螺
纹
联
接
?
联
接
概
述
?
螺
纹
联
接
概
述
?
螺
纹
联
接
的
拧
紧
与
防
松
?
单
个
螺
栓
的
受
力
分
析
与
强
度
计
算
?
螺
纹
组
受
力
分
析
与
讨
论
?
提
高
螺
纹
联
接
强
度
的
措
施
第二章 螺纹联接 2机械设计
§ 1 概述
一、联接分类
1、按 运动关系 分
静联接：只固定，无相对运动。如螺纹联接、普通平键联接。
动联接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。 —— 运动副
2、按 传载原理 分
靠摩擦力（力闭合）：如受拉螺栓、过盈联接。
非摩擦（形闭合）：靠联接零件的相互嵌合传载，如平键。
材料锁合联接：利用附加材料分子间作用，如粘接、焊接。
3、按 拆开时是否损坏零件 分
可拆联接：如螺纹联接（最广泛的可拆联接）。
不可拆联接：如焊接、铆接等。
第二章 螺纹联接 3机械设计
二、螺纹基本知识
① 直径
大径 d,公称直径 。 M20→d=20mm
小径 d1：螺纹的最小直径。
中径 d2：齿厚 =齿槽宽处直径，几何计
算用。 一般取,d2=(d+d1)/2
④ 螺距 p
② 线数 n,n=1时用于联接 ； n＞ 1时用于传动；
n↑→η↑,但为便于制造 n?4
③ 牙形角 α：螺纹牙两侧面夹角。
1、螺纹的主要参数
第二章 螺纹联接 4机械设计
2、螺纹的类型
右旋 左旋
螺纹位置：内螺纹 —— 螺母；外螺纹 —— 螺钉。
旋向判定,顺着轴线方向看，可见侧左边高
则为左旋，右边高则为右旋。
螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹 （常用） 。
思考：
⑥ 中径升角 ψ：
2
arc ta n dnp?? ?
⑤ 导程 s, s=np
第二章 螺纹联接 5机械设计
联接：效率低、自锁性好。 传动：效率高、自锁性差。
螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等
30
°3°
30
°
60
°
三角形 梯形 锯齿形 矩形
单线，用于联接 双线或多线，常用于传动
粗牙：一般情况下使用。
细牙,d相同,p小,ψ小，牙浅，自锁性好，但不
耐磨，易滑扣。 ∴ 用于变载荷场合。
∴ 联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。
螺纹线数,单线（联接）；多线（传动）。
第二章 螺纹联接 6机械设计
§ 2 螺纹联接的主要类型、材料
一、主要类型（ 注意各图的画法 ）
1、螺栓联接 受拉 —— 普通螺栓
普通螺栓,无需在被联件上加工螺纹
孔，装拆方便，用于 两被
联件均不太厚 的场合。
受剪 —— 铰制孔螺栓
铰制孔螺栓,除起联接作用外，
还起 定位 作用。
第二章 螺纹联接 7机械设计
2、双头螺柱联接
用于 有一联接件较厚，并
经常装拆 的场合，拆卸时只需
拧下螺母即可。
3、螺钉联接
用于 有一联接件较厚，
且不需经常装拆 的场合。
第二章 螺纹联接 8机械设计
4、紧定螺钉联接
螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定
两个零件的相互位置，并 可传递不大的力或力矩 。
第二章 螺纹联接 9机械设计
二、性能等级
1、螺栓等：十个性能等级，如,3.6,4.6,4.8,……
性能等级 材料性能
如,6.8
σBmin/100=6 σBmin=600MPa
10(σsmin/σBmin)=8 σsmin=480MPa
或 σsmin=(6× 8)× 10=480MPa
低碳钢或中碳钢
2、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。（自学）
第二章 螺纹联接 10机械设计
§ 3 螺栓联接的拧紧与防松
一、拧紧
受载之前 拧紧螺母 预紧力 F’
预紧
↑ 联接刚度
↑ 防松能力
↑ 紧密性
1、拧紧力矩 T=？
螺母支承面间的摩擦阻力矩
以螺母分析,T=T1+T2
螺纹副间的摩擦力矩
第二章 螺纹联接 11机械设计
2
2
1
dFT
t ??
)ta n (( vt FF ?? ??? —— 螺纹副间有效圆周力
2)ta n(
2dF
v ???? ??
a ) 螺母所
受转矩
b ) 螺栓所
受转矩
c ) 螺栓转
矩图
T 1
T 2
T 1
T
T
T
T 4
3
4
T 3
T 1
第二章 螺纹联接 12机械设计
frFT ???? ?2 （ rf—— 支承面摩擦半径）
dFkTTT t ?????? 21∴
kt—— 拧紧力矩系数，一般取 kt=0.2
F ' /2F ' /2
d ) 螺 栓 和 被 联 接
件 所 受 预 紧 力
e ) 计 算 螺 母 承 压 面
力 矩 用 的 符 号
F '
F ' /2 F ' /2
F '
D
1
d 1
第二章 螺纹联接 13机械设计
2、控制 T的方法
T↑ F ↑ 拉断、滑扣
T↓ 不能满足工作要求
控制 T的大小
一般情况凭经验，拧紧即可。方法：
测量螺栓伸长量,σ μ（大型螺栓联接）
定力矩扳手
测力矩扳手
冲击扳手
第二章 螺纹联接 14机械设计
采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不
适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来
控制预紧力。
测量螺栓伸长量
第二章 螺纹联接 15机械设计
3、严格控制预紧力时 d≮M12~M16
标准扳手长度 L=15d，若拧紧力为 F，则：
T=FL=15dF=0.2F’d
→ F ’=75F
若 F=200N，则 F’=15000N。 → 小于 M12，则易拉断。
二、防松
1、螺纹联接按自锁条件设计,ψ ?ρ v。 ∴ 静载下不会自行松脱。
2、松动原因
冲击、振动、变载荷下
温度变化较大时 螺旋副摩擦力 Ff减小或瞬时消失
松动
第二章 螺纹联接 16机械设计
下螺母
上螺母
螺
栓
对顶螺母
3、防松方法 —— 防止螺旋副相对转动。
按防松原理不同，分为三类：
a ） 摩擦防松
自锁螺母
第二章 螺纹联接 17机械设计
弹簧垫圈
开口方向,斜向右下方
弹性增压
尖端抵住
开口销与槽形螺母
b ） 机械防松（直接锁住）
第二章 螺纹联接 18机械设计
第二章 螺纹联接 19机械设计
正确
不正确
注意 金属丝穿入方向
串联金属丝
第二章 螺纹联接 20机械设计
c ） 破坏螺纹副关系 不可拆联接
胶接
冲点焊住
第二章 螺纹联接 21机械设计
§ 4 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
螺栓联接
受拉螺栓
受剪螺栓
松联接：不拧紧，无预紧力 F’，仅受工作载荷 F
紧联接：需拧紧
仅受预紧力 F’
同时受预紧力 F’和工作载荷 F
一、受拉螺栓联接
对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和
螺杆的疲劳断裂。
65%20%15%
危险截面面积由计算直径 dc确定,dc=d1-H/6,H≈0.866p ；
其中,d1,p分别为螺纹小径和螺距。
第二章 螺纹联接 22机械设计
1、松联接
如：起重滑轮螺栓
仅受轴向工作拉力 F—— 失效：拉断
强度条件：
][4/2 ??? ??
cd
F MPa —— 校核式
式中,dc—— 危险截面计算直径
[σ]—— 许用应力,[σ]= σs／ [Ss]，见表 6.3（ P110）。
][
4
??
Fd
c ?
mm —— 设计式 查手册，选螺栓
第二章 螺纹联接 23机械设计
2、紧联接
（ 1）只受预紧力 F’ 的紧联接
外载荷 FR—— 对螺栓为横向力 —— 靠 摩擦力 传递
a,FR作用下，板不滑移,FR?F f，而 Ff—→F ’。
b,按 F’计算,F’为螺栓轴向负荷 —→ 拉应力
4/2cd
F
??
??
c,拧紧过程中，在 T1作用下螺栓受扭 —→ 产生 τ T
4/)ta n (
2
16/
2/)ta n (
2
2
3
21
c
v
cc
v
T
T d
F
d
d
d
dF
W
T
????
??? ?????????
对钢制 M10~M68螺栓,τ T≈0.5σ 。
d,危险截面上受复合应力（ σ,τ T）作用 —→ 强度准则
螺栓为塑性材料 —→ 第四强度理论。
第二章 螺纹联接 24机械设计
][3.13 22 ????? ???? Tc —— 校核式即,][
4/
3.1
2 ??? ?
??
c
c d
F
1.3意义,紧联接时，将拉应力增大 30%以考虑 拧紧力矩 的影响。
][
3.14
??
Fd
c
??? mm —— 设计式
（ 2）受预紧力 F’和轴向工作载荷 F的紧螺栓联接
a、未拧状态 b、拧紧状态 F’ c、工作状态 F变形受力过程：
无变形 —→ F ’ —→
δ 1
δ 2
—→ +F —→
δ 1+Δδ1
δ 2-Δδ2
变形协调条件：
Δδ1= Δδ2 =Δδ
第二章 螺纹联接 25机械设计
各力定义
1、预紧力 F’（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）
2、螺栓工作拉力 F0 —→ 总拉力
3、工作载荷 F（对螺栓联接施加的外载荷）
4,F”剩余预紧力。（ P108）
思考, 图 b中,F0=？
图 c中,F0=F+F’？ 静力平衡条件,F0=F+F”
即,螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。
■ 上述过程还可通过 力 —— 变形图 表示
δ 1 δ 2
变形
力 力
λ 1 λ 2
δ 1 δ 2 变形
力
第二章 螺纹联接 26机械设计
螺栓刚度：
111 /ta n ?? Fc ??? 222 /ta n ?? Fc ???
被联件刚度：
在合并图中：
11
0
1 c
FFF
c
FF ?????????? ?
2
2 c
FF ?????? ?
Fcc cFF ???????
21
2
Fcc cFFFF ?????????
21
1
0
∴
—— 检查 F”的大小
—— 求总拉力
即：螺栓总拉力等于预紧力加上
部分工作载荷。
由于 ??? ?????
21
两图合并
Δ δ 1
Δ δ
2
δ
1 δ 2
变形
力
第二章 螺纹联接 27机械设计
讨论：
1、
21
1
cc
c
?
—— 螺栓相对刚度系数
当 F,F’ 一定时，
21
1
0 cc
cF
??
∴ 为 ↓ 螺栓受力 — → 选择不同垫片
21
1
cc
c
?
↓— → 应使
2,0???F,不出现缝隙。 (由
Fcc cFF ???????
21
2
验算 ) (P108)
同理，考虑扭转作用，强度条件为：
—— 校核式][
4/
3.1
2
0 ?
?? ?? cc d
F
][
3.14 0
??
Fd
c
?? mm —— 设计式
第二章 螺纹联接 28机械设计
F 1
o 时间 o
工作载荷变化
2
力
F
"
变形
螺栓拉力变化
c
1
+c
2
c
1
F
'
c
2
c
1
+c
2
F
2
F
1
F
2
F
1
2
F
02
-
F
01
F
01
F
02
若工作载荷为变载荷：
当工作载荷在 F1~F2变化时，螺栓总拉力在 F01~F02之间变化
变载荷下螺栓失效,Fa作用下的疲劳拉断
Fa—— 拉力变幅：
21
1120102
22 CC
CFFFFF
a ??
????
][)(2
21
1
2
12
a
c
a CC
C
d
FF ?
?? ???
???∴ 应力幅：
螺栓许用应力幅
（ P110）表 6.3
即,变载荷 下螺栓,应力幅 越小,疲劳强度 越高。
第二章 螺纹联接 29机械设计
h
h
F R
1
2
d
2
1
剪断破坏
挤压破坏
被连接件
F R
a) 受剪螺栓联接
b) 螺栓被挤压二、受剪螺栓联接
1、失效形式,剪断、接触表面压溃。
2、螺栓剪切强度条件
][4/2 ??? ??? dm F s
d—— 杆抗剪面直径
m—— 抗剪面数目
[τ]—— 许用剪应力
3、挤压强度条件
][ psp hd F ?? ???
h—— 对象受压高度；
[σp]—— 许用挤压应力，表 6.4,取弱者计算 ；
第二章 螺纹联接 30机械设计
§ 5 螺栓组联接的受力分析
一、思路
联接结构形式、外载荷类型 —→ 螺栓受力 —→ 找出受载最大螺栓
—→ 按单个螺栓联接的计算方法计算
二、基本假定
1、各螺栓刚度相同；
2、各螺栓 F’相同；
3、变形在弹性范围内；
4、被联件为刚体；
三、四种典型受载情况时
的受力分析
1、受轴向载荷的螺栓组联接
第二章 螺纹联接 31机械设计
特点：载荷与螺栓轴线平行，并通过螺栓组对称中心。
—→ 各螺栓组平均受载,F=FQ/z
螺栓还受 F’—→F 0 —→ ][3.14
2
0 ?
? ?
?
Cd
F 工作条件,F”>0
2、受横向载荷的螺栓组联接
F R
F R
a) 用受拉螺栓联接
μ '
μ '
F' F'
μ '
F'
μ '
F' F'
F'
F R /2
F R /2
第二章 螺纹联接 32机械设计
（ 1）特点：横向载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组对称中心。
（ 2）承载方式：
形闭合：受剪螺栓（靠杆的剪切与挤压承载）
力闭合：受拉螺栓（由 F’在结合面产生的摩擦力承载）
（ 3）受力分析
a,受拉螺栓
工作条件,
Rfs FkzmF ???????
zm
FkF
s
Rf
??
???
?
按仅受 F’的紧联接计算。
式中,μs—— 结合面的摩擦系数；
z —— 螺栓个数；
m —— 结合面数目，图中 m=2；
kf—— 可靠系数（防滑系数）,kf=1.1~1.5；
第二章 螺纹联接 33机械设计
F R
F R
b) 用受剪螺栓联接
F s /2F s /2
F s /2
F s
F s /2
F s
F R /2
F R /2
b、受剪螺栓
假定每个螺栓受载相同，则
工作条件：
Rs FFz ??
zFF RS /?
剪切计算
挤压计算
第二章 螺纹联接 34机械设计
3、受旋转力矩 T的螺栓组联接
特点：在转矩 T作用下，底板有绕螺栓组形心轴线 O-O旋转的趋势。
横向力
受拉螺栓
受剪螺栓
摩擦力承载，各螺栓处产生相等
的摩擦力
Fs ???
（ 1）受拉螺栓联接
工作条件：
TkrFrFrF fzsss ???????????? ??? 21
?
?
?
?
??
?? z
i
is
f
zs
f
r
Tk
rrr
Tk
F
1
21 )( ?? ?
第二章 螺纹联接 35机械设计
（ 2）受剪螺栓联接
靠剪切和挤压承载，各螺栓在 T作用
下受横向力 Fs。
问题,Fs1= Fs2= … = Fsz？
即 Fsi与 ri成正比：
z
szss
r
F
r
F
r
F ??? ?
2
2
1
1
或
i
sis
r
F
r
F ?
m a x
m a x
工作条件,Fs1r1+ Fs2r2+ … + Fszrz= T
变形协调条件,底板视为刚体,ri↑
—→ 剪切变形量 ↑ —→F si↑
第二章 螺纹联接 36机械设计
m a x
m a x r
rFF i
ssi ?
代入工作条件中：
?
?
?
??
?
z
i
i
z
s
r
Tr
rrr
Tr
F
1
2
m a x
22
2
2
1
m a x
m a x
?
4、受翻转力矩 M（倾覆力矩）
的螺栓组联接
特点,在 M作用下，底板有
绕螺栓组形心轴翻转的趋势。
作用 M前：各螺栓受相同 F’
作用 M后：左侧,F拉 (不均匀 )，
右侧,F压 (不均匀 ) → F’↓
第二章 螺纹联接 37机械设计
工作条件：
MrFrFrF zz ???? ?2211
变形协调条件：
m a x
m a x
2
2
1
1
r
F
r
F
r
F
r
F
z
z ???? ?
?
?
??
???
??
z
i
i
z r
rM
rrr
rMF
1
2
m a x
22
2
2
1
m a x
m a x ?
其它条件：
附加校核
讨论：设计时，如何布置螺栓更合理？
—— 远离对称中心 Ri↑→F max↓
实际应用可转化为上述四种状态的不同组合：分别计算 迭加
横向载荷和旋转力矩 F?
轴向载荷和翻转力矩 F 0F 强度计算
左侧不出现缝隙
右侧边缘不压溃
第二章 螺纹联接 38机械设计
§ 6 提高螺纹联接强度的措施
1、机理 工作时，
螺栓受拉,p↑
螺母受压,p↓ 两者产生螺距差
一、改善螺纹牙间受力分配
第一圈,Δp最大，受力最大
第 8~10圈后几乎不受力
各圈受载不均
第二章 螺纹联接 39机械设计
∴ 采用加高螺母不能
提高联接强度。
2、办法
采用 受拉螺母 （变形一致）
—— 减小螺栓螺母螺距变化差
第二章 螺纹联接 40机械设计
二、减小附加弯曲应力
螺纹牙根 弯曲应力——————→ 断裂
螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。
引起附加弯曲应力因素：
a) 螺栓受偏心载荷
e
F
b) 被联接件刚度不够
第二章 螺纹联接 41机械设计
a) 采用球面垫圈
抗弯
力偶
e) 采用环腰d ) 采用沉头座
b ) 采用斜垫圈
c) 采用凸台
措施：垫圈,凸台、沉孔 等。 思考, 采用凸台、沉孔的目的？
三、减轻应力集中
收尾：退刀槽； 增大牙根处过渡圆角半径。
第二章 螺纹联接 42机械设计
四、降低应力幅 σa
σmax 一定时,σa↓ —→ 疲劳强度 ↑
当 F,F”不变时,↓ c1 或 ↑ c2。
措施,1） ↑ 螺栓长度
2） ↓ 光杆直径
3）采用柔性螺栓
1、降低螺栓刚度 c1
?1<? 1‘
第二章 螺纹联接 43机械设计
a) 用密封垫片
b ) 用密封环
密封垫片 密封环
措施,不宜采用刚度小的垫片。
五、改善制造工艺
1、加工方法：碾制较车制强度 ↑ 30%；
2、表面处理：喷丸、氮化等。
2、提高被联件刚度 c2
?2>? 2‘
第二章 螺纹联接 44机械设计
§ 7 螺栓组结构设计要点
1,结合面几何形状力求简单（矩、圆、三角），且螺栓组的对
称中心与结合面形心重合，结合面受力均匀。
3,分布在同一圆周上的 z应取偶数（ 4,6,8），便于分度划线。
4,避免附加弯曲载荷：凸台、沉孔、斜垫圈等。
5,螺栓排列应有合理间距、边距、扳手空间。
6,合理防松方法。
2,螺栓组受力合理：螺栓布置应尽量远离对称中心，铰制孔螺
栓组 ≯ 8个；同时承受轴向、横向载荷时，可采用抗剪元件
承受横向力,↓ d。
纹
联
接
?
联
接
概
述
?
螺
纹
联
接
概
述
?
螺
纹
联
接
的
拧
紧
与
防
松
?
单
个
螺
栓
的
受
力
分
析
与
强
度
计
算
?
螺
纹
组
受
力
分
析
与
讨
论
?
提
高
螺
纹
联
接
强
度
的
措
施
第二章 螺纹联接 2机械设计
§ 1 概述
一、联接分类
1、按 运动关系 分
静联接：只固定，无相对运动。如螺纹联接、普通平键联接。
动联接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。 —— 运动副
2、按 传载原理 分
靠摩擦力（力闭合）：如受拉螺栓、过盈联接。
非摩擦（形闭合）：靠联接零件的相互嵌合传载，如平键。
材料锁合联接：利用附加材料分子间作用，如粘接、焊接。
3、按 拆开时是否损坏零件 分
可拆联接：如螺纹联接（最广泛的可拆联接）。
不可拆联接：如焊接、铆接等。
第二章 螺纹联接 3机械设计
二、螺纹基本知识
① 直径
大径 d,公称直径 。 M20→d=20mm
小径 d1：螺纹的最小直径。
中径 d2：齿厚 =齿槽宽处直径，几何计
算用。 一般取,d2=(d+d1)/2
④ 螺距 p
② 线数 n,n=1时用于联接 ； n＞ 1时用于传动；
n↑→η↑,但为便于制造 n?4
③ 牙形角 α：螺纹牙两侧面夹角。
1、螺纹的主要参数
第二章 螺纹联接 4机械设计
2、螺纹的类型
右旋 左旋
螺纹位置：内螺纹 —— 螺母；外螺纹 —— 螺钉。
旋向判定,顺着轴线方向看，可见侧左边高
则为左旋，右边高则为右旋。
螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹 （常用） 。
思考：
⑥ 中径升角 ψ：
2
arc ta n dnp?? ?
⑤ 导程 s, s=np
第二章 螺纹联接 5机械设计
联接：效率低、自锁性好。 传动：效率高、自锁性差。
螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等
30
°3°
30
°
60
°
三角形 梯形 锯齿形 矩形
单线，用于联接 双线或多线，常用于传动
粗牙：一般情况下使用。
细牙,d相同,p小,ψ小，牙浅，自锁性好，但不
耐磨，易滑扣。 ∴ 用于变载荷场合。
∴ 联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。
螺纹线数,单线（联接）；多线（传动）。
第二章 螺纹联接 6机械设计
§ 2 螺纹联接的主要类型、材料
一、主要类型（ 注意各图的画法 ）
1、螺栓联接 受拉 —— 普通螺栓
普通螺栓,无需在被联件上加工螺纹
孔，装拆方便，用于 两被
联件均不太厚 的场合。
受剪 —— 铰制孔螺栓
铰制孔螺栓,除起联接作用外，
还起 定位 作用。
第二章 螺纹联接 7机械设计
2、双头螺柱联接
用于 有一联接件较厚，并
经常装拆 的场合，拆卸时只需
拧下螺母即可。
3、螺钉联接
用于 有一联接件较厚，
且不需经常装拆 的场合。
第二章 螺纹联接 8机械设计
4、紧定螺钉联接
螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定
两个零件的相互位置，并 可传递不大的力或力矩 。
第二章 螺纹联接 9机械设计
二、性能等级
1、螺栓等：十个性能等级，如,3.6,4.6,4.8,……
性能等级 材料性能
如,6.8
σBmin/100=6 σBmin=600MPa
10(σsmin/σBmin)=8 σsmin=480MPa
或 σsmin=(6× 8)× 10=480MPa
低碳钢或中碳钢
2、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。（自学）
第二章 螺纹联接 10机械设计
§ 3 螺栓联接的拧紧与防松
一、拧紧
受载之前 拧紧螺母 预紧力 F’
预紧
↑ 联接刚度
↑ 防松能力
↑ 紧密性
1、拧紧力矩 T=？
螺母支承面间的摩擦阻力矩
以螺母分析,T=T1+T2
螺纹副间的摩擦力矩
第二章 螺纹联接 11机械设计
2
2
1
dFT
t ??
)ta n (( vt FF ?? ??? —— 螺纹副间有效圆周力
2)ta n(
2dF
v ???? ??
a ) 螺母所
受转矩
b ) 螺栓所
受转矩
c ) 螺栓转
矩图
T 1
T 2
T 1
T
T
T
T 4
3
4
T 3
T 1
第二章 螺纹联接 12机械设计
frFT ???? ?2 （ rf—— 支承面摩擦半径）
dFkTTT t ?????? 21∴
kt—— 拧紧力矩系数，一般取 kt=0.2
F ' /2F ' /2
d ) 螺 栓 和 被 联 接
件 所 受 预 紧 力
e ) 计 算 螺 母 承 压 面
力 矩 用 的 符 号
F '
F ' /2 F ' /2
F '
D
1
d 1
第二章 螺纹联接 13机械设计
2、控制 T的方法
T↑ F ↑ 拉断、滑扣
T↓ 不能满足工作要求
控制 T的大小
一般情况凭经验，拧紧即可。方法：
测量螺栓伸长量,σ μ（大型螺栓联接）
定力矩扳手
测力矩扳手
冲击扳手
第二章 螺纹联接 14机械设计
采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不
适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来
控制预紧力。
测量螺栓伸长量
第二章 螺纹联接 15机械设计
3、严格控制预紧力时 d≮M12~M16
标准扳手长度 L=15d，若拧紧力为 F，则：
T=FL=15dF=0.2F’d
→ F ’=75F
若 F=200N，则 F’=15000N。 → 小于 M12，则易拉断。
二、防松
1、螺纹联接按自锁条件设计,ψ ?ρ v。 ∴ 静载下不会自行松脱。
2、松动原因
冲击、振动、变载荷下
温度变化较大时 螺旋副摩擦力 Ff减小或瞬时消失
松动
第二章 螺纹联接 16机械设计
下螺母
上螺母
螺
栓
对顶螺母
3、防松方法 —— 防止螺旋副相对转动。
按防松原理不同，分为三类：
a ） 摩擦防松
自锁螺母
第二章 螺纹联接 17机械设计
弹簧垫圈
开口方向,斜向右下方
弹性增压
尖端抵住
开口销与槽形螺母
b ） 机械防松（直接锁住）
第二章 螺纹联接 18机械设计
第二章 螺纹联接 19机械设计
正确
不正确
注意 金属丝穿入方向
串联金属丝
第二章 螺纹联接 20机械设计
c ） 破坏螺纹副关系 不可拆联接
胶接
冲点焊住
第二章 螺纹联接 21机械设计
§ 4 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
螺栓联接
受拉螺栓
受剪螺栓
松联接：不拧紧，无预紧力 F’，仅受工作载荷 F
紧联接：需拧紧
仅受预紧力 F’
同时受预紧力 F’和工作载荷 F
一、受拉螺栓联接
对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和
螺杆的疲劳断裂。
65%20%15%
危险截面面积由计算直径 dc确定,dc=d1-H/6,H≈0.866p ；
其中,d1,p分别为螺纹小径和螺距。
第二章 螺纹联接 22机械设计
1、松联接
如：起重滑轮螺栓
仅受轴向工作拉力 F—— 失效：拉断
强度条件：
][4/2 ??? ??
cd
F MPa —— 校核式
式中,dc—— 危险截面计算直径
[σ]—— 许用应力,[σ]= σs／ [Ss]，见表 6.3（ P110）。
][
4
??
Fd
c ?
mm —— 设计式 查手册，选螺栓
第二章 螺纹联接 23机械设计
2、紧联接
（ 1）只受预紧力 F’ 的紧联接
外载荷 FR—— 对螺栓为横向力 —— 靠 摩擦力 传递
a,FR作用下，板不滑移,FR?F f，而 Ff—→F ’。
b,按 F’计算,F’为螺栓轴向负荷 —→ 拉应力
4/2cd
F
??
??
c,拧紧过程中，在 T1作用下螺栓受扭 —→ 产生 τ T
4/)ta n (
2
16/
2/)ta n (
2
2
3
21
c
v
cc
v
T
T d
F
d
d
d
dF
W
T
????
??? ?????????
对钢制 M10~M68螺栓,τ T≈0.5σ 。
d,危险截面上受复合应力（ σ,τ T）作用 —→ 强度准则
螺栓为塑性材料 —→ 第四强度理论。
第二章 螺纹联接 24机械设计
][3.13 22 ????? ???? Tc —— 校核式即,][
4/
3.1
2 ??? ?
??
c
c d
F
1.3意义,紧联接时，将拉应力增大 30%以考虑 拧紧力矩 的影响。
][
3.14
??
Fd
c
??? mm —— 设计式
（ 2）受预紧力 F’和轴向工作载荷 F的紧螺栓联接
a、未拧状态 b、拧紧状态 F’ c、工作状态 F变形受力过程：
无变形 —→ F ’ —→
δ 1
δ 2
—→ +F —→
δ 1+Δδ1
δ 2-Δδ2
变形协调条件：
Δδ1= Δδ2 =Δδ
第二章 螺纹联接 25机械设计
各力定义
1、预紧力 F’（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）
2、螺栓工作拉力 F0 —→ 总拉力
3、工作载荷 F（对螺栓联接施加的外载荷）
4,F”剩余预紧力。（ P108）
思考, 图 b中,F0=？
图 c中,F0=F+F’？ 静力平衡条件,F0=F+F”
即,螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。
■ 上述过程还可通过 力 —— 变形图 表示
δ 1 δ 2
变形
力 力
λ 1 λ 2
δ 1 δ 2 变形
力
第二章 螺纹联接 26机械设计
螺栓刚度：
111 /ta n ?? Fc ??? 222 /ta n ?? Fc ???
被联件刚度：
在合并图中：
11
0
1 c
FFF
c
FF ?????????? ?
2
2 c
FF ?????? ?
Fcc cFF ???????
21
2
Fcc cFFFF ?????????
21
1
0
∴
—— 检查 F”的大小
—— 求总拉力
即：螺栓总拉力等于预紧力加上
部分工作载荷。
由于 ??? ?????
21
两图合并
Δ δ 1
Δ δ
2
δ
1 δ 2
变形
力
第二章 螺纹联接 27机械设计
讨论：
1、
21
1
cc
c
?
—— 螺栓相对刚度系数
当 F,F’ 一定时，
21
1
0 cc
cF
??
∴ 为 ↓ 螺栓受力 — → 选择不同垫片
21
1
cc
c
?
↓— → 应使
2,0???F,不出现缝隙。 (由
Fcc cFF ???????
21
2
验算 ) (P108)
同理，考虑扭转作用，强度条件为：
—— 校核式][
4/
3.1
2
0 ?
?? ?? cc d
F
][
3.14 0
??
Fd
c
?? mm —— 设计式
第二章 螺纹联接 28机械设计
F 1
o 时间 o
工作载荷变化
2
力
F
"
变形
螺栓拉力变化
c
1
+c
2
c
1
F
'
c
2
c
1
+c
2
F
2
F
1
F
2
F
1
2
F
02
-
F
01
F
01
F
02
若工作载荷为变载荷：
当工作载荷在 F1~F2变化时，螺栓总拉力在 F01~F02之间变化
变载荷下螺栓失效,Fa作用下的疲劳拉断
Fa—— 拉力变幅：
21
1120102
22 CC
CFFFFF
a ??
????
][)(2
21
1
2
12
a
c
a CC
C
d
FF ?
?? ???
???∴ 应力幅：
螺栓许用应力幅
（ P110）表 6.3
即,变载荷 下螺栓,应力幅 越小,疲劳强度 越高。
第二章 螺纹联接 29机械设计
h
h
F R
1
2
d
2
1
剪断破坏
挤压破坏
被连接件
F R
a) 受剪螺栓联接
b) 螺栓被挤压二、受剪螺栓联接
1、失效形式,剪断、接触表面压溃。
2、螺栓剪切强度条件
][4/2 ??? ??? dm F s
d—— 杆抗剪面直径
m—— 抗剪面数目
[τ]—— 许用剪应力
3、挤压强度条件
][ psp hd F ?? ???
h—— 对象受压高度；
[σp]—— 许用挤压应力，表 6.4,取弱者计算 ；
第二章 螺纹联接 30机械设计
§ 5 螺栓组联接的受力分析
一、思路
联接结构形式、外载荷类型 —→ 螺栓受力 —→ 找出受载最大螺栓
—→ 按单个螺栓联接的计算方法计算
二、基本假定
1、各螺栓刚度相同；
2、各螺栓 F’相同；
3、变形在弹性范围内；
4、被联件为刚体；
三、四种典型受载情况时
的受力分析
1、受轴向载荷的螺栓组联接
第二章 螺纹联接 31机械设计
特点：载荷与螺栓轴线平行，并通过螺栓组对称中心。
—→ 各螺栓组平均受载,F=FQ/z
螺栓还受 F’—→F 0 —→ ][3.14
2
0 ?
? ?
?
Cd
F 工作条件,F”>0
2、受横向载荷的螺栓组联接
F R
F R
a) 用受拉螺栓联接
μ '
μ '
F' F'
μ '
F'
μ '
F' F'
F'
F R /2
F R /2
第二章 螺纹联接 32机械设计
（ 1）特点：横向载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组对称中心。
（ 2）承载方式：
形闭合：受剪螺栓（靠杆的剪切与挤压承载）
力闭合：受拉螺栓（由 F’在结合面产生的摩擦力承载）
（ 3）受力分析
a,受拉螺栓
工作条件,
Rfs FkzmF ???????
zm
FkF
s
Rf
??
???
?
按仅受 F’的紧联接计算。
式中,μs—— 结合面的摩擦系数；
z —— 螺栓个数；
m —— 结合面数目，图中 m=2；
kf—— 可靠系数（防滑系数）,kf=1.1~1.5；
第二章 螺纹联接 33机械设计
F R
F R
b) 用受剪螺栓联接
F s /2F s /2
F s /2
F s
F s /2
F s
F R /2
F R /2
b、受剪螺栓
假定每个螺栓受载相同，则
工作条件：
Rs FFz ??
zFF RS /?
剪切计算
挤压计算
第二章 螺纹联接 34机械设计
3、受旋转力矩 T的螺栓组联接
特点：在转矩 T作用下，底板有绕螺栓组形心轴线 O-O旋转的趋势。
横向力
受拉螺栓
受剪螺栓
摩擦力承载，各螺栓处产生相等
的摩擦力
Fs ???
（ 1）受拉螺栓联接
工作条件：
TkrFrFrF fzsss ???????????? ??? 21
?
?
?
?
??
?? z
i
is
f
zs
f
r
Tk
rrr
Tk
F
1
21 )( ?? ?
第二章 螺纹联接 35机械设计
（ 2）受剪螺栓联接
靠剪切和挤压承载，各螺栓在 T作用
下受横向力 Fs。
问题,Fs1= Fs2= … = Fsz？
即 Fsi与 ri成正比：
z
szss
r
F
r
F
r
F ??? ?
2
2
1
1
或
i
sis
r
F
r
F ?
m a x
m a x
工作条件,Fs1r1+ Fs2r2+ … + Fszrz= T
变形协调条件,底板视为刚体,ri↑
—→ 剪切变形量 ↑ —→F si↑
第二章 螺纹联接 36机械设计
m a x
m a x r
rFF i
ssi ?
代入工作条件中：
?
?
?
??
?
z
i
i
z
s
r
Tr
rrr
Tr
F
1
2
m a x
22
2
2
1
m a x
m a x
?
4、受翻转力矩 M（倾覆力矩）
的螺栓组联接
特点,在 M作用下，底板有
绕螺栓组形心轴翻转的趋势。
作用 M前：各螺栓受相同 F’
作用 M后：左侧,F拉 (不均匀 )，
右侧,F压 (不均匀 ) → F’↓
第二章 螺纹联接 37机械设计
工作条件：
MrFrFrF zz ???? ?2211
变形协调条件：
m a x
m a x
2
2
1
1
r
F
r
F
r
F
r
F
z
z ???? ?
?
?
??
???
??
z
i
i
z r
rM
rrr
rMF
1
2
m a x
22
2
2
1
m a x
m a x ?
其它条件：
附加校核
讨论：设计时，如何布置螺栓更合理？
—— 远离对称中心 Ri↑→F max↓
实际应用可转化为上述四种状态的不同组合：分别计算 迭加
横向载荷和旋转力矩 F?
轴向载荷和翻转力矩 F 0F 强度计算
左侧不出现缝隙
右侧边缘不压溃
第二章 螺纹联接 38机械设计
§ 6 提高螺纹联接强度的措施
1、机理 工作时，
螺栓受拉,p↑
螺母受压,p↓ 两者产生螺距差
一、改善螺纹牙间受力分配
第一圈,Δp最大，受力最大
第 8~10圈后几乎不受力
各圈受载不均
第二章 螺纹联接 39机械设计
∴ 采用加高螺母不能
提高联接强度。
2、办法
采用 受拉螺母 （变形一致）
—— 减小螺栓螺母螺距变化差
第二章 螺纹联接 40机械设计
二、减小附加弯曲应力
螺纹牙根 弯曲应力——————→ 断裂
螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。
引起附加弯曲应力因素：
a) 螺栓受偏心载荷
e
F
b) 被联接件刚度不够
第二章 螺纹联接 41机械设计
a) 采用球面垫圈
抗弯
力偶
e) 采用环腰d ) 采用沉头座
b ) 采用斜垫圈
c) 采用凸台
措施：垫圈,凸台、沉孔 等。 思考, 采用凸台、沉孔的目的？
三、减轻应力集中
收尾：退刀槽； 增大牙根处过渡圆角半径。
第二章 螺纹联接 42机械设计
四、降低应力幅 σa
σmax 一定时,σa↓ —→ 疲劳强度 ↑
当 F,F”不变时,↓ c1 或 ↑ c2。
措施,1） ↑ 螺栓长度
2） ↓ 光杆直径
3）采用柔性螺栓
1、降低螺栓刚度 c1
?1<? 1‘
第二章 螺纹联接 43机械设计
a) 用密封垫片
b ) 用密封环
密封垫片 密封环
措施,不宜采用刚度小的垫片。
五、改善制造工艺
1、加工方法：碾制较车制强度 ↑ 30%；
2、表面处理：喷丸、氮化等。
2、提高被联件刚度 c2
?2>? 2‘
第二章 螺纹联接 44机械设计
§ 7 螺栓组结构设计要点
1,结合面几何形状力求简单（矩、圆、三角），且螺栓组的对
称中心与结合面形心重合，结合面受力均匀。
3,分布在同一圆周上的 z应取偶数（ 4,6,8），便于分度划线。
4,避免附加弯曲载荷：凸台、沉孔、斜垫圈等。
5,螺栓排列应有合理间距、边距、扳手空间。
6,合理防松方法。
2,螺栓组受力合理：螺栓布置应尽量远离对称中心，铰制孔螺
栓组 ≯ 8个；同时承受轴向、横向载荷时，可采用抗剪元件
承受横向力,↓ d。
