单个螺纹联接的设计.docx
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单个螺纹联接的设计
螺纹联接设计的主要内容有,根据设计任务和结构的需要选择适当的螺纹联接形式、螺纹紧固件的材料和精度等级，考虑强度、刚度、结构等因素或依据经验来确定螺纹紧固件的公称尺寸，需要时选择防松和拧紧方法，以避免联接失效。
1.螺纹紧固件和材料
螺纹紧固件的品种很多，大都已标准化，可直接购置。
常用的螺纹紧固件有：
螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母、垫圈等。
a）螺栓
b）双头螺柱
c）螺钉、紧定螺钉的头部
d）紧定螺钉的末端
e）六角螺母
e）六角扁螺母
e）六角厚螺母
e）圆螺母
常用的螺纹紧固件
国家标准规定螺栓、螺柱、螺钉按机械性能等级分为十级（见GB3098.1－82）：
3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9和12.9。
点前数字为σBmin／100，点后数字为10（σSmin／σBmin）。
σB为材料的拉伸强度极限，σS为屈服极限，单位均为Mpa。
螺母机械性能分级按螺母高度m与螺母螺纹直径D的关系不同分两类（见GB3098.2—82、86）：
当m.≥0.8D时，为4、5、6、8、9、10和12七级；当0.5D≤m＜0.8D时，为04、05两级。
性能等级的数字表示螺母材料σBmin／100值，“0”表示螺母的实际承载能力比后面数字表示的低。
螺母等级与螺栓、螺柱、螺钉等级之间的相配关系标准中也有规定，如4——3.6、4.6、4.，8——8.8等。
标准中还规定螺纹紧固件的制造精度分为精密级、中等级和粗糙级三种。
精密级（4～6级）用于精密螺纹和要求配合变动小回的场合；中等级（7级）用于一般用途；粗糙级（7～8级）用于对精度要求不高的场合。
螺栓的材料常用中碳钢、低碳钢，如A2、A3、10、35和45钢，重要和特殊用途的螺纹联接件可采用合金钢，如：
15Cr、40Cr、30CrMnSi等。
螺母材料为中碳钢。
2.螺纹联接的基本类型和画法
（1）螺纹联接的基本类型
（1）螺栓联接
普通螺栓（受拉螺栓）联接的特点是不用在被联接件上加工螺纹（图a普通螺栓），拆装方便，成本低，应用广泛。
图b为铰制孔用螺栓（受剪螺栓）联接，螺栓杆与孔壁之间没有间隙。
铰制孔螺栓联接适用于承受横向（垂直于螺栓轴线方向）载荷。
（2）双头螺柱联接
双头螺柱联接多用于较厚的被联接件或为了结构紧凑必须采用盲孔的联接（图c）。
该联接要求双头螺柱的一头螺纹必须全部拧入被联接件螺纹中，使得双头螺柱不宜拆卸，可避免多次拆装损坏被联接件的螺纹孔。
（3）螺钉联接
螺钉联接省掉了螺母（图d），结构简单。
但该联接不宜经常拆装，以免损坏被联接件的螺纹孔。
a）普通螺栓联接
b）铰制孔用螺栓联接
c）双头螺柱联接
d）螺钉联接
螺栓联接、双头螺柱联接和螺钉联接
设计中各尺寸的确定见下表。
螺纹联接设计中各尺寸的确定
项目
普通螺栓联接
铰制孔用螺栓
联接
静载荷
变载荷
冲击、弯曲载荷
螺纹余留长度l1
≥（0.3～0.5）d
≥0.75d
≥d
尽可能小
螺纹伸出长度a
≈（0.2～0.3）d
螺栓轴线到被联接件边缘的距离e
d＋（3～6）mm
螺纹孔零件材料
钢或青铜
铸铁
铝合金
螺纹旋入深度H
≈d
≈（1.25～1.5）d
≈（1.5～2.5）d
螺纹孔深度H1
≈H＋（2～2.5）P（P为螺距）
钻孔深度H2
≈H1＋（0.5～1）P（P为螺距）
（4）紧定螺钉联接
紧定螺钉联接常用于固定两零件的相对位置，并可传递较小的力和力矩。
紧定螺钉联接
（2）螺纹联接的画法要注意的问题
（1）当剖切面通过螺栓、螺母、垫圈等标准件时，这些零件均按不剖绘制。
（2）两零件接触表面只画一条线，不接触的相邻表面，不论间隙多大，都应画两条线。
（3）内、外螺纹旋合部分，螺纹大径用粗实线表示，小径用细实线表示。
（4）螺纹孔部分，螺纹小径和螺纹终止线用粗实线表示，大径用细实线表示，剖面线应画到粗实线。
（5）螺纹底孔直径不应大于螺纹内径，头部夹角为120°，钻孔深度应大于螺纹深度。
在装配图中，螺纹紧固件的倒角、退刀槽、缩颈等均可省略不画。
3.螺纹联接的主要失效形式和设计准则
螺纹联接的主要失效形式有：
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；5）因如经常拆装而发生滑扣现象。
为避免这些失效，螺纹联接的设计准则为：
考虑螺纹联接要有适当的拧紧力矩和防松措施，通过强度计算来确定螺栓的直径。
在使用中发现螺纹紧固件出现磨损，应及时更换磨损件。
4.螺栓联接的拧紧和防松
（1）螺栓联接的拧紧
在使用中，绝大多数的螺纹联接都必须在装配时拧紧，称为紧联接。
在拧紧后、承受工作载荷前，紧联接的螺栓就受到轴向力的作用，该轴向力称为预紧力F'，它可以起到一定的防松作用。
所需预紧力F'的大小与工作载荷有关。
重要的联接，在装配时应控制预紧力F'，可通过控制拧紧力矩等方法来实现。
拧紧螺母时的拧紧力矩T，需要克服螺纹副的螺纹力矩T1和螺母与支承面间的摩擦力矩T2，因此：
T=T1+T2=F'tan（ψ+ρv）·d2/2+μF'rf（32-9）
式中d2——螺纹中径；ρv——螺纹当量摩擦角；ψ——螺纹的螺旋升角；μ——螺母与支承面间的摩擦系数；rf——支承面摩擦半径，rf≈（D1＋d0）/4，其中D1、d0。
为螺母支承面的外径和内径。
对于不同螺栓直径d，若取fv=tanρv=0.15，μ=0.15，上式可简化为：
T≈0.2F'd（32-10）
a）螺母所受转矩
b）螺栓所受转矩
c）螺栓转矩图
d）螺栓和被联接件所受预紧力
e）螺母支承面的外径和内径
拧紧时联接中各零件的受力
由于磨擦系数不稳定和加在扳手上的力难于准确控制，有时可能拧得过紧而使螺栓拧断。
因此，对于要求拧紧的强度螺栓联接应严格控制其适度拧紧力，并不宜用小于M12~M16的螺栓。
装配时控制拧紧力矩的方法有多种，例如：
使用测力矩扳手或定力矩扳手，装配时测量螺栓的伸长，规定开始拧紧后的扳动角度或圈数。
对于大型联接，还可利用液力来拉伸螺栓，或加热使螺栓伸长到需要的变形量，再把螺母拧到与被联接件相贴合。
a）测力矩扳手
b）定力矩扳手
控制拧紧力矩用的扳手
（2）螺纹联接的防松
联接螺纹都是能满足自锁条件的，在静载荷下联接不会自动松动。
但在冲击、振动或变载下，或当温度变化大时，联接有可能松动，甚至松开。
为防止螺纹副相对转动导致联接松动，可采取一些防松措施。
防松方法很多，就其工作原理，可分为磨擦防松、机械防松和破坏螺纹副关系防松等。
磨擦防松的原理是使螺纹副中始终有不随联接所受外载荷而变的压力，因而始终存在摩擦力矩防止相对转动。
磨擦防松的结构简单、使用方便。
图a为双螺母防松，两螺母对顶拧紧后，旋合段螺栓受拉力、螺母受压力，使螺纹副间始终有纵向压力。
图b为弹簧垫圈防松，拧紧螺母后，弹簧垫圈被压平，其弹力使螺纹副间保持一定的轴向压力而防松。
图c为金属锁紧螺母和尼龙圈锁紧螺母，它们是利用螺母椭圆口的弹性变形或嵌在螺母内的尼龙弹性环箍紧螺栓，产生横向压紧力。
a）双螺母防松
b）弹簧垫圈防松
c）金属锁紧螺母和尼龙圈锁紧螺母
磨擦防松
机械防松是利用便于更换的止动元件锁住螺纹副阻止其相对转动。
这种方法防松可靠，应用广泛。
图a是利用开口销使螺栓与槽形螺母相约束，阻止其相对转动。
图b是圆螺母与止动垫圈防松，垫圈内舌插入螺杆上加工出的槽内，垫圈的外舌之一弯入拧紧的圆螺母槽中，使螺杆与螺母不能相对转动。
图c垫圈约束螺母，而自身又被约束在被联接件上，使螺母不能转动。
图d利用金属丝穿入一组螺钉头部的小孔并拉紧，当螺钉有松动趋势时，金属丝被拉得更紧。
a）开口销与槽形螺母
b）圆螺母与止动垫圈
c）止动垫圈
d）串联金属丝
机械防松
拧紧螺纹后点焊或点冲破坏螺纹、或在旋合段涂金属粘接剂。
这种防松方法方便、可靠，但拆开联接时必须破坏螺纹，多用于很少拆开或不拆开的联接。
破坏螺纹副的防松
1.松螺栓联接强度计算
如下图所示的起重滑轮架螺栓联接。
螺栓在工作时才受拉力F，其螺栓螺纹部分的强度条件为：
σ=F/（πd12/4）≤[σ]
式中d1——螺纹小径，mm；[σ]——松联接螺栓的许用拉应力，N/mm2，[σ]=σS/[S]；σS——材料的屈服极限，Mpa；[S]——安全系数，未淬火钢取1.2，淬火钢取1.6。
起重滑轮架螺栓联接图
受横向工作载荷的普通受拉螺栓联接
2.受横向工作载荷的紧螺栓联接强度计算
紧螺栓联接在承受工作载荷前需拧紧，螺栓已受轴向预紧力F'。
当被联接件承受横向工作载荷FS，普通受拉螺栓联接是靠预紧力F'在结合面上产生的摩擦力平衡外载荷。
螺栓内部受到两种应力的作用，预紧力F'在螺栓上产生的拉应力σ=F'/（πd12/4）；拧紧螺栓时，螺栓受到的螺纹力矩T1=F'tan（ψ+ρv）·d2/2，在螺栓上产生剪应力
τ=T1/（πd13/16）
将M10～M68普通螺纹d2、d1和ψ的平均值代入上式，取ρv=arctan0.15，可得：
τ≈0.5σ
螺栓一般为塑性材料，由第四强度理论可求得螺栓的当量应力为：
σe=（σ2＋3τ2）1/2≈1.3σ
所以，普通受拉螺栓的强度条件为：
σe=1.3F'/（πd12/4）≤[σ]
式中[σ]——紧联接螺栓的许用拉应力，N/mm2，[σ]=σS/[SS]；σS——屈服极限，Mpa；[SS]——静载荷时紧联接螺栓的安全系数。
静载荷时紧联接螺栓的安全系数[SS]
螺栓直径
M6～M16
M16～M30
M30～M60
不控制预紧力时的安全系数[SS]
碳素钢
5～4
4～2.5
2.5～2
合金钢
5.7～5
5～3.4
3.4～3
控制预紧力时的安全系数[SS]
1.2～1.5
受横向工作载荷时，也可用铰制孔螺栓联接。
在横向工作载荷FS作用下，螺栓在联接接合面处受剪，并与被联接件孔壁互相挤压。
联接损坏的形式可能有：
螺栓被剪断，栓杆或孔壁被压溃等。
联接的预紧力和磨擦力在一般情况下可忽略不计。
受横向工作载荷的铰制孔用螺栓联接
螺栓杆的剪切强度条件为：
τ=4Fs/（πd2m）≤[τ]
螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：
σp=Fs/dhmin≤[σp]
式中Fs—螺栓所受剪力；d—螺栓抗剪面直径；m—螺栓抗剪面数目；[τ]—螺栓的许用剪应力，[τ]=σS/[Sτ]，[Sτ]——许用剪应力安全系数，静载荷时[Sτ]=2.5，变载荷时[Sτ]=3.5～5；hmin—螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度；[σp]—螺栓杆或孔壁材料的许用挤压应力,钢的[σp]=σS/[SP]，铸铁的[σp]=σB/[SP]；[SP]——许用挤压应力安全系数。
许用挤压应力安全系数[SP]
静载荷
变载荷
钢
1～1.25
1.6～2
铸铁
2～2.5
2.5～3.5
3.受轴向工作载荷的紧螺栓联接强度计算
（1）螺栓总拉力F0的计算
受轴向工作载荷F的紧螺栓联接中，螺栓实际承受的总拉力F0并不等于预紧力F'与工作载荷F之和。
当应变在弹性范围之内时，各零件的受力可根据静力平衡和变形协调条件求出。
如图所示，当联接还未拧紧时（图a），各零件均不受力，无变形。
拧紧后（图32-16b），螺栓受拉力F'，伸长了δ1；被联接件受压力F'，缩短了δ2。
图a为此时二者的受力和变形关系图，将两关系图合并得图b。
a）开始拧紧b）拧紧后c）受轴向工作载荷时d）工作载荷过大
螺栓和被联接件的受力和变形
螺栓受轴向工作载荷F后（图c），螺栓受的拉力增至F0，螺栓的伸长量增加Δδ成为δ1＋Δδ；同时，被联接件由于螺栓的伸长压缩变形量减少Δδ成为δ2－Δδ，被联接件所受压力由F'减为剩余预紧力F"。
根据螺栓的静力平衡条件，螺栓总拉力F0为工作载荷F与被联接件给它的剩余预紧力F"之和。
即：
F0=F+F"（32-16）
a）拧紧时b）a图两图合并c）受工作载荷时
螺栓和被联接件的力和变形关系
以c1、c2分别表示螺栓和被联接件的刚度，根据变形协调条件有
Δδ=（F0–F'）/c1=（F+F"–F'）/c1和Δδ=（F'–F"）/c2，，整理得：
F'=F"+Fc2/（c1+c2）
F0=F'+Fc1/（c1+c2
F"=F'－Fc2/（c1+c2））
c1/（c1+c2）为相对刚度系数，其值与螺栓和被联接件的材料、尺寸、结构、工作载荷作用的位置及联接中垫片的材料等因素有关，可通过计算或实验求出。
若被联接件为钢铁，一般可根据垫片材料不同采用下列数据：
金属垫片（包括无垫片）0.2～0.3；皮革垫片0.7；铜皮石棉垫片0.8；橡胶垫片0.9。
当螺栓工作载荷F过大或预紧力F'过小时，联接会出现缝隙，如图d，导致联接失去紧密性，在变载荷时会产生冲击。
因此，应保证F">0。
设计时F"可参考下列数据选取：
静载荷时，F"=（0.2～0.6）F；变载荷时，F"=（0.6～1.0）F；压力容器的紧密联接，F"=（1.5～1.8）F，且应保证密封面的剩余预紧压力大于压力容器的工作压力。
（2）静强度计算
考虑到联接承受工作载荷后，可能发现联接较松而需要补充拧紧（这种拧紧应尽量避免），近似认为螺纹力矩为F0tan（ψ+ρv）d2/2。
参照只受预紧力的紧螺栓联接强度的推倒，受轴向工作载荷的紧螺栓联接强度条件为：
1.3F0/（πd12/4）≤[σ]
式中[σ]为紧螺栓联接的许用拉应力，[σ]=σS/[SS]；σS——屈服极限，Mpa；[SS]——静载时紧螺栓联接的安全系数，见表32-2。
（3）疲劳强度计算
对于受变载荷螺栓联接，按静强度设计尺寸后，还需进行疲劳强度的校核。
当工作载荷在F1与F2之间变化，则螺栓拉力将在F01和F02之间变化。
螺栓的拉力变幅为Fa=（F01－F02）/2=〔（F1－F2）/2〕×〔c1/（c1+c2）〕
工作载荷变化时螺栓的拉力变化
一般联接，对疲劳破坏起主要作用的是应力幅σa，因此疲劳强度条件为：
σa=〔2（F1－F2）/πd12〕×c1/（c1+c2）≤[σa]
式中[σa]为螺栓变载时的许用应力幅，[σa]=εkmkuσ-1/kσ[Sa]；ε——尺寸系数；km——螺纹制造工艺系数，车制螺纹取1，辗制螺纹取1.25；ku——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1.5～1.6；kσ——螺纹应力集中系数。
尺寸系数ε
d（mm）
＜12
16
20
24
30
36
42
48
56
64
ε
1
0.87
0.81
0.76
0.69
0.65
0.62
0.60
0.57
0.54
螺纹应力集中系数kσ
σB（Mpa）
400
600
800
1000
kσ
3
3.9
4.8
5.2
4.提高螺栓联接强度的措施
影响螺栓强度的因素除了有材料及其机械性能、尺寸参数外，其结构、制造和装配工艺等也有不小影响，如螺纹牙受力分配、附加应力、应力集中、应力幅、制造工艺等。
（1）改善螺纹牙间的载荷分配
一般螺栓和螺母都是弹性体，受力后，螺栓、螺母和螺纹牙均产生变形。
即使是制造和装配精确，其旋合各圈螺纹牙的受力也不是均匀的。
螺栓受拉，螺距增大；而螺母受压，螺距减小。
螺纹螺距变化差主要靠旋合各圈螺纹牙的变形来补偿。
由图b可知，从传力算起的第一圈螺纹变形最大，因而受力也最大，以后各圈受力递减。
到第8～10圈以后，螺纹牙几乎不受力。
因此，采用加高螺母以增加旋合圈数，对提高螺栓强度并没有多少作用。
a）螺纹牙受力和变形
b）螺纹牙受力分配
螺纹牙的受力
为了使螺纹受力比较均匀，可用下述方法：
改变螺母或螺杆沿旋合长度方向的刚度，使受力越大的螺牙刚度越减小，减少螺距变化差，从而将部分力转移到原受力小的螺牙上。
采用悬置螺母（图a），可提高螺栓疲劳强度达百分之四十；内斜螺母（图b），可提高螺栓疲劳强度达百分之二十；环槽螺母（图c），可提高螺栓疲劳强度达百分之三十。
这些结构特殊的螺母制造费工，只在重要的或大型的联接中使用。
螺母选用较材料软，弹性模量低，容易变形，可改善螺纹牙受力分配，提高螺栓疲劳强度达百分这四十。
采用钢丝螺套，由菱形截面钢丝绕成，装于内外螺纹之间，可减轻螺纹牙受力的不均和冲击振动，可提高螺钉或螺栓疲劳强度达百分之三十。
a）悬置螺母
b）内斜螺母
c）环槽螺母
使螺纹受力均匀的方法
钢丝螺套结构和应用
2）避免附加应力
使用钩头螺栓，被联接件上支承螺栓头部或螺母的表面粗糙不平或倾斜，都会使螺杆产生附加的弯曲应力。
以钩头螺栓为例，螺栓的预紧力为F'，其弯曲应力为：
σb=F'e/（πd13/32）
若偏心距e=d1及预紧力为F'产生的拉应力
σ=F'/（πd12/4）
则
σb=8F'/（πd12/4）=8σ
即弯曲应力是拉应力的8倍。
因此，应避免产生弯曲应力，尽量不要使用钩头螺栓，工艺上要求螺纹孔轴线与联接中各承压面垂直。
在结构设计时采取几种措施。
螺杆产生弯曲应力举例使栓杆在拧紧时不受螺纹力矩的措施
使栓杆减免弯曲应力的措施
栓杆在拧紧时的螺纹力矩引起切应力也是一种附加应力。
装配时用扳手在其末端加一相反力矩，可使栓杆在拧紧时不受螺纹力矩。
（3）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20～40%，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。
（4）减小螺栓的应力幅
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F”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F'。
减小螺栓应力幅的措施
减小螺栓刚度的措施有：
适当增大螺栓的长度；部分减小栓杆直径或作成中空的结构－柔性螺栓。
柔性螺栓受力时变形量大，吸收能量作用强，也适于承受冲击和振动。
在螺母下面安装弹性元件，当工作载荷由被联接件传来时，由于弹性元件的较大的变形，也能起到柔性螺栓的效果。
为了增大被联接件的刚度，在需用垫片密封的情况下，采用刚度大垫片；在要求的紧密密封联接的情况下，不用软垫片（图a），采用密封环结构（图b）。
螺母下面安装弹性元件图
两种密封方案的比较
（5）选择恰当的预紧力并保持不减退
只适当地增大预紧力，也能提高螺栓的疲劳强度。
由于零件接触面处的压陷作用，联接装配后的初期一段时间里，螺栓的预紧力有所减退。
由图可知，可采用刚度小的螺栓和有承压凸缘的螺栓头部螺栓来减小减轻压陷。
螺栓刚度不同时压陷对预紧力减退的影响
（6）采用合理的制造工艺
制造工艺对螺栓疲劳强度有较大影响。
采用冷镦头部和辗制螺纹时，由于冷作硬化的作用，表层有残余压应力，金属流线合理，螺栓疲劳强度比车制螺纹高35%左右。
碳氮共渗、渗氮、喷丸处理也能提高螺栓疲劳强度。
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