第五章 螺纹连接与螺旋传动

连接分类

静连接：固定，无相对运动。如螺纹、普通平键连接。

动连接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。

1、按运动关系分

靠摩擦力(力闭合)：如受拉螺栓、过盈连接。

非摩擦(形闭合)：靠联接零件的相互嵌合传载，如平键。

材料锁合连接：利用附加材料分子间作用，如粘接、焊接。

2、按传载原理分

可拆连接：如螺纹连接(最广泛的可拆连接)。

不可拆连接：如焊接、铆接等。

3、按拆开时是否损坏零件分

第五章 螺纹连接与螺旋传动

§5-1 螺纹

§5-2 螺纹连接的类型与标准连接件

§5-3 螺纹连接的预紧

§5-4 螺纹连接的防松

§5-5 螺纹连接的强度计算

§5-6 螺栓组连接的设计

§5-7 螺纹连接件的材料与许用应力

§5-8 提高螺纹连接强度的措施

§5-9 螺旋传动

螺 纹

螺纹的类型与特点1

一、螺纹的分类

螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。

螺纹按工作性质分为连接用螺纹和传动用螺纹。

详细说明

连接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠连接；

传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。

螺 纹

螺纹的类型与特点2

二、普通螺纹的主要参数

大径d－即螺纹的公称直径。

小径d₁－常用于连接的强度计算。

中径d₂－常用于连接的几何计算。

线数n－螺纹的螺旋线数目。

螺距P－螺纹相邻两牙在中径线上 对应两点间的轴向距离。

导程P_h－同一条螺旋线上的相邻两 牙在中径线上对应两点间的轴向距 离，P_h = nP。

螺纹的类型与特点2

二、普通螺纹的主要参数

升角

φ

h

2 2

arctan arctan

π π

P nP

d d

φ = =

螺 纹

牙型角

α

螺纹连接的类型与标准连接件

连接类型与标准件1

一、螺纹连接的基本类型

详细说明

除上述连接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结 构的螺纹连接。如T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺

栓连接等。 _说明

注意画法

注意画法

连接类型与标准件2

螺纹连接的类型与标准连接件

二、标准螺纹连接件

在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已 经标准化，设计时可以根据有关标准选用。

详细说明

虚拟现实中的螺纹连接件

纹连接的预紧

螺纹连接的预紧

大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作 载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。

增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间 出现缝隙或发生相对移动。

预紧力限制

拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服 极限s_s的80%。

™

™

™

利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可 采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓连接，也可 以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。

纹连接的预紧

螺纹连接的预紧

™

™

d F

T ≈ 0 . 2

注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(＜

M12)的螺栓。

螺纹连接的防松

螺纹连接的防松

螺纹连接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在 冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的 情况下，螺纹连接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能 瞬时消失，导致连接失效。

防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。按工作原 理的不同，防松方法分为摩擦防松、机械防松、破坏螺旋 副运动关系防松。

螺纹连接的防松

螺纹连接的防松

摩擦防松

机械防松

破坏螺纹副关系

铆粗 冲点 涂胶粘剂

摩擦防松：螺纹副中始终有不随联接载荷而变的压

力，故存在摩擦力矩防止相对转动。压力可由螺纹

副纵向或横向压紧产生。

弹性增压 尖端抵住 开口方向：

斜向右下方

机械防松：利用便于更换的金属元件约束螺纹副。

螺纹连接的强度计算1

螺纹连接的强度计算

连接的失效形式：主要是指螺纹连接件的失效。对于受 拉螺栓，其失效形式主要是螺栓杆螺纹部分发生断裂。对于 受剪螺栓，其失效形式主要是螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃 或螺栓杆被剪断。

20% 65%

15%

螺栓连接强度计算的目的是根据强度条件确定螺栓直 径，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选 定。

螺纹连接的强度计算

螺纹连接的强度计算1

螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况(预紧或不预 紧)、外载荷的性质和材料性能等有关。

[ ] ^σ

σ

π

2 / d1

一、松螺栓连接强度计算 F _详细推导

二、紧螺栓连接强度计算

1．仅受预紧力的紧螺栓连接 2．受轴向载荷的紧螺栓连接 3．承受工作剪力的紧螺栓连接

螺纹连接的强度计算2

紧螺栓连接强度计算

1．仅受预紧力的紧螺栓连接(承受横向载荷)

2 1 0

4 d π F σ =

0 v 2

1

3 1

tan( )

2 0.5

T

16 F d T

W d

τ π φ φ σ

= = + ≈

螺牙间的摩擦力矩引起的扭转切应力：

[ ] ^σ

σ = π ≤

2 1 ca 0

4 3 . 1

d

F

σ τ

σ

σ

=

+ 3

≈ 1 . 3

根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:

F

F

F

F

螺纹连接的强度计算2

紧螺栓连接强度计算

1．仅受预紧力的紧螺栓连接

[ ] ^σ

σ = π ≤

2 1 ca 0

4 3 . 1

d

F

F

F

F

F

设计式，查手册，选螺栓

[ ] ^σ

π

1

3 . 1

4 F

d ≥ ×

1.3意义 ：考虑拧紧力矩产生的切应力 的影响。

靠结合面间的摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓连接，当连 接承受较大的横向载荷F时，由于要求F

≥F／f（f=0.2），

即F

≥ 5F ，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直

径的增加，可采用减载措施。

螺纹连接的强度计算3

F

D D

p

2．受轴向载荷的紧螺栓连接

螺栓受预紧力F₀后，在工作拉 力F 的作用下，螺栓的总拉力F₂ = ?

紧螺栓连接强度计算

F F

F

=

+

式中F₁为残余预紧力，为保证连接的紧密性，应使 F₁ ＞0，

一般根据连接的性质确定F₁的大小。

C F C

F C F

m b

0 b

2

= + +

螺栓的总拉力为：

式中：

详细分析

m b

b

C C

C

+ 为螺栓的相对刚度，其取值范围为 0~1。

螺纹连接的强度计算3

紧螺栓连接强度计算

2．受轴向载荷的紧螺栓连接 ^F

D D

F

F F

=

+

C F C

F C F

m b

0 b

2

= + +

螺栓的总拉力为：

为使工作载荷作用后，连接结合面间有残余预紧力F

存在，要求螺栓连接的预紧力F

为：

C F C

F C F

m b

1 m

0

= + +

[ ] ^σ

σ = π ≤ 4 / 3 . 1

2 1

2

ca

d

静强度条件： F

紧螺栓连接强度计算

螺纹连接的强度计算4

3．承受工作剪力的紧螺栓连接

利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁 之间无间隙，接触表面受挤压。在连接结合面处，螺栓杆则 受剪切。

螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：

式中：F－螺栓所受的工作剪力，单位为N；

d

L

设计时应使L_min≥1.25d₀

[ ]

min 0

P

σ

σ = ≤

L d

F

F

F d

L

紧螺栓连接强度计算

螺纹连接的强度计算4

3．承受工作剪力的紧螺栓连接 螺栓杆的剪切强度条件为：

式中：F－螺栓所受的工作剪力，单位为N；

d

F

F d

L

[ ] τ τ = π ≤

2

4 d

F

螺纹连接组的设计2

螺栓组连接的设计

受力分析的目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力 最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。

受力分析时所作假设：

所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；

受载后连接接合面仍保持为平面。

一、螺栓组连接的受力分析

螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；

螺纹连接组的设计2

螺栓组连接的设计

一、螺栓组连接的受力分析 受力分析的类型：

FΣ FΣ

ri

O

O M T

fF0

fF0

F FΣ

2．

1．受横向载荷 受转矩 3．受轴向载荷 4．受倾覆力矩

螺纹连接组的设计3

[ ]

min 0

P

σ

σ = ≤

L d

F

(1) 对于铰制孔用螺栓连接(图b)，每个螺栓所受工作剪 力为：

式中：z为螺栓数目。

图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接。

1．受横向载荷的螺栓组连接

z F = F

螺栓组连接的设计

F

F

F

F

a) b)

挤压计算

[ ] ^τ

τ

π

2

4

d

F

(2) 对于普通螺栓连接(图 a) ，按预紧后接合面间 所产生的最大摩擦力必 须大于或等于横向载荷 的要求，有：

图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接。

1．受横向载荷的螺栓组连接

≥ K F

zi

fF

fzi F F

≥ K

或

螺栓组连接的设计

式中：K_s为防滑系数，可取K_s =1.1~1.3。

F∑

F∑

F∑ F∑

a) b)

按受F₀的紧螺栓联接计算：

^{σ =} _π ^≤ [ ] ^σ

2 1 ca 0

4 3 . 1

d

F

螺纹连接组的设计4

螺栓组连接的设计

采用普通螺栓和铰制孔用螺栓 组成的螺栓组受转矩时的受力情况 是不同的。

2．受转矩的螺栓组连接

T K fr

F fr

F fr

F

+

+ ⋅ ⋅⋅ +

≥

采用普通螺栓，是靠连接预紧 后在接合面间产生的摩擦力矩来抵 抗转矩T。

≥ ∑

= z i

r

f T F K

1 0 S

按受F₀的紧螺栓联接计算：

^{σ =} _π ^≤ [ ] ^σ

2 1

0 ca

4 3 . 1

d

F

螺纹连接组的设计4

2．受转矩的螺栓组连接

T r

F

z

i

i

i

=

∑

采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的 剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗 转矩T。

i i

r F r

F =

max max

∑

=

i

r

F Tr

1 2 max max

螺栓组连接的设计

受力最大的螺栓的工作剪力：

[ ]

max

P P

0 min

F

σ = d L ≤ σ

[ ]

max 2

4 0

F d

τ

π

τ

挤压计算

螺纹连接组的设计5

螺栓组连接的设计

3．受轴向载荷的螺栓组连接 轴向总载荷

F

通常，各个螺栓还承受预紧力F₀的作用，当连接要有保 证的残余预紧力为F₁时，每个螺栓所承受的总载荷F₂为

z F

F

F

= F

+ F

按受轴向载荷的紧螺栓连接计算：

[ ] ^σ

σ = π ≤ 4 / 3 . 1

2 1

2

ca

d

F

螺纹连接组的设计6

螺栓组连接的设计

4．受倾覆力矩的螺栓组连接 倾覆力矩 M 作

用在连接接合面的 一个对称面内。

底板在承受倾 覆力矩之前，螺栓 已拧紧并承受预紧 拉力F_0，地基在各螺 栓作用下，有均匀 压缩。

螺纹连接组的设计6

螺栓组连接的设计

4．受倾覆力矩的螺栓组连接 底板承受倾覆力矩后，

假定仍保持为平面。

在O-O左侧，螺栓被进 一步拉伸，地基被放松；在 右侧，螺栓被放松，地基被 进一步压缩。

螺纹连接组的设计7

螺栓组连接的设计

底板受倾覆力矩后，在轴 线 O-O 左侧，螺栓与地基的 工作点分别移至

B

，

F

在轴线O-O 右侧，螺栓与地基的工作点分别移至B₂ 和

C

，

F

在倾覆力矩作用前，螺栓 和地基的工作点都处于A点。

受倾覆力矩的底板螺栓组 连接的受力过程可用右图表示。

螺纹连接组的设计6

螺栓组连接的设计

4．受倾覆力矩的螺栓组连接

螺栓所受的最大工作载荷：

1 z

i i

i

M F L

=

= ∑

max max

2 1 Z

i i

F ML

L

=

= ∑

max

max i i

F F L

= L

螺栓与地基作用 在底板两侧的合力矩 与倾覆力矩M平衡，

即：

螺栓的总拉力： _max

m b

b 0

2

F

C C

F C

F = + +

螺纹连接组的设计6

螺栓组连接的设计

4．受倾覆力矩的螺栓组连接

] [

max 0

P P

W M A

zF σ

σ ≈ + ≤

0

min 0

P

≈ − >

W M A

σ zF

螺栓的总拉力：

max m

b 0 b

2

F

C C

F C

F = + +

为防止结合面受压最大处被 压碎或受压最小处出现间隙，要 求：

[ ] ^σ

σ = π ≤ 4 / 3 . 1

2 1 ca 2

d

F

螺栓组连接的设计

螺纹连接组的设计1

二、螺栓组连接的结构设计

在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根 据被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式。

™

各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑 装拆方便，还应留有足够的扳手空间。

大多数机械中螺栓都是成组使用的。

螺栓组连接的设计

螺纹连接组的设计1

二、螺栓组连接的结构设计

™

™

™

™

受任意载荷螺栓组 向形心简化

———————→ 四种简单状态 迭加 受载最大螺栓 →按单个螺栓计算 →

例1、图示底板用8个螺栓与支架相连，受外力Q作用，Q作用于包 含X轴并垂直于底板接缝面，试计算此螺栓组联接。

螺纹连接件的材料与许用应力

螺纹连接件的材料与许用应力

一、螺纹连接件材料

国家标准规定了螺纹连接件的性能等级。螺栓、螺柱、

螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为 7级。在一 般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或 有特殊要求设计中的螺纹连接件，要选用高的性能等级，

如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。

常用的螺纹连接件材料为Q215、Q235、35、45等碳 素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr 等。

性能等级

螺纹连接件的材料与许用应力

螺纹连接件的材料与许用应力

二、螺纹连接件的许用应力 1．螺纹连接件的许用拉应力

2．螺纹连接件的许用剪应力和许用挤压应力

S ] s

[

σ

σ

τ

τ σ

S

= s

] [

P s P]

[ S

σ

σ

P B P]

[ S

σ

σ

3．螺纹连接件的安全系数 ^说明

提高螺纹连接强度的措施

提高螺纹连接强度的措施

以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强 度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。

影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面，或从以下几 个方面提高螺栓强度。

改善螺纹牙上载荷 分布不均的现象 降低影响螺栓疲

劳强度的应力幅

减小应力集中 的影响

采用合理的制 造工艺

分析 分析 分析

螺旋传动1

螺旋传动

一、螺旋传动的类型和应用

螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于 将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。

螺旋传动常见的运动形式有：螺杆转动，螺母移动或螺母固定，螺杆 转动并移动。

螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型: 传力螺旋 传导螺旋 调整螺旋

螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为：

说明

滑动螺旋 滚动螺旋 静压螺旋 ^说明

螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、

夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。

螺旋传动2

螺旋传动

二、滑动螺旋的结构和材料 1．滑动螺旋的结构

整体螺母 组合螺母 剖分螺母 螺母结构:

滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支 承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承 结构有直接关系。

固定螺钉 调整螺钉 调整楔快

螺杆的材料要有足 够的强度和耐磨性。螺 母的材料除了要有足够 的强度外，还要求在与 螺杆材料相配合时摩擦 系数小和耐磨。

2．滑动螺旋的材料

说明

螺旋传动3

螺旋传动

三、滑动螺旋传动的设计计算 主要失效形式: 螺牙的磨损

设计准则：按抗磨损确定直径，选择螺距；

校核螺杆、螺母强度等。

设计方法和步骤：

1．耐磨性计算

滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工 作面上的压力，其强度条件：

] [

2 2

hH p d

FP hu

d

p = F = ≤

π π

设计公式：令

d2

= H

φ 则得：

]

2

[

p h d FP

φ

= π

5 . 3

~ 2 .

= 1 φ

一般 。

φ

式中:

h = 0 . 5 P

P

h = 0 . 75

螺纹工作高度

螺旋传动

螺旋传动4

2 1 2

2 1 2

2 4 )

4 3

3 d

F T

ca = + = d +（

τ π σ

σ

] [ σ σ

≤

依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。

验算：

= ≤ 10 P

u H

对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件：

ψ ≤ ϕ

2．螺杆的强度计算

对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算 应力：

螺杆的强度条件：

v

v

f f

arctan arctan cos =

= β

ϕ

式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩，

tan( d 2

F

T ⁼ ψ ⁺ ϕ

）

螺旋传动5

螺旋传动

3．螺母螺牙的强度计算

螺牙上的平均压力为：F/u

] ， [ τ τ = π ≤

Dbu

F 6 [ ]

2 b

b

σ

σ = π ≤ u Db

Fl

4．螺母外径与凸缘的强度计算

详细说明

对于支撑螺母，需要校核螺母 本体的强度。

5．螺杆的稳定性计算

其危险截面 a – a 的剪切强度条件

和弯曲强度条件分别为：

F/

π D

π D

a

a

对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作 压力F要小于临界载荷Fcr

详细说明

4 4

~ 5 . 2

5

~ 5 . 3

>

传力螺旋 传导螺旋

精密螺杆或水平安装

cr s

sc

S

F

S = F ≥ S

=