概述10.1.1

螺纹既可以构成固定连接，如螺纹连接，也可以构成动态连接，即螺纹副，螺纹副的运动副的元素是螺纹。螺纹连接和螺纹传动都是用螺纹零件工作，但它们的工作性质和技术要求不同。前者作为紧固件，要求保证连接强度(有时还要保证紧密度)，后者作为传动部件，要求保证螺纹副的传动精度、效率和磨损寿命。

10.1.2螺纹

螺纹类型。根据螺旋方向，螺纹分为左旋螺纹和右旋螺纹。机械制造中一般使用右旋螺纹，只有在有特殊要求时才使用左旋螺纹。根据螺旋的数量，螺纹也分为单螺纹和等间距排列的多螺纹。为了制造方便，螺纹数量一般不超过4根。螺纹分为外螺纹和内螺纹，它们共同构成一个螺纹副。起连接作用的螺纹叫连接螺纹，起驱动作用的螺纹叫传动螺纹，相应的传动叫螺旋传动。螺纹分为公制和英制(螺距以每英寸齿数表示)。在我国，除英制螺纹外，都使用公制螺纹。

常用的螺纹类型主要有普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿螺纹。前两个主要用于连接，后三个主要用于传输。除矩形螺纹外，所有螺纹都已标准化。

螺纹主要参数。根据母形，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。下面以普通圆柱螺纹为例说明螺纹的主要参数:

大直径d，d，螺纹的最大直径，即与外螺纹牙顶或内螺纹牙底重合的假想圆柱面的直径。大直径也叫螺纹公称直径(管螺纹除外)；

路径d？，D？螺纹的最小直径，即与外螺纹的齿底或内螺纹的齿顶重合的假想圆柱面的直径。常用作危险截面的计算直径；

中径d？，D？在螺纹的轴向截面中，齿厚等于齿间假想圆柱面的直径。中径是决定螺纹几何参数和配合特性的直径；

节距p，中径线上相邻两齿对应的两点间的轴向距离；

行数n，螺旋螺纹数。由螺旋线形成的螺纹称为单线螺纹，由两条等距螺旋线形成的螺纹称为多线螺纹。连接螺纹有自锁要求，多为单螺纹；传动螺纹要求传动效率高，所以采用双头或三头螺纹。一般行数小于等于4；

导程S，同一螺纹上两个相邻齿节线上两个对应点之间的轴向距离。单线程S = P，多线程S = nP；

螺纹升角ψ。螺纹中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之间的夹角计算为ψ = arctans/π d？= arctan nP/πd？；

牙角α，轴向截面上螺纹牙两侧之间的夹角；

牙侧角β，在轴向截面中，螺纹牙型侧面与螺纹轴线垂直线的夹角为？β =?α/2;

工作高度h，内外螺纹拧紧后接触面的径向高度。

10.1.3螺纹副的受力分析、效率和自锁

矩形螺纹(β = 0)。将矩形螺纹沿中径展开可以得到一个斜面，其中Fa为轴向载荷，ψ为螺纹仰角，f为作用在中径上的水平推力，ρ为摩擦角。滑块沿斜面匀速上升时，由力多边形可得，其中Fa为阻力，F为驱动力，F = FA Tan (ψ+ρ)，对应的作用在螺纹副上的驱动力矩为T = F D？/2 = Fa (d？/2)tan(ψ+ρ)；当滑块沿斜面匀速下滑时，轴向载荷Fa成为驱动力，F成为维持滑块匀速运动所需的平衡力，由力多边形可得，f = fa tan (ψ-ρ)，对应作用在螺纹副上的扭矩为t = f d？/2 = Fa (d？/2) tan(ψ-ρ).获得的f值可以是正的，也可以是负的。当斜面倾角ψ小于摩擦角ρ时，滑块在重力作用下不能自行下滑，即处于自锁状态。在自锁的情况下，必须施加驱动力F才能使滑块以相同的速度滑动。

非矩形螺纹。非矩形螺纹是指三角形螺纹(普通螺纹、管螺纹等。)，牙侧角不等于0°的梯形螺纹和锯齿形螺纹。如果忽略螺纹升角的影响，在轴向载荷Fa下，非矩形螺纹的法向力大于矩形螺纹。如果把法向力的增加看作摩擦系数的增加，那么非矩形螺纹的摩擦阻力可以写成:f' = f/cos？β = tan？ρ’，β为牙侧角，f’为等效摩擦系数，ρ’为等效摩擦角。将矩形螺纹公式中的ρ改为ρ’，就是非矩形螺纹的应力分析。

为了防止螺母在轴向力的作用下自动松动，用于连接的紧固螺纹必须满足自锁条件，即ψ≤ρ’。

上述分析适用于所有类型的螺杆传动和螺纹连接。综上所述，当轴向载荷为阻止螺纹副相对运动的阻力时，应采用前两个公式，相当于滑块沿斜面以相同速度上升。当轴向载荷为驱动力，与螺旋副的相对运动方向一致时，相当于滑块沿斜面匀速下滑，用后两个公式。

螺旋副的效率是有效功与输入功的比值。如果输入功为2π t，有效功为FaS，则线程效率为η = Fas/2π t = tan？ψ/tan(ψ+ρ').当等效摩擦角一定时，效率只是螺纹升角的函数，当ψ= 45°-ρ'/2时效率最高。因为过大的螺纹角会使制造困难，效率提高不明显，所以角度ψ一般不超过25°。

10.1.4螺纹连接的类型及标准件

有四种基本类型的螺纹连接:

螺栓连接:普通螺栓连接，连接部位有通孔，插入螺栓后在螺栓另一端拧上螺母。结构特点是连接件上的通孔与螺栓杆之间有间隙，通孔的加工精度低，结构简单，拆装方便，使用不受连接件材料的限制，所以应用广泛。铰孔用螺栓连接，孔和螺栓杆多为底孔过渡配合。这种连接能准确固定被连接零件的相对位置，并能承受侧向载荷，但对孔的加工精度有要求。

双头螺栓连接。这种连接的末端被拧入其中一个被连接部件的螺纹孔中，这适用于由于结构限制而不能使用螺栓的情况或者需要紧凑连接结构的情况。

螺纹连接。这种连接的特点是螺栓(或螺钉)直接拧入被连接件的螺纹孔中，不需要螺母，可以有光滑的外露表面，在结构上比双头螺柱连接更简单紧凑。其用途类似于螺柱连接，但如果经常拆卸容易磨损螺纹孔，所以常用于受力不大或不需要经常拆卸的场合。

固定螺钉连接。紧固螺钉连接是利用拧入零件螺纹孔中的螺钉端部压在另一个零件的表面上或推入相应的凹坑中来固定两个零件的相对位置，传递很小的力或力矩。

除了这四种基本的连接形式，还有一些特殊的连接。例如专门用于将机器底座或框架固定在地基上的地脚螺栓连接，以及安装在机器顶盖或外壳上或便于起吊的大型部件上的吊环螺栓连接。

标准螺纹连接器。有许多类型的螺纹连接器，如螺栓、螺柱、螺钉、螺母和垫圈。

螺纹连接件分为A、B、C、B、C三个精度等级，A精度公差小，精度最高，用于精密配合、防振等重要零件的连接。b精度多用于负荷较大，经常拆卸、调整或变负荷的连接，C精度多用于一般的螺纹连接。

10.1.5螺纹连接的预紧和锁定

螺纹连接的预紧。实际上，大多数螺纹连接在装配过程中必须拧紧，以便它们在承受工作载荷之前预先受力。这种预载荷称为预载荷。预紧的目的是增强连接的可靠性和紧密性，以防止加载后被连接部件之间产生裂纹或相对滑移。但过大的预紧力会导致整个连接的结构尺寸增大，导致连接器在装配时被拉脱，意外过载。因此，对于重要的螺纹连接，装配时应控制预紧力。

一般来说，螺纹连接件的预紧应力不应超过其材料屈服极限σ的80%。碳钢螺栓:f？≤ (0.6~0.7)σA，合金钢螺栓:f？≤ (0.5~0.6)σA，其中σ为螺栓材料的屈服极限，A为螺栓的危险截面面积，约为π d？/4，f是预紧力。

预紧力的具体值要根据载荷性质、连接刚度等具体工况来确定。装配时预紧力是由拧紧力矩控制的，所以理论上要找到预紧力和拧紧力矩的关系。t≈0.2英尺.对于具有一定公称直径d的螺栓，当所需预紧力f已知时，扳手的拧紧力矩t可根据公式确定。标准手的长度是L≈15d。如果拧紧力是F？，那么T=F？l .从公式看，F≈75F？。对于重要的连接，尽量不要使用直径过小的螺栓，必须使用时要严格控制拧紧力矩。

用扭矩扳手或恒扭矩扳手控制预紧力，操作简单，但精度差，不适合大螺栓连接。因此，可以通过测量螺栓的伸长量来控制预紧力。根据预紧力的规定值可以计算出所需的伸长量。

螺纹连接的锁定。由于螺纹接头一般采用单线普通螺纹，且螺纹角小于螺纹副的等效摩擦角，因此连接螺纹可以满足自锁条件。锁定的基本问题是防止螺纹对在负载下相对转动。具体的防松方法和装置有很多。根据它们的工作原理，主要分为三种:利用摩擦、直接锁紧和破坏螺纹副关系。

10.1.6螺纹连接的强度计算

本文讨论了以螺栓连接为代表的螺纹连接的强度计算方法，所讨论的方法也适用于螺柱连接和螺纹连接。

计算螺栓连接的强度，首先根据连接类型、连接装配和载荷状态，确定螺栓的应力；然后根据相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径或校核其强度。

松螺栓连接的强度计算。当螺栓承受轴向工作载荷Fn时，其抗拉强度条件为σ = fa/(π d？/4)?≤ [σ]，其中d？，螺纹直径，[σ]许用拉伸应力。

拧紧螺栓连接的强度计算。根据张力的不同，可分为三类:只承受预张力、承受预张力和静态工作张力、承受预张力和可变工作张力。

紧螺栓连接只承受预紧力。螺栓危险截面的拉应力σ = F0/(π d？/4)，螺栓危险截面的扭转剪应力为τ ≈ 0.5σ，螺栓预紧状态下的等效应力为σ e = 1.3σ..虽然同时承受拉力和扭矩的共同作用，但可以只按抗拉强度计算，将拉力增加30%考虑扭矩的影响，即σ e = 1.3f0/(π d？/4)?≤ [σ] 。预紧力F0的大小根据结合面不打滑的条件确定，F0？≥ CF/mf，其中F0为预紧力；c信度系数，通常为1.1 ~ 1.3；m，结合面的数量；f，接合面的摩擦系数。求出F值后，根据公式计算螺栓强度。当f=0.15，C=1.2，m=1，F0？≥ 8F，即靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓连接，需要较大的预紧力，会增加螺栓的结构尺寸。可以考虑用各种减压部件来承受侧向工作载荷，但这种连接增加了结构和工艺的复杂性，还可以用铰孔用的螺栓来承受侧向载荷。锚杆与孔壁的挤压强度条件为σp = F/d0δ？≤ [σp]，锚杆抗剪强度条件为τ = f/(m π d0？/4)?≤ [τ]，其中d0为螺栓剪切面的直径；δ为锚杆与孔壁间挤压面的高度，取为δ？而2δ呢？两者价值之小；[σp]，螺栓或孔壁材料的许用挤压应力；[τ]，螺栓材料的许用剪应力；m，接合面的数量。

预紧力和工作张力下的紧螺栓连接。螺栓总拉力为FA = F0+Fe KB/(KB+KC)。Fa为总拉力，F0为螺栓预紧力，Fe为工作载荷，kb和kc分别为螺栓和被连接部分的刚度，均为定值。Kb/(kb+kc)称为螺栓的相对刚度，取值范围为0 ~ 1。可以通过计算或实验来确定。如果连接部分刚度大，螺栓刚度小，相对刚度趋于0。工作负荷后，螺栓上的总张力增加很少。为了减小螺栓上的应力，提高螺栓连接的承载能力，kb/(kb+kc)的值应尽可能小。螺栓危险截面的抗拉强度条件为σ e = 1.3fa/(π d？/4)?≤ [σ]，应力幅应满足疲劳强度条件:σ a = [KB/(KB+KC)] 2fe。

/π d ≤ [σa]，[σa]为螺栓的许用应力幅。

10.1.7螺纹接头材料和许用应力

螺纹连接的材料。有螺栓、螺柱、螺钉、螺母和垫圈。所选螺母的性能等级不应低于配套螺栓的性能等级。

螺纹连接的容许应力。与螺纹连接件的载荷性质、装配情况、材料和结构尺寸有关。许用拉应力由下式确定，即[σ] =？σs/S，许用剪切应力[τ]和许用挤压应力[τ p]分别由下式确定，即[τ] =？σs/Sτ.对于刚性，[σp] =？σs/Sp，[σp] =对于铸铁？σB/Sp .其中σs和σB分别为螺纹连接材料的屈服极限和强度极限，S、Sτ和Sp为安全系数。

10.1.8提高螺纹连接强度的措施

降低影响螺栓疲劳强度的应力幅度。在最小应力不变的情况下，应力幅越小，螺栓疲劳破坏的可能性越小，连接的可靠性越高。在保持预紧力不变的情况下，降低螺栓的刚度或增加连接部位的刚度，可以达到减小总拉力变化范围(即减小应力幅)的目的。在降低或增加刚度时，应适当增加预紧力，否则会降低残余预紧力，降低连接紧密度。为降低刚度，可适当增加长度，或采用腰形杆螺栓和空心螺栓。为了增加刚度，可以用垫片代替垫圈。

改善螺纹齿上的不均匀载荷分布。使用悬挂螺母，减少螺栓拧紧段几圈螺纹牙的受力面，或使用钢丝螺纹嵌件。悬挂螺母，螺母的拧紧部分全部处于受拉状态，其变形特性与螺栓相同，这样可以减小两者之间的螺距变化差异，使螺纹牙上的载荷分布区域均匀。环槽螺母使螺母内缘下端局部受拉，类似于悬挂螺母，但效果不如悬挂螺母。对于内斜螺母，在螺母下端的几圈螺纹处做成10 ~ 15的斜角，使螺栓螺纹牙的受力面自上而下逐渐向外移动。钢丝螺套主要用于拧入轻合金的螺纹孔。拧入后，在槽口处折断安装手柄根部，然后拧上螺栓。具有一定的弹性，可以起到均载减振的作用。

减少应力集中的影响。使用更大的圆角和卸载机构，或者将螺纹末端改变成减压槽，将增加制造成本。

避免或减少额外的压力。在铸件或锻件等未经加工的表面上安装螺栓时，采用凸头或沉头座等结构，切割后可获得平整的承载面。或采用球面垫圈、腰环或细长螺栓，保证螺栓连接的装配精度。

采用合理的锻造工艺。螺栓的疲劳强度可以通过冷镦螺栓头和滚压螺纹来显著提高。也可以采用渗氮、氰化、喷丸等方法，这些都是提高螺纹连接件疲劳强度的有效方法。