螺紋緊固件常用的裝配方法

A. 2018-08-23 連接

10.1 螺紋連接

10.1.1 概述

螺紋即可以構成固定連接，如螺紋連接，也可以構成動連接，即螺紋副，螺紋副的運動副元素是螺紋。螺紋連接和螺紋傳動都是利用螺紋零件工作的但兩者工作性質不同，在技術要求上也有差別。前者作為緊固件使用，要求保證連接強度（有時還要求緊密性），後者則作為傳動件使用，要求保證螺紋副的傳動精度、效率和磨損壽命等。

10.1.2 螺紋

螺紋的類型。按照螺旋線的旋向，螺紋分為左旋螺紋和右旋螺紋。機械製造中一般採用右旋螺紋，有特殊要求時才採用左旋螺紋。按照螺旋線的數目，螺紋還分為單線螺紋和等距排列的多線螺紋。為了製造方便，螺紋的數目一般不超過4。螺紋有外螺紋和內螺紋之分，它們共同組成螺紋副。起連接作用的螺紋稱為連接螺紋，起傳動作用的螺紋稱為傳動螺紋，相應的傳動稱為螺旋傳動。螺紋又分為米制和英制（螺距以每英寸牙數表示）兩類。我國除管螺紋保留英制外，都採用米制螺紋。

常用的螺紋類型主要有普通螺紋、管螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋和鋸齒形螺紋。前兩種主要用於連接，後三種主要用於傳動。除矩形螺紋外，其他螺紋都已標准化。

螺紋的主要參數。按照母體形狀，螺紋分為圓柱螺紋和圓錐螺紋。下面以圓柱普通螺紋為例說明螺紋的主要參數：

    大徑d，D，螺紋的最大直徑，即與外螺紋的牙頂或內螺紋牙底相重合的假想圓柱面的直徑。大徑也稱為螺紋的公稱直徑（管螺紋除外）；

    小徑d₁，D₁，螺紋的最小直徑，即與外螺紋的牙底或內螺紋牙頂相重合的假想圓柱面的直徑。常用作危險剖面的計算直徑；

    中徑d₂，D₂，過螺紋的軸向截面內，牙厚等於牙間處的假想圓柱面的直徑。中徑是確定螺紋幾何參數和配合性質的直徑；

    螺距P，相鄰兩牙在中徑線上對應兩點間的軸向距離；

    線數n，螺紋螺旋線的數目。由一條螺旋線形成的螺紋稱為單線螺紋，由兩條沿等距螺旋線形成的螺紋稱為多線螺紋。連接螺紋有自鎖要求，多為單線螺紋；傳動螺紋要求傳動效率高，故用雙線或三線螺紋。一般線數小於等於4；

    導程S，同一螺紋上相鄰兩牙在中徑線上對應兩點間的軸向距離。單頭螺紋S = P，多頭螺紋S = nP；

    螺紋升角ψ。螺紋中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直於螺紋軸線的平面的夾角，計算式為ψ = arctan S/Πd² = arctan nP/Πd²；

    牙形角α，軸向截面內，螺紋牙形兩側邊的夾角；

    牙側角β，軸向截面內，螺紋牙形的側邊與螺紋軸線的垂線間的夾角，對於對稱牙形有 β = α/2；

    工作高度h，內外螺紋旋合後的接觸面的徑向高度。

10.1.3 螺紋副的受力分析、效率和自鎖

矩形螺紋（β = 0°）。將矩形螺紋沿中徑展開可得一斜面，Fa為軸向載荷，ψ為螺紋升角，F為作用於中徑處的水平推力，ρ為摩擦角。當滑塊沿斜面等速上升時，由力多邊形可得，Fa為阻力，F為驅動力， F = Fa·tan (ψ+ρ) ，作用在螺紋副上的相應驅動力矩為 T = F · d₂/2 = Fa·(d₂/2)·tan(ψ+ρ) ；當滑塊沿斜面等速下滑時，軸向載荷Fa變為驅動力，F變為維持滑塊等速運動所需的平衡力，由力多邊形可得， F = Fa·tan (ψ-ρ) ，作用在螺紋副上的相應力矩為 T = F · d₂/2 = Fa·(d₂/2)·tan(ψ-ρ) 。求出的F值可為正也可為負。當斜面傾角ψ小於摩擦角ρ時，滑塊不能在重力作用下自行下滑，即處於自鎖狀態。在自鎖條件下，必須施加驅動力F才能使滑塊等速下滑。

非矩形螺紋。非矩形螺紋是指牙側角不為0的三角形螺紋（普通螺紋、管螺紋等）、梯形螺紋和鋸齒形螺紋。若略去螺紋升角的影響，在軸向載荷Fa作用下，非矩形螺紋的法向力比矩形螺紋的大。若把法向力的增加看做摩擦因數的增加，則非矩形螺紋的摩擦阻力可寫為：f' = f/cos β = tan ρ'，β為牙側角，f'為當量摩擦因數，ρ'為當量摩擦角。則將矩形螺紋的公式中的ρ改為ρ'，就是對非矩形螺紋的受力分析。

為了防止螺母在軸向力作用下自動松開，用於連接的緊固螺紋必須滿足自鎖條件，即ψ≤ρ'。

以上分析適用於各種螺旋傳動和螺紋連接，歸納起來就是：當軸向載荷為阻力，阻止螺紋副相對運動時，相當於滑塊沿斜面等速上升，應使用前兩個公式。當軸向載荷為驅動力，與螺紋副相對運動方向一致時，相當於滑塊沿斜面等速下滑，使用後兩個公式。

螺紋副的效率是有效功與輸入功之比。若按螺旋轉動一圈計算，輸入功為2ΠT，有效功為FaS，則螺紋效率為η = FaS/2ΠT = tan ψ/tan(ψ+ρ')。當量摩擦角一定時，效率只是螺紋升角的函數，當ψ = 45°-ρ'/2時效率最高。由於過大的螺紋升角會使製造困難，且效率提高也不顯著，所以一般ψ角不大於25°。

10.1.4 螺紋連接的類型和標准件

螺紋連接的基本類型有以下四種：

    螺栓連接：普通螺栓連接，被連接件上開有通孔，插入螺栓後在螺栓的另一端擰上螺母。結構特點是被連接件上的通孔和螺栓桿間留有間隙，通孔的加工精度要求底，結構簡單，裝拆方便，使用時不受被連接件材料的限制，因此應用極廣。鉸制孔用螺栓連接，孔和螺栓桿多採用基孔制過渡配合。這種連接能精確固定被連接件的相對位置，並能承受橫向載荷，但孔的加工精度要求較高。

    雙頭螺柱連接。這種連接末端擰入並緊定在被連接件之一的螺紋孔中，適用於受結構限制而不能用螺栓或希望連接結構較緊湊的場合。

    螺釘連接。這種連接的特點是螺栓（或螺釘）直接擰入被連接件的螺紋孔中，不用螺母，而且能有光整的外露表面，在結構上比雙頭螺柱連接簡單、緊湊。其用途和雙頭螺柱連接相似，但如經常拆裝，易使螺紋孔磨損，故多用於受力不大，或不需要經常拆裝的場合。

    緊定螺釘連接。緊定螺釘連接是利用擰入零件螺紋孔中的螺釘末端頂住另一零件的表面，或頂入相應的凹坑中，以固定兩個零件的相對位置，並可傳遞不大的力或轉矩。

    除這四種基本連接形式外，還有一些特殊結構的連接。如，專門用於將機座或機架固定在地基上的地腳螺栓連接，裝在機器或大型零部件的頂蓋或外殼上便於起吊用的吊環螺釘連接。

標准螺紋連接件。螺紋連接件的類型很多，在機械製造中常見的螺紋連接件有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、螺母和墊圈等。

螺紋連接件分為三個精度等級：A,B,C。A精度公差小，精度最高，用於要求配合精確、防止振動等重要零件的連接，B級精度多用於受載較大且經常拆裝、調整或承受變載荷的連接，C級精度多用於一般的螺紋連接。

10.1.5 螺紋連接的預緊和防松

螺紋連接的預緊。實用上，絕大多數螺紋連接在裝配時都必須擰緊，使其在承受工作載荷之間，預先受到力的作用，這個預加作用力稱為預緊力。預緊的目的在於增強連接的可靠性和緊密性，以0防止受載後被連接件間出現縫隙或發生相對滑移。但過大的預緊力會導致整個連接的結構尺寸增大，會使連接件在裝配和偶然過載時被拉斷。因此，對重要的螺紋連接，裝配時要控制預緊力。

通常規定，擰緊後螺紋連接件的預緊應力不得超過其材料的屈服極限σ的80%。碳素鋼螺栓：F ≤ (0.6~0.7)σA，合金鋼螺栓：F ≤ (0.5~0.6)σA，式中的σ是螺栓材料的屈服極限，A是螺栓危險截面的面積，約為Πd₁²/4，F為預緊力。

預緊力的具體數值應根據載荷性質、連接剛度等具體工作條件確定。裝配時預緊力的大小是通過擰緊力矩來控制的，因此，應從理論上找出預緊力和擰緊力矩之間的關系。T≈0.2Fd。對於一定公稱直徑d的螺栓，當所要求的預緊力F已知時，即可按公式確定扳手的擰緊力矩T。一般標准般手的長度L≈15d，若擰緊力為F₁，則T=F₁L。由公式可得，F≈75F₁。對於重要的連接，盡可能不採用直徑過小的螺栓，必須使用時，嚴格控制其擰緊力矩。

採用測力矩扳手或定力矩扳手控制預緊力的方法，操作簡便，但准確性較差，也不適用於大型螺栓連接。為此，可採用測定螺栓伸長量的方法來控制預緊力。所需的伸長量可根據預緊力的規定值計算。

螺紋連接的防松。由於螺紋連接件一般採用單線普通螺紋，且螺紋升角小於螺紋副的當量摩擦角，因此連接螺紋都能滿足自鎖條件。防松的根本問題在於防止螺紋副在受載時發生相對轉動。具體的防松方法和裝置很多，就其工作原理來看，主要分為利用摩擦、直接鎖住和破壞螺紋副關系三種。

10.1.6 螺紋連接的強度計算

以螺栓連接為代表探討螺紋連接的強度計算方法，所討論的方法對雙頭螺柱連接和螺釘連接也同樣適用。

螺栓連接的強度計算，首先根據連接的類型，、連接的裝配情況、載荷狀態等條件，確定螺栓的受力；然後按相應的強度條件計算螺栓危險截面的直徑或校核其強度。

松螺栓連接強度計算。當螺栓承受軸向工作載荷Fn時，其拉伸強度條件為： σ = Fa/(Πd₁²/4) ≤ [σ] ，其中d₁，螺紋小徑，[σ]許用拉應力。

緊螺栓連接強度計算。根據所受拉力不同，分為：僅承受預緊力、承受預緊力和靜工作拉力、承受預緊力和變工作拉力三類。

僅承受預緊力的緊螺栓連接。螺栓危險截面的拉伸應力為 σ = F0/(Πd₁²/4) ，螺栓危險截面的扭轉切應力為τ ≈ 0.5σ，螺栓預緊狀態下的當量應力為σe = 1.3σ。擰緊時雖同時承受拉伸和扭轉的聯合作用，但計算時可以只按拉伸強度計算，並將所受的拉力增大30%來考慮扭轉的影響，即 σe = 1.3F0/(Πd₁²/4) ≤ [σ] 。預緊力F0的大小根據接合面不產生滑移的條件確定， F0 ≥ CF/mf ，其中F0是預緊力；C可靠性系數，通常取1.1~1.3；m,接合面數目；f，接合面摩擦系數。求出F值後，按照公式計算螺栓強度。當f=0.15，C=1.2，m=1時，F0 ≥ 8F，即這種靠摩擦力抵抗工作載荷的緊螺栓連接，要求保持較大的預緊力，會使螺栓的結構尺寸增加。可以考慮用各種減壓零件來承擔橫向工作載荷，但這種連接增加了結構和工藝的復雜性，也可以採用鉸制孔用螺栓來承受橫向載荷。螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為σp = F/d0δ ≤ [σp]，螺栓桿剪切強度條件為τ = F/(m·Π·d0²/4) ≤ [τ]，其中d0是螺栓剪切面直徑；δ是螺栓桿與孔壁擠壓面的高度，取δ₁和2δ₂兩者之小值；[σp]，螺栓或孔壁材料的許用擠壓應力；[τ]，螺栓材料的許用切應力；m，接合面數目。

受預緊力和工作拉力的緊螺栓連接。螺栓總拉力為 Fa = F0 + Fe·kb/(kb+kc) 。Fa是總拉力，F0是螺栓的預緊力，Fe是工作載荷，kb，kc分別為螺栓和被連接件的剛度，均為定值。kb/(kb+kc)稱為螺栓的相對剛度，值在0~1之間變動，可通過計算或實驗確定，若被連接件的剛度很大，而螺栓的剛度很小，則相對剛度趨於0.工作載荷作用後，使螺栓所受的總拉力增加很少。為了降低螺栓受力，提高螺栓連接的承載能力，應使kb/(kb+kc)的值盡量小些。螺栓危險截面的拉伸強度條件為： σe = 1.3Fa/(Πd₁²/4) ≤ [σ]， 應力幅應滿足的疲勞強度條件為： σa = [kb/(kb+kc)]·2Fe

/Πd₁² ≤ [σa]， [σa]是螺栓的許用應力幅。

10.1.7 螺紋連接件的材料及許用應力

螺紋連接的材料。有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、螺母和墊圈等。選用螺母的性能等級應不低於與其相配螺栓的性能等級。

螺紋連接件的許用應力。與載荷性質、裝配情況以及螺紋連接件的材料、結構尺寸等因素有關。許用拉應力按下式確定，即[σ] = σs/S，許用切應力[τ]和許用擠壓應力[σp]分別按下式確定，即[τ] = σs/Sτ。對於剛，[σp] = σs/Sp，對於鑄鐵，[σp] = σB/Sp。其中，σs，σB分別是螺紋連接材料的屈服極限和強度極限，S，Sτ，Sp是安全系數。

10.1.8 提高螺紋連接強度的措施

降低影響螺栓疲勞強度的應力幅。在最小應力不變的情況下，應力幅越小，則螺栓越不容易發生疲勞破壞，連接的可靠性越高。保持預緊力不變的情況下，減小螺栓剛度或增大被連接件剛度，都能達到減小總拉力的變動范圍（即減小應力幅）的目的。減小或增大剛度的同時，要適當增加預緊力，否則殘余預緊力會減小，降低連接緊密性。為了減小剛度，可以適當增加長度，或採用腰狀桿螺栓和空心螺栓。增大剛度，可以不用墊片或採用剛度較大的墊片。

改善螺紋牙上載荷分布不均的現象。採用懸置螺母、減小螺栓旋合段本來受力較大的幾圈螺紋牙的受力面或採用鋼絲螺套。懸置螺母，螺母的旋合部分全部受拉，其變形性質與螺栓相同，從而可以減小兩者的螺距變化差，使螺紋牙上的載荷分布區域均勻。環槽螺母，使螺母內緣下端局部受拉，作用和懸置螺母相似，但效果不及懸置螺母。內斜螺母，螺母下端受力大的幾圈螺紋處製成10°~15°的斜角，使螺栓螺紋牙的受力面由上而下逐漸外移。鋼絲螺套，主要用來旋入輕合金的螺紋孔內，旋入後將安裝柄根在缺口處折斷，然後旋上螺栓，具有一定彈性，可以起到均載的作用，還有減振的作用。

減小應力集中的影響。採用較大的圓角和卸載機構，或將螺紋收尾改為退刀槽等，但會使製造成本升高。

避免或減小附加應力。在鑄件或鍛件等未加工表面安裝螺栓時，採用凸頭或沉頭座等結構，經切削加工後可獲得平整的支承面；或者採用球面墊圈、帶有腰環或細長的螺栓來保證螺栓連接的裝配精度。

採用合理的鍛造工藝方法。採用冷鐓螺栓頭部和滾壓螺紋的工藝方法，可以顯著提高螺栓的疲勞強度。還可以採用氮化、氰化、噴丸等處理，都是提高螺紋連接件疲勞強度的有效方法。

B. 螺紋連接的防松措施有哪些

螺紋連接的防松措施有很多：
1、在兩個零件之間加一個彈簧墊圈，形成一個軸向的力壓緊螺紋。
2、雙螺母。兩個螺母並擰在一起，有自鎖作用。
3、選用法蘭螺母。
4、在螺紋處塗膠後再擰入。
5、在螺紋側面用錐端緊定螺釘頂緊。
6、用防松鋼絲穿牢螺母。

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D. 螺紋聯接為什麼要採取防松措施螺紋聯接預緊的目的是什麼

1、採取防松措施的原因：

在接觸式測量中，螺紋量規易磨損，從而影響測量精度，更換量規的成本也高。另外，在有些工作場合人工難以完成檢測工作。為此，需要自動的螺紋檢測設備來解決螺紋檢測的瓶頸問題，以提高緊固件企業的效益。

2、螺紋聯接預緊的目的：

是為了達到可靠而緊固的目的。因此，必須保證螺紋副具有一定的摩擦力矩，此摩擦力矩是由連接時施加擰緊力矩後，螺紋副產生了預緊力而獲得的。預緊力的大小與零件材料及螺紋直徑等有關。

(4)螺紋緊固件常用的裝配方法擴展閱讀

螺紋連接的裝配：

1、接合面處的零件形狀應盡量簡單，最好是方形，圓形或矩形，同一圓周上的螺栓數目應採用4、6、8、12、等，以便加工時分度。

2、受力矩的螺栓組，螺栓應遠離對稱軸，以減少螺栓受力。

3、受橫向力的螺栓組，沿受力方向布置的螺栓不宜超過6-8個，以免各螺栓受力嚴重不均勻。

4、同一螺栓組所用的緊固件的形狀，尺寸，材料等應一致，以便於加工和裝配。

5、為裝配螺紋連接時，工具應有足夠的操作空間，應保證一定的扳手空間尺寸。