以及螺纹联接的材料、结构尺寸等因素有关。静载荷下的许用应力由表4.4确定，对不同预紧力的受拉紧螺栓联接的许用应力值需用试算法确定。

表4.4　螺纹联接件在静载荷下的许用应力和安全系数

例4.1　某钢制凸缘联轴器（见图4.12），用6个普通螺栓联接，不控制预紧力。已知螺栓均布在直径D=250mm的圆上，联轴器传递的转矩T=800000N·mm。试确定螺栓的直径。

分析：此螺纹联接为承受横向载荷的普通螺栓联接，由式（4.5）求解预紧力F、式（4.6）求解螺栓小径。

解　（1）计算螺栓组所受的总圆周力FΣ为

图4.12　普通螺栓联接的凸缘联轴器

（2）计算单个螺栓所受预紧力F′为

（3）计算螺栓小径

①选择螺栓材料：由表4.3选螺栓材料为Q235，屈服点σs=240MPa。

②初定螺栓M16。由表4.4查得[S]=3，则[σ]=σs/[S]=240MPa/3=80MPa

③计算螺栓小径为

（4）确定螺栓公称直径

由标准可查出粗牙螺纹小径大于13.29mm的d1=13.835mm对应的公称直径为M16。与初定相符。

（5）结论

需用螺栓为M16。

自测题

一、判断题

1.螺纹的公称直径指的是螺纹中径。（　）

2.细牙螺纹常用于薄壁零件和微调装置。（　）

3.自行车左右脚踏板都是右旋螺纹。（　）

4.双头螺柱联接多用于不经常拆卸的场合。（　）

5.所有的螺栓联接都需要预紧。（　）

6.防松的实质就是防止螺纹副的相对运动。（　）

二、选择题

1.机器中一般用于联接的螺纹是（　）。

A.矩形螺纹　B.三角形螺纹　C.梯形螺纹

2.下列哪些属于机械防松？（　）

A.弹簧垫圈　B.对顶螺母　C.槽形螺母+开口销

3.为了便于加工，同一圆周上的螺栓的数目宜取（　）。

A.偶数　B.奇数　C.自然数

三、术语·标记·解释

1.螺距。

2.M14×1-7H8H。

3.G2A-LH。

4.Tr24×14(P7)LH-7e。