螺纹及螺纹联接的主要参数及相关知识

由于其结构简单，拆装方便，螺纹连接已经标准化、批量化生产，成本低，连接可靠，具有足够的强度、刚度和自锁性，被广泛应用于各种金属结构和机构中。

1.螺纹和螺纹连接的主要参数

螺纹的外表面是圆柱螺旋。圆柱螺旋线是一个点沿圆柱面运动的轨迹，这个点的轴向位移A与对应的角位移A成正比，在圆柱面上，沿螺旋线形成的连续的突起和凹槽称为螺纹。

螺纹由外螺纹和内螺纹组成。根据母形，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。按牙型可分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。三角螺纹用于连接，后三个螺纹用于传动。

螺纹的主要参数是:

①线数:如果有两个以上的动点，同时在同一圆柱面上做同样的螺旋运动，轴向均匀分布，就会形成多线螺旋线。螺旋的数量称为螺纹的数量，用n表示。

②旋转方向:点沿圆柱面移动的角位移方向和轴向位移方向不同。螺旋线可分为右旋和左旋。顺时针拧的螺丝叫右旋螺纹，逆时针拧的螺丝叫左旋螺纹。大多数螺纹通常是右旋的。

③齿廓角α，齿廓半角α/2:在螺纹齿廓上，连接齿顶和齿底的侧面称为齿廓，相邻齿廓之间的角度α称为齿廓角。侧面和螺纹轴线的垂线之间的角度α/2称为齿半角。

④外径(大直径)D:与外螺纹顶部或内螺纹底部重合的假想圆柱面的直径称为螺纹外径(或大直径)，也称为公称直径。

⑤内径(小直径)d1:与外螺纹牙底或内螺纹牙顶重合的假想圆柱面的直径称为螺纹内径(或小直径)。

⑥中径d2:指一个假想的中径圆柱体的直径，圆的母线通过齿形上的凹槽和凸起宽度相同的地方。

⑦节距P:中线相邻两齿对应相位点之间的轴向距离。

⑧导程S:中线两点对应的同一螺旋线上相邻两齿间的轴向距离，S=nP。对于单线程，因为n=1，S = P。

⑨螺线升角φ:在中径圆柱上，螺线的切线与垂直于螺纹轴线的平面所成的角度。

用于连接的螺纹主要有:普通螺纹和管螺纹。普通螺纹的牙型角为60°，外径D为公称直径。具有相同公称直径和多个螺距的螺纹。螺距最大的螺纹叫粗螺纹，其余的叫细螺纹。一般连接常用粗螺纹，按公称直径的标准选用。细螺纹仰角小，自锁性好。细螺纹比粗螺纹强度高，但不耐磨，易滑动，多用于薄壁零件。

管螺纹有55牙角的英制细牙螺纹，其公称直径为管子的内径，还有55和60牙角的锥形管螺纹。不同的填充物可以保证连接的紧密性。

2.螺纹连接的主要类型，标准连接件

螺纹连接的主要类型有:

①螺栓连接:当连接部位不太厚时，用普通螺栓穿过两个(或两个以上)连接孔，然后拧紧螺母，这是应用最广泛的。

②螺纹连接，如果其中一个连接较粗，可以采用螺纹连接。拧入深度与螺钉和连接部件的材料有关，等强度条件下确定的最小拧入深度可在相关手册中找到。这种连接不适合经常拆卸的连接，会造成螺孔磨损，导致修复困难，连接部件报废。

③螺柱连接:在连接的零件中有一个比较厚，经常拆卸时使用。拆卸时，只需拆下螺母，不要拧下螺柱。

设计时，注意螺柱必须拧紧。松开螺母时，确保螺杆不能在螺孔中旋转。

其中包括:

(a)使用过盈配合螺纹，将其拧入螺纹孔中，形成拧入全长的横向紧固；

(b)用螺纹末端部分(不完整螺纹)挤入螺纹孔，形成局部横向拧紧；

(c)挡圈的端面用于抵靠螺纹孔，螺柱轴向定位；

(d)利用螺柱的顶部结构紧靠螺纹孔的底面，形成轴向紧固。

④紧固螺钉连接:将钉子拧入一个零件的螺纹孔中，使钉子的端部能压在另一个零件的表面上或推入相应的孔中。主要用于固定两个零件的相互位置，不适合传递较大的力或力矩。

用于螺纹连接的标准连接器有六种:

①螺栓:根据加工精度不同，可分为粗螺柱和精螺栓。螺栓常用的有标准六角头、小六角头和方头。

②螺柱:两端都有螺纹，拧入本体端的螺纹长度为L1。L1的大小与连接部件的材料有关。钢与钢连接时，L1=d，钢与铸铁连接时，L1=1.25d，L1=1.5d，钢与铝合金连接时，L1=2d。

③螺钉:结构和形状与螺栓相似，但螺钉头有多种形式，其中内、外六角头可以发挥较大的拧紧力矩。而且圆头和十字头不方便施加大扭矩，所以选择的直径不能太大，一般不超过10mm。

④紧定螺钉:其头尾有多种形式。常用的尾部形状有锥形端、扁平端和圆柱端。一般要求尾端要有足够的硬度。

⑤螺母:常用六角螺母，也有粗的和精的。按其高度分为标准螺母、平螺母和厚螺母。如果想减轻重量，又不经常拆卸平螺母，就经常拆卸厚螺母。

⑥垫圈:一种常见的附件，放置在螺母和被连接部分之间，可以保护支撑面或防止螺母松动(弹簧垫圈等。).

3.螺纹紧固件的强度等级

国家标准规定，螺纹紧固件按其材料的力学性能分级，强度等级用数字表示:螺栓用两个数字表示，小数点前的数字为材料的抗拉强度σBmin/100，小数点后的数字为10×，材料的最小屈服极限σSmin(MPa)为两个数字的10倍乘。螺母用一个数字表示，就是。为了防止螺纹副咬死，减少磨损，螺母的材料等级应低于螺栓。

4.螺纹连接的预紧和锁定

根据螺纹连接在装配时是否拧紧，可分为松连接和紧连接。定滑轮的连接螺栓是松连接的典型，只有在承受外载荷时才受力。

实际上，大多数连接需要在装配过程中拧紧。这时螺栓上的力叫做预紧力。预紧可以增加连接刚度、紧密度和防松能力。

连接螺纹标准件能满足自锁条件。或者螺母头和被连接部件的支撑表面之间的摩擦力也有助于防止螺母松动。但如果温度变化较大，或者螺母受到冲击载荷或振动，螺母就会逐渐松动。设计时，必须根据工作条件、可靠性要求和结构特点设置防松装置。这种锁定装置一般可分为三类:

①利用摩擦力防止松动，弹簧垫圈是一种结构简单、使用方便的锁紧件，但由于弹性不均匀，不是很可靠。双螺母也可用于防止松动。锁紧螺母也可用于防止松动。锁紧螺母的上端在打开后径向闭合，然后在拧紧后打开。锁紧螺母由螺母弹性锁紧，简单可靠，可多次拆卸。用在更重要的场合。

②利用连接件的形状防止松动。

利用附加联接件的形状或改变螺旋副的形状来防止螺旋副相对转动。其做法是:

六角槽螺母:提供一个开口销。安装时，在螺杆末端钻一个孔(开口销)，可用于承受冲击线载荷变化较大的连接。

单耳止动环:一侧向上弯曲贴在螺母侧，另一侧向下弯曲贴在连接件侧壁，防松可靠。

三重止动垫圈:拧紧三个螺母后，将垫圈的两侧拉起，贴在三个螺母的侧面，使三个螺母相互制约。

系列钢丝:用于少螺钉密集排列的连接。注意钢丝的方向。图中右图方向合理，有防松效果，但安装需要时间。

端面冲孔点:属于永久止动，用于不可拆卸的螺纹连接。

③采用附加材料防止松动，如将螺母焊在螺杆上，将侧面焊死，或在螺纹表面涂上粘接剂，既能防止松动又能密封。

5.螺栓组结构设计中应考虑的因素

①从加工的角度看，结合面的几何形状应尽可能简单，往往使螺栓组的形心与结合面的形心重合。最好有两个对称轴，便于加工和计算。通常采用条形或环形结合面，以减少加工能力和结合面不平整的影响，同时增加连接刚度。

②对于扭矩作用下的螺栓组，螺栓布置应尽可能远离对称轴，同一圆周上的螺栓数量应为4、6、8、12个...以便于标记和索引。

③螺栓受力要合理，对于承受横向载荷的普通螺栓，可采用减载装置。或者使用铰孔螺栓，尽量避免螺栓受到额外的弯曲载荷(如承载面不平、螺母孔不合适、连接部位刚度小、连接体孔偏斜等。).

④装配时，使每个螺栓的预紧力相同，使结合面产生均匀的压力。因此，相邻螺栓之间的中心距离t一般应小于10d。对于有紧密性要求的连接，T值应按有关规定进行设计。t的取值还要考虑扳手的活动空间，所以t的取值不能太小。

6.螺栓组应力

①横向载荷下的螺栓组连接:包括螺栓组连接、普通螺栓连接和铰孔螺栓连接。

对于普通螺栓连接，螺栓预紧后，结合面之间产生压紧力，侧向外载荷由摩擦力抵抗。

铰孔之间用螺栓连接，在侧向外荷载作用下，锚杆承受剪切和挤压。

(2)对于承受旋转扭矩的螺栓组的连接，受力情况与侧向载荷基本相同。

③轴向载荷下的螺栓组连接:多个螺栓受力均匀，轴线相同。假设螺栓均匀分布，每个螺栓接受相同的外部载荷。

④承受倾覆力矩的螺栓组:倾覆趋势与M转向相同。M作用时，0~0左侧螺栓拧紧，轴向拉力增大，右侧螺栓松弛，螺栓预紧力QP减小。

在螺栓联接的设计中，无论承受何种外载荷，都是先计算螺栓组的总合力，再计算单个螺栓的强度。

7.提高螺栓连接强度的措施

①改善螺纹间的不均匀载荷分布。

从刚度和变形分析，在传力过程中，拉螺栓时螺距增大，压螺母时螺距减小。两个螺距之差，靠螺纹的弯曲和剪切变形来协调和补偿。研究表明，第一圈螺纹牙的变形最大，第二圈次之，然后减小，因此过多圈数的螺母不能提高连接强度。为了改善载荷分布在螺纹上的不利情况，常用的方法有:

设置悬挂螺母使母螺栓都处于张紧状态，以减小螺距变化差异，使螺纹牙上的载荷分布均匀。

使用内斜螺母，螺母的拧入端做成10° ~ 15°的内斜角。原始应力大的下螺纹应力点外移时，刚度降低，载荷上移，使载荷分布趋于均匀。

环槽螺母，螺母切槽，造成螺母局部张紧，起到悬挂螺母的作用。

这些措施加工复杂，只适用于重要场合。

②降低螺栓应力幅度。

对于交变载荷下的螺栓连接，增加螺栓长度、减小螺杆的截面积或减小螺杆材料的弹性截面E，都可以降低螺杆刚度，如采用柔性螺栓。

为了减少应力集中，在螺栓的螺纹齿、螺纹末端、过渡圆角和杆截面的变化处存在应力集中。其中螺纹根部的应力集中影响较大，可以增加根部的圆角半径。比如将r=0.1443p提高到r=0.21p，螺栓连接强度可以提高24~40%。此外，加大钉头和钉杆的过渡圆角、开设卸荷槽、采用卸荷过渡、螺纹止力退槽等措施可以减小集中应力。

这些措施的缺点是它们增加了成本，并且仅用于重要的连接。

④避免额外的压力。

比如支撑面不平整，螺母孔，被连接部分打出来的孔不在一条直线上，被连接部分刚好太小，钩头连接都造成连接处的附加应力，在设计中要避免。

⑤采用合理的制造工艺。

制造工艺对螺栓的疲劳强度影响很大，加工过程中螺纹表层的残余应力应通过某种手段消除。

滚丝比车丝好。表面质量好的棒料车床加工不合理，金属纤维也是车床加工。而滚丝是由材料的塑性形成的，滚丝后金属结构紧密。螺纹工作时，力的流向与材料纤维方向一致，其强度比车床螺纹提高40-95%。

螺栓的疲劳强度也可以通过在螺纹表面进行渗氮和氰化等表面硬化处理来提高。