第13章螺紋聯(lián)接

13.1螺紋的類型、參數(shù)及應(yīng)用

13.2螺紋連接的預(yù)緊與防松

13.3螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計

13.4螺栓連接的強度計算

13.5提高螺栓連接強度的措施習題13.1螺紋的類型、參數(shù)及應(yīng)用13.1.1螺紋

1.螺紋的形成、特點和應(yīng)用圖13-1螺旋線的形成表13-1常用螺紋的特點和應(yīng)用2.螺紋的主要參數(shù)圖13-2螺紋的主要參數(shù)

（1）大徑d(D)：它是與外螺紋牙頂或內(nèi)螺紋牙底相重合的假想圓柱的直徑，一般定為螺紋的公稱直徑。（2）小徑d1(D1)：它是與外螺紋牙底或內(nèi)螺紋牙頂相重合的假想圓柱的直徑，—般取為外螺紋危險剖面的計算直徑。

(3)中徑d2(D2)：螺紋的牙厚與牙間相等處的假想圓柱直徑。

(4)螺距P：相鄰兩牙在中徑上對應(yīng)兩點間的軸向距離。

(5)螺紋線數(shù)n：沿一條螺旋線形成的螺紋稱為單線螺紋，n＝1。沿兩條或兩條以上，在周向等角度分布，在軸向等間距分布的螺旋線形成的螺紋稱為多線螺紋。如圖13-3(a)為單線螺紋，圖13-3(b)為雙線螺紋。聯(lián)接螺紋要求自鎖，一般用單線螺紋；傳動螺紋要求傳動效率高，多用雙線螺紋或三線螺紋。為便于制造，一般線數(shù)不超過4線。圖13-3螺紋的線數(shù)和旋向(6)導程s：同一條螺旋線上的相鄰兩牙在中徑上對應(yīng)兩點間的軸向距離。若螺旋線數(shù)為n，則s＝nP。

(7)螺旋升角φ：在中徑圓柱上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角，其展開形狀如圖13-1所示。計算式為（13-1）(8)牙型角α：軸向剖面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。

(9)牙型斜角β：軸向剖面內(nèi)，螺紋牙型的側(cè)邊與螺紋軸線的垂線間的夾角。對三角形、梯形等對稱牙型，β＝α／2。(10)螺紋的旋向：圖13-3中，螺紋按旋向可分為左旋螺紋和右旋螺紋，將螺旋體的軸線垂直放置，螺旋線的可見部分自左向右上升的，為右旋(如圖13-3(a))；反之為左旋(如圖13-3(b))。常用螺紋為右旋螺紋，只有在特殊情況下才采用左旋螺紋。13.1.2螺紋聯(lián)接表13-2螺紋聯(lián)接的主要類型表13-2螺紋聯(lián)接的主要類型表13-3螺紋聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)特點表13-3螺紋聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)特點表13-3螺紋聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)特點13.2螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松13.2.1螺紋聯(lián)接的預(yù)緊在實際工程中，絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都必須擰緊，稱為預(yù)緊。從而使聯(lián)接在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加的作用力稱為預(yù)緊力，用F′表示。預(yù)緊的目的是為了增強聯(lián)接的可靠性、緊密性和剛性；提高聯(lián)接的防松能力，防止受載后被聯(lián)接件間出現(xiàn)間隙或發(fā)生相對位移；對于受變載荷的螺紋聯(lián)接還可提高其疲勞強度。擰緊時，用扳手施加擰緊力矩M，以克服螺旋副中的阻力矩M1和螺母支承面上的摩擦阻力矩M2，故擰緊力矩M＝M1＋M2。螺旋副間的摩擦力矩為（13-2）對于M10～M68的粗牙普通螺紋，無潤滑時可取（13-3）式中：

F′——預(yù)緊力，N；d——螺紋公稱直徑，mm；ρv——當量摩擦角，ρv=arctanfv

，fv=f/cosβ，f為摩擦系數(shù)，β為牙型斜角。圖13-4測力矩扳手13.2.2螺紋聯(lián)接的防松在靜載荷作用下，聯(lián)接螺紋的螺旋升角φ較小，能滿足自鎖條件(φ≤ρv)。但在受沖擊、振動或變載荷以及溫度變化大時，聯(lián)接有可能自動松脫，容易發(fā)生事故。因此在設(shè)計螺紋聯(lián)接時，必須考慮防松問題。防松的根本問題在于防止螺紋副的相對轉(zhuǎn)動。按工作原理有三種防松方式：利用摩擦力防松；利用機械元件直接鎖住防松；破壞螺紋副的運動關(guān)系防松。常用防松方法見表13-4。表13-4螺紋聯(lián)接常用的防松方法表13-4螺紋聯(lián)接常用的防松方法表13-4螺紋聯(lián)接常用的防松方法13.3螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計

實際工程中，螺栓聯(lián)接常成組使用，構(gòu)成螺栓組聯(lián)接。螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)綜合考慮以下幾個方面：（1)接合面應(yīng)盡量設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀(如圖13-5)，盡量對稱布置螺栓，使螺栓組的幾何中心與接合面的形心重合。這樣便于加工和裝配，接合面受力也比較均勻。

(2)使螺栓組能承受較大的載荷，如彎矩或轉(zhuǎn)矩，應(yīng)盡量將螺栓布置在靠近接合面的邊緣。同一螺栓組中各螺栓的材料、直徑和長度應(yīng)相等。(3)為便于鉗工劃線、鉆孔，螺栓應(yīng)布置在同一圓周上，螺栓數(shù)目取易等分的數(shù)字，如3，4，6，8，12等。

(4)考慮裝拆的需要，布置螺栓時，螺栓之間及螺栓與箱體側(cè)壁之間應(yīng)留有足夠的扳手空間。具體尺寸可查有關(guān)機械設(shè)計手冊。

(5)對于承受較大橫向載荷的螺栓組聯(lián)接，可采用銷、套筒、鍵等抗剪零件來承受部分橫向載荷(如圖13-6)，以減少螺栓的預(yù)緊力及其結(jié)構(gòu)尺寸。

(6)與螺栓接觸的被連接件表面應(yīng)平整，并垂直于螺栓的軸線，可采用如圖13－7所示的支承面結(jié)構(gòu)。圖13-5螺栓組的布置圖13-6承受橫向載荷的減載裝置圖13-7支撐面結(jié)構(gòu)13.4螺栓聯(lián)接的強度計算13.4.1松螺栓聯(lián)接的強度計算螺栓的強度條件為（13-4）

螺栓的計算公式為：（13-5）式中：［σ］——松螺栓聯(lián)接的許用應(yīng)力，MPa，其值查表13-6；

F——軸向工作載荷,N；

d1——螺栓小徑,mm。圖13-8松螺栓聯(lián)接表13-7受剪螺栓的許用應(yīng)力13.4.2受橫向載荷緊螺栓聯(lián)接的強度計算

1.普通螺栓聯(lián)接

如圖13-9所示，在橫向工作載荷Fs作用下，被聯(lián)接件在接合面上有相對滑移的趨勢。為防止滑移，需擰緊螺栓，使螺栓產(chǎn)生預(yù)緊力F′。由預(yù)緊力F′所產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)大于或等于橫向工作載荷Fs，即或（13-6）式中：F′——單個螺栓所受軸向預(yù)緊力，N；Fs——單個螺栓所受的橫向載荷，N；f——接合面間的摩擦系數(shù)，見表13-8；m——接合面數(shù)（如圖13-9所示，m=2）；z——聯(lián)接螺栓數(shù)；Kn——聯(lián)接可靠性系數(shù)，一般取足Kn=1.1～1.5。圖13-9受橫向工作載荷的普通緊螺栓聯(lián)接表13-8被聯(lián)接件接合面間的摩擦系數(shù)f值

普通緊螺栓聯(lián)接，在擰緊螺母時，螺栓不僅受到預(yù)緊力F′產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ，還受到扭矩Ｍ（見式（13-3））產(chǎn)生的切應(yīng)力τ，螺栓處于拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合作用。對于M10～M68普通螺紋的鋼制螺栓，應(yīng)用第四強度理論，計算螺栓危險剖面的當量應(yīng)力為

由上式可知，受預(yù)緊力的鋼制螺栓，預(yù)緊后受復(fù)合應(yīng)力，在計算強度時可將拉力增大30％，當作只受軸向拉力計算螺栓的強度。因此，只受預(yù)緊力作用的緊螺栓聯(lián)接的強度條件為(13-8)(13-7)

螺栓的設(shè)計計算公式為式中：［σ］——緊螺栓聯(lián)接的許用應(yīng)力，見表13-6。在不控制預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接中，［σ］隨著安全系數(shù)S的不同而改變，而S又隨著螺紋直徑d的不同而變化，故需采用試算法。所謂試算法就是先假定一個螺栓的公稱直徑d，按d查表13-6選取安全系數(shù)S，隨后算出［σ］，將［σ］代入式（13-9）進行計算。如算出的公稱直徑略小于或等于初設(shè)的公稱直徑，計算即可結(jié)束。否則，需重新假設(shè)螺栓直徑，按上述步驟繼續(xù)進行計算，直到計算出螺栓直徑與假設(shè)的螺栓直徑基本相符為止。(13-9)2.采用鉸制孔精制螺栓聯(lián)接圖13-10鉸制孔螺栓聯(lián)接螺栓與孔壁的抗擠壓強度條件為（13-10）

螺栓桿的抗剪強度條件為（13-11）式中:Fs——單個螺栓所受的橫向載荷，N；

d0——螺栓桿剪切面直徑，mm；

m——接合面數(shù)；

h——螺栓桿與孔壁擠壓面間的最小接觸高度，mm；［σ］p——螺栓和被聯(lián)接件中強度較弱材料的許用擠壓應(yīng)力,MPa，查表13-7；［τ］——螺栓的許用切應(yīng)力,MPa，查表13-7。13.4.3受軸向工作載荷的緊螺栓聯(lián)接圖13-11受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接表13-9殘余預(yù)緊力F″的推薦值螺栓的強度校核公式為（13-12）螺栓的計算公式為式中：F0——單個螺栓所受的軸向載荷，單位為N。F0=F′+F″，F(xiàn)″為殘余預(yù)緊力，見表13-9。（13-13）13.5提高螺栓聯(lián)接強度的措施13.5.1改善螺紋牙間的載荷分配圖13-12旋合螺紋間的載荷分布圖13-13改進的螺母結(jié)構(gòu)13.5.2降低螺栓的軸向工作載荷圖13-14柔性螺栓圖13-15汽缸密封結(jié)構(gòu)13.5.3減小應(yīng)力集中圖13-16減小應(yīng)力集中的措施13.5.4避免附加彎曲應(yīng)力由于制造和裝配誤差以及被連接件的變形，或由于支承面不平，都將在螺栓中引起附加彎曲應(yīng)力，嚴重降低螺栓的強度。應(yīng)從工藝和結(jié)構(gòu)上采取措施，如規(guī)定支承面的加工要求。為減小被連接件的加工面，常將其制成凸臺或沉頭座，采用球面墊圈等，如圖13－7所示。13.5.5工藝措施如冷鐓頭部和輾壓螺紋的螺栓，由于金屬流線的走向合理，表面層有殘余壓應(yīng)力，其疲勞強度比車制螺栓提高30％～40％。

【例13-1】如圖13-9所示的緊螺栓聯(lián)接，已知橫向載荷Fs=20000N，接合面數(shù)m=2，摩擦系數(shù)f=0.12，螺栓數(shù)z=2。不嚴格控制預(yù)緊力，試確定螺栓的公稱直徑。

解此例為工作中只受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接。取聯(lián)接的可靠性系數(shù)Kn=1.2，并將已知值代入上式，得：(2)螺栓的材料選用Q235，由表13-5查其σS=240MPa。

(3)按式(13-9)用試算法計算螺栓的公稱直徑d。假設(shè)螺栓為M20，由GB／T196－1981查得d1=17.294mm。計算許用應(yīng)力［σ］。查表13-6，取S=3。計算螺紋小徑d1′。由式(13-9)

計算所得的螺紋小徑。d1′大于假設(shè)的d1，故需重新計算。假設(shè)螺栓為M36，由GB／T196—1981查得d1=31.670mm。計算許用應(yīng)力［σ］。查表13-6，取S=2。再計算螺紋小徑所以，M36的螺栓合適。習

題13-1

試說明普通聯(lián)接螺紋、管螺紋、傳動螺紋的特點及其螺紋的基本參數(shù)。

13-2

如何判斷螺紋的旋向？螺紋的導程和螺距是什么關(guān)系？

13-3

為什么絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接都要預(yù)緊？主要有哪些防松措施？

13-4

為避免螺紋聯(lián)接承受過大的軸向載荷或橫向載荷，可分別采用哪些措施？

13-5

普通緊螺栓聯(lián)接時受預(yù)緊力F′和扭矩M的共同作用，試寫出螺栓的剛度準則和設(shè)計方程。13-6

為什么說螺栓的受力與被聯(lián)接件承受的載荷既有聯(lián)系又有區(qū)別？被聯(lián)接件受橫向載荷時螺栓是否就一定受剪？

13-7

試確定題13-7圖所示的鑄鐵凸緣聯(lián)軸器的緊聯(lián)接螺栓的公稱直徑d。已知條件：聯(lián)軸器接合面外徑D＝300mm，內(nèi)徑D1＝150mm，接合面對數(shù)m＝1