第6 章 螺纹联接设计

第6 章 螺纹联接设计

•螺纹联接和螺旋传动都是利用螺纹原理进行工作，但两者之间的区别很大;

•螺纹联接作为紧固件使用，要求保证联接强度、联接刚度、甚至联接的紧密性;

•螺纹传动则作为传动件使用，要求保证螺旋副的传动精度、效率、磨损寿命。

•螺纹有外螺纹和内螺纹之分，两者合在一起形成螺旋副。

6.1 螺纹类型和主要参数

• 螺纹有外螺纹和内螺纹之分，两者合在一起形成螺旋副;

• 从功能上分为联接螺纹和传动螺纹;

• 螺纹从尺寸单位上又分为米制和英制（螺距以每英寸牙数表示）两种螺纹;

• 常用的螺纹类型：普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹。除矩形螺纹外，都已实现标准化。

• 在机械制造中，还制定了有特殊用途的螺纹。

螺纹的主要结构参数

• 螺纹大径d――螺纹的最大直径，是与螺纹牙顶重合的假想圆柱面直径，也就是标准规定的公称直径；

• 螺纹小径d1――螺纹的最小直径，是与螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径，在强度计算中有时可以作为螺杆危险截面的计算直径进行近似计算；

• 螺纹中径d2――通过螺纹轴向截面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱的直径，近似等于螺纹的平均直径，即 。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。

• 螺纹线数（头数）n――形成螺纹的螺旋线数目。由一根螺旋线形成的螺纹称为单线螺纹，由两根以上的等距螺旋线形成的螺纹称为多线螺纹。单线螺纹的自锁性能好，一般用于联接。双线或三线螺纹的传动效率高，一般用于传动。由于加工问题，

螺纹的线数一般不大于4。

• 螺纹螺距P――螺纹相邻两个牙型上对应的点之间的轴向距离。

• 螺纹导程S――螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离。对于单线螺纹S=P，多线螺纹S=nP。

• 螺纹升角ψ――螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。在螺纹的不同直径处的螺纹升角不同。一般按螺纹中径d2处计算，计算公式为： 。

• 螺纹牙型角α――螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。螺纹牙型的侧边与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角称为牙侧角，对称牙型的牙侧角为牙型角的二分之一。

• 接触高度h――内外螺纹旋合后的接触面的径向高度

6.2 螺纹联接和螺旋传动的主要类型 螺纹联接的主要类型

• 螺栓、双头螺柱、螺钉和紧定螺钉等。

• 紧螺栓联接就是指拧紧的螺栓联接，不拧紧的称为松联接（应用较少）。

• 受拉螺栓联接和受剪螺栓联接两种。

螺纹传动的主要类型

• 螺纹传动又称螺旋传动，螺旋传动主要用以变回转运动为直线运动，同时传递能量或力，也可用以调整零件的相互位置；

• 根据螺纹副的摩擦情况：滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋；

• 静压螺旋实际上是采用静压流体润滑的滑动螺旋。；

• 滑动螺旋构造简单、加工方便、易于自锁，但摩擦大、效率低（一般为30%～40%）、磨损快，螺栓连接 无需在被联接件上切制螺纹，使用不受被联接件材料的限制。构造简单，装拆方便，应用最广。用于可制双头螺柱联接

螺钉连接 螺钉直接拧入被联接件的螺纹孔中，无须螺母，外表面光整，在结构上比双头螺柱联接简单、紧凑。用途与双头螺柱相似，但如经常装拆，易使螺纹孔磨损，可能导致被联接件失效，一般多用于受力不大，或不需要经常装拆的场合。 适用于结构上不能采用螺栓联接的地方。比如被联接件之一太厚，难以制作通孔，材料比较软，且需要经常拆卸和安装。这种联接结构紧凑，但拆卸时比较困难。

紧定螺钉联接 将螺钉直接拧入零件的螺纹通孔中，利用螺钉末端顶住另一零件的表面，或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可以传递不大的力矩。 低速时可能爬行，定位精度和轴向刚度较差；

• 滚动螺旋和静压螺旋没有这些缺点，前者效率在90%以上，后者效率可达99% ，但构造较复杂，加工不便。静压螺旋还需要供油系统。

滑动螺旋传动

• 一般用梯形、矩形或锯齿形螺纹；

• 失效形式多为螺纹磨损，而螺杆的直径和螺母的高度也常由耐磨性要求决定；

• 传力较大时，应验算有螺纹部分的螺杆或其他危险部位以及螺母或螺杆螺纹牙强度；

• 要求自锁时，应验算螺纹副的自锁条件；

• 要求运动精确时，应验算螺杆的刚度，其直径常由刚度要求决定；

• 对于长径比很大的受压螺杆，应验算其稳定性，其直径也常由稳定性要求决定；

• 当水平安放时，还应注意其弯曲；

• 对于高速长螺杆，则应验算其临界转速。

• 螺杆材料要有足够的强度和耐磨性，以及良好的加工性；

• 不经热处理的螺杆一般可用Q255、Y40Mn、45、50钢；

• 重要的经热处理的螺杆可用65Mn、40Cr或20CrMnTi钢；

• 精密传动螺杆可用9MnV、CrWMn、38CrMoAl钢等。

• 螺母材料除要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料配合时摩擦系数小和耐磨；

• 常用的材料是铸锡青铜ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5；

• 重载低速时用高强度铸造铝青铜ZCuAl10Fe3或铸造黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3；

• 重载时可用35钢或球墨铸铁；低速轻载时也可用耐磨铸铁。尺寸大的螺母可用钢或铸铁作外套，内部浇注青铜。高速螺母可浇注锡锑或铅锑轴承合金（即巴氏合金）。

滚动螺旋传动

• 当螺杆或螺母回转时，滚珠依次沿螺纹滚动，经导路出而复入，其方式分外循环和内循环；

• 外循环导路为一导管，内循环导路为每圈螺纹有一反向器，滚珠在本圈内运动；

• 外循环加工方便，但径向尺寸较大。螺母螺纹以 3～ 5圈为宜，过多受力不均，并不能提高承载能力。

静压螺旋传动简介 a) 外循环 b)内循环 • 压力油经节流器进入内螺纹牙两侧的油腔，然后经回油通路流回油箱；

• 当螺杆不受力时，处于中间位置，而牙两侧的间隙和油腔压力都相等；

• 当螺杆受轴向力而左移时，间隙减小，增大，使牙左侧压力大于右侧，从而产生一平衡的液压力。

6.3 螺纹联接的性能等级、材料和精度

螺栓、螺柱、螺钉的性能等级

• 螺纹紧固件按机械性能分级；

• 螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级：3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9

12.9

• 点前数字为 ，点后数字为 。其中为材料的拉伸强度极限，为屈服极限，单位均为MPa。

螺母的性能等级

• 螺母性能等级按螺母高度不同有两类：

性能等级的数字表示螺母材料强度值， “0”表示螺母的实际承载能力比后面数字表示的低。

螺纹联接的材料和精度

螺栓、螺柱和螺钉材料

3.6──低碳钢

4.6～6.8──低碳钢或中碳钢

8.8、9.8──中碳钢或低碳合金钢

10.9──中碳钢、低碳或中碳合金钢

12.9──合金钢

有防蚀或导电等要求时，螺纹紧固件材料也可用铜及其合金以及其他有色金属。

螺母材料

螺母材料为中碳钢。

螺纹公差和精度

内螺纹的公差带为G和H两种，外螺纹的公差带为 e、f、g、h四种。内、外螺纹的配合最好选用G/h，H/g,H/h。

6.4 螺栓联接的拧紧和防松

螺栓联接的拧紧

• 绝大多数螺纹联接都需要拧紧，这是因为拧紧可以增强联接的刚性、紧密性和防松能力。对于受拉螺栓联接，还可提高螺栓的疲劳强度；对于受剪螺栓联接，有利于增大联接中的摩擦力。

• 过度拧紧也是不适当的。 a)承受轴向力 b）承受径向力

100B • 拧紧螺母时，螺栓受到预紧拉力F’，而被联接件则受到预紧压力F′，拧紧过程中螺纹副间有圆周力Ft的作用，需要克服螺纹副的螺纹力矩T1和螺母的承压面力矩T2，因此拧紧力矩 T＝T1＋T2。螺栓所受的螺纹力矩T1与头部的承压面力矩T3和夹持力矩T4相平衡，即T1＝T3＋T4。

• 螺栓拧紧需要的预紧力的大小应根据载荷性质、联接刚度等具体工作条件来确定。

• 对于重要的或有特殊要求的螺栓联接，预紧力的数值应在装配图上作为技术条件注明，以便在装配过程中保证。

• 受变载荷的螺栓联接的预紧力应该比恒定载荷的预紧力大。

• 拧紧过程应对拧紧力加以控制，以防螺栓承受过大的预紧力，或由于预紧力过大而扭断。

• 在实际拧紧螺栓的过程中，由于摩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，对于要求拧紧的螺栓联接应严格控制其适度的拧紧力，并不宜用小于M12～M16的螺栓。

螺纹联接的防松

• 螺纹联接一般采用的都是单线螺纹，螺纹的升角大约 ，小于螺旋副的当量摩擦角（ ），因此在静载荷下，螺纹联接能满足自锁条件ψ<ρv。螺母、螺栓头部等承压面处的摩擦也有防松作用；

• 但在冲击、振动或变载荷下，或当温度变化大时，联接有可能松动，甚至松开，这就容易发生事故；

• 防松的根本问题在于防止螺纹副相对转动；

• 具体的防松装置或方法很多，就工作原理来看，可分为利用摩擦、直接锁住和破坏螺纹副关系三种。 a）测力矩扳手 b）定力矩扳手

142~326.5~10.5V