10.1 螺紋連接
10.1.1 概述
螺紋即可以構成固定連接，如螺紋連接颜屠，也可以構成動連接晴氨，即螺紋副，螺紋副的運動副元素是螺紋魂贬。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巩割，在技術要求上也有差別。前者作為緊固件使用付燥，要求保證連接強度（有時還要求緊密性）宣谈，后者則作為傳動件使用，要求保證螺紋副的傳動精度键科、效率和磨損壽命等闻丑。
10.1.2 螺紋
螺紋的類型漩怎。按照螺旋線的旋向，螺紋分為左旋螺紋和右旋螺紋嗦嗡。機械制造中一般采用右旋螺紋扬卷，有特殊要求時才采用左旋螺紋。按照螺旋線的數目酸钦，螺紋還分為單線螺紋和等距排列的多線螺紋怪得。為了制造方便，螺紋的數目一般不超過4卑硫。螺紋有外螺紋和內螺紋之分徒恋，它們共同組成螺紋副。起連接作用的螺紋稱為連接螺紋欢伏，起傳動作用的螺紋稱為傳動螺紋入挣，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）兩類硝拧。我國除管螺紋保留英制外径筏，都采用米制螺紋。
常用的螺紋類型主要有普通螺紋障陶、管螺紋滋恬、矩形螺紋、梯形螺紋和鋸齒形螺紋抱究。前兩種主要用于連接恢氯，后三種主要用于傳動。除矩形螺紋外鼓寺，其他螺紋都已標準化勋拟。
螺紋的主要參數。按照母體形狀妈候，螺紋分為圓柱螺紋和圓錐螺紋敢靡。下面以圓柱普通螺紋為例說明螺紋的主要參數：
? ? 大徑d，D苦银，螺紋的最大直徑啸胧，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）墓毒；
? ? 小徑d?吓揪，D?亲怠，螺紋的最小直徑所计，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团秽；
? ? 中徑d?主胧，D?叭首，過螺紋的軸向截面內，牙厚等于牙間處的假想圓柱面的直徑踪栋。中徑是確定螺紋幾何參數和配合性質的直徑焙格；
? ? 螺距P，相鄰兩牙在中徑線上對應兩點間的軸向距離夷都；
? ? 線數n眷唉，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囤官，由兩條沿等距螺旋線形成的螺紋稱為多線螺紋冬阳。連接螺紋有自鎖要求，多為單線螺紋党饮；傳動螺紋要求傳動效率高肝陪，故用雙線或三線螺紋。一般線數小于等于4刑顺；
? ? 導程S氯窍，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蹲堂，多頭螺紋S = nP狼讨；
? ? 螺紋升角ψ。螺紋中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角柒竞，計算式為ψ = arctan S/Πd2 = arctan nP/Πd2熊楼；
? ? 牙形角α，軸向截面內能犯，螺紋牙形兩側邊的夾角鲫骗；
? ? 牙側角β，軸向截面內踩晶，螺紋牙形的側邊與螺紋軸線的垂線間的夾角执泰，對于對稱牙形有?β =?α/2；
? ? 工作高度h渡蜻，內外螺紋旋合后的接觸面的徑向高度术吝。
10.1.3 螺紋副的受力分析、效率和自鎖
矩形螺紋（β = 0°）茸苇。將矩形螺紋沿中徑展開可得一斜面排苍，Fa為軸向載荷，ψ為螺紋升角学密，F為作用于中徑處的水平推力淘衙，ρ為摩擦角。當滑塊沿斜面等速上升時腻暮，由力多邊形可得彤守，Fa為阻力毯侦，F為驅動力，F = Fa·tan (ψ+ρ)具垫，作用在螺紋副上的相應驅動力矩為T = F · d?/2 = Fa·(d?/2)·tan(ψ+ρ)侈离；當滑塊沿斜面等速下滑時，軸向載荷Fa變?yōu)轵寗恿莶希現變?yōu)榫S持滑塊等速運動所需的平衡力卦碾，由力多邊形可得，F = Fa·tan (ψ-ρ)起宽，作用在螺紋副上的相應力矩為T = F · d?/2 = Fa·(d?/2)·tan(ψ-ρ)蔗坯。求出的F值可為正也可為負。當斜面傾角ψ小于摩擦角ρ時燎含，滑塊不能在重力作用下自行下滑宾濒，即處于自鎖狀態(tài)。在自鎖條件下屏箍，必須施加驅動力F才能使滑塊等速下滑绘梦。
非矩形螺紋。非矩形螺紋是指牙側角不為0的三角形螺紋（普通螺紋赴魁、管螺紋等）卸奉、梯形螺紋和鋸齒形螺紋。若略去螺紋升角的影響颖御，在軸向載荷Fa作用下榄棵，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潘拱，則非矩形螺紋的摩擦阻力可寫為：f' = f/cos?β = tan?ρ'疹鳄，β為牙側角，f'為當量摩擦因數芦岂，ρ'為當量摩擦角瘪弓。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禽最。
為了防止螺母在軸向力作用下自動松開腺怯，用于連接的緊固螺紋必須滿足自鎖條件，即ψ≤ρ'川无。
以上分析適用于各種螺旋傳動和螺紋連接呛占，歸納起來就是：當軸向載荷為阻力，阻止螺紋副相對運動時懦趋，相當于滑塊沿斜面等速上升晾虑，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走贪，相當于滑塊沿斜面等速下滑佛猛，使用后兩個公式惑芭。
螺紋副的效率是有效功與輸入功之比坠狡。若按螺旋轉動一圈計算，輸入功為2ΠT遂跟，有效功為FaS逃沿，則螺紋效率為η = FaS/2ΠT = tan?ψ/tan(ψ+ρ')。當量摩擦角一定時幻锁，效率只是螺紋升角的函數凯亮，當ψ = 45°-ρ'/2時效率最高。由于過大的螺紋升角會使制造困難哄尔，且效率提高也不顯著假消，所以一般ψ角不大于25°。
10.1.4 螺紋連接的類型和標準件
螺紋連接的基本類型有以下四種：
????螺栓連接：普通螺栓連接岭接，被連接件上開有通孔富拗，插入螺栓后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鸣戴，通孔的加工精度要求底啃沪，結構簡單，裝拆方便窄锅，使用時不受被連接件材料的限制创千，因此應用極廣。鉸制孔用螺栓連接入偷，孔和螺栓桿多采用基孔制過渡配合追驴。這種連接能精確固定被連接件的相對位置，并能承受橫向載荷疏之，但孔的加工精度要求較高氯檐。
? ? 雙頭螺柱連接。這種連接末端擰入并緊定在被連接件之一的螺紋孔中体捏，適用于受結構限制而不能用螺栓或希望連接結構較緊湊的場合冠摄。
? ? 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几缭，不用螺母河泳，而且能有光整的外露表面，在結構上比雙頭螺柱連接簡單年栓、緊湊拆挥。其用途和雙頭螺柱連接相似，但如經常拆裝，易使螺紋孔磨損纸兔，故多用于受力不大惰瓜，或不需要經常拆裝的場合。
? ? 緊定螺釘連接汉矿。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崎坊，或頂入相應的凹坑中，以固定兩個零件的相對位置洲拇，并可傳遞不大的力或轉矩奈揍。
? ? 除這四種基本連接形式外，還有一些特殊結構的連接赋续。如男翰，專門用于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于起吊用的吊環(huán)螺釘連接纽乱。
標準螺紋連接件蛾绎。螺紋連接件的類型很多，在機械制造中常見的螺紋連接件有螺栓鸦列、雙頭螺柱租冠、螺釘、螺母和墊圈等敛熬。
螺紋連接件分為三個精度等級：A,B,C肺稀。A精度公差小，精度最高应民，用于要求配合精確话原、防止振動等重要零件的連接，B級精度多用于受載較大且經常拆裝诲锹、調整或承受變載荷的連接繁仁，C級精度多用于一般的螺紋連接。
10.1.5 螺紋連接的預緊和防松
螺紋連接的預緊归园。實用上黄虱，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庸诱，預先受到力的作用捻浦，這個預加作用力稱為預緊力。預緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性桥爽，以0防止受載后被連接件間出現縫隙或發(fā)生相對滑移朱灿。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钠四。因此盗扒，對重要的螺紋連接，裝配時要控制預緊力。
通常規(guī)定侣灶，擰緊后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%曼月。碳素鋼螺栓：F?≤ (0.6~0.7)σA成黄，合金鋼螺栓：F?≤ (0.5~0.6)σA疤孕，式中的σ是螺栓材料的屈服極限尸折，A是螺栓危險截面的面積破喻，約為Πd?2/4恋脚，F為預緊力扬霜。
預緊力的具體數值應根據載荷性質粘招、連接剛度等具體工作條件確定处嫌。裝配時預緊力的大小是通過擰緊力矩來控制的栅贴，因此，應從理論上找出預緊力和擰緊力矩之間的關系熏迹。T≈0.2Fd檐薯。對于一定公稱直徑d的螺栓，當所要求的預緊力F已知時注暗，即可按公式確定扳手的擰緊力矩T坛缕。一般標準般手的長度L≈15d，若擰緊力為F?捆昏，則T=F?L赚楚。由公式可得，F≈75F?骗卜。對于重要的連接宠页，盡可能不采用直徑過小的螺栓，必須使用時寇仓，嚴格控制其擰緊力矩举户。
采用測力矩扳手或定力矩扳手控制預緊力的方法，操作簡便遍烦，但準確性較差俭嘁，也不適用于大型螺栓連接。為此服猪，可采用測定螺栓伸長量的方法來控制預緊力供填。所需的伸長量可根據預緊力的規(guī)定值計算。
螺紋連接的防松罢猪。由于螺紋連接件一般采用單線普通螺紋近她，且螺紋升角小于螺紋副的當量摩擦角，因此連接螺紋都能滿足自鎖條件坡脐。防松的根本問題在于防止螺紋副在受載時發(fā)生相對轉動泄私。具體的防松方法和裝置很多，就其工作原理來看，主要分為利用摩擦晌端、直接鎖住和破壞螺紋副關系三種捅暴。
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咧纠。
螺栓連接的強度計算蓬痒，首先根據連接的類型，漆羔、連接的裝配情況梧奢、載荷狀態(tài)等條件，確定螺栓的受力演痒；然后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亲轨。
松螺栓連接強度計算。當螺栓承受軸向工作載荷Fn時鸟顺，其拉伸強度條件為：σ = Fa/(Πd?2/4)?≤ [σ]惦蚊，其中d?，螺紋小徑讯嫂，[σ]許用拉應力蹦锋。
緊螺栓連接強度計算。根據所受拉力不同欧芽，分為：僅承受預緊力莉掂、承受預緊力和靜工作拉力、承受預緊力和變工作拉力三類千扔。
僅承受預緊力的緊螺栓連接憎妙。螺栓危險截面的拉伸應力為σ = F0/(Πd?2/4) ，螺栓危險截面的扭轉切應力為τ ≈ 0.5σ昏鹃，螺栓預緊狀態(tài)下的當量應力為σe = 1.3σ尚氛。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洞渤，并將所受的拉力增大30%來考慮扭轉的影響阅嘶，即σe = 1.3F0/(Πd?2/4)?≤ [σ]。預緊力F0的大小根據接合面不產生滑移的條件確定载迄，F0?≥ CF/mf讯柔，其中F0是預緊力；C可靠性系數护昧，通常取1.1~1.3魂迄；m,接合面數目；f惋耙，接合面摩擦系數捣炬。求出F值后熊昌，按照公式計算螺栓強度。當f=0.15湿酸，C=1.2婿屹，m=1時，F0?≥ 8F推溃，即這種靠摩擦力抵抗工作載荷的緊螺栓連接昂利，要求保持較大的預緊力，會使螺栓的結構尺寸增加铁坎》浼椋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硬萍，也可以采用鉸制孔用螺栓來承受橫向載荷扩所。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]襟铭，其中d0是螺栓剪切面直徑碌奉；δ是螺栓桿與孔壁擠壓面的高度短曾，取δ?和2δ?兩者之小值寒砖；[σp]，螺栓或孔壁材料的許用擠壓應力嫉拐；[τ]哩都，螺栓材料的許用切應力；m婉徘，接合面數目漠嵌。
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)盖呼。Fa是總拉力儒鹿，F0是螺栓的預緊力，Fe是工作載荷几晤，kb约炎，kc分別為螺栓和被連接件的剛度，均為定值蟹瘾。kb/(kb+kc)稱為螺栓的相對剛度圾浅，值在0~1之間變動，可通過計算或實驗確定憾朴，若被連接件的剛度很大狸捕，而螺栓的剛度很小，則相對剛度趨于0.工作載荷作用后众雷，使螺栓所受的總拉力增加很少灸拍。為了降低螺栓受力做祝，提高螺栓連接的承載能力，應使kb/(kb+kc)的值盡量小些鸡岗。螺栓危險截面的拉伸強度條件為：σe = 1.3Fa/(Πd?2/4)?≤ [σ]剖淀，應力幅應滿足的疲勞強度條件為：σa = [kb/(kb+kc)]·2Fe
/Πd?2?≤ [σa]，[σa]是螺栓的許用應力幅纤房。
10.1.7 螺紋連接件的材料及許用應力
螺紋連接的材料纵隔。有螺栓、雙頭螺柱炮姨、螺釘捌刮、螺母和墊圈等。選用螺母的性能等級應不低于與其相配螺栓的性能等級舒岸。
螺紋連接件的許用應力绅作。與載荷性質、裝配情況以及螺紋連接件的材料蛾派、結構尺寸等因素有關俄认。許用拉應力按下式確定，即[σ] =?σs/S洪乍，許用切應力[τ]和許用擠壓應力[σp]分別按下式確定眯杏，即[τ] =?σs/Sτ。對于剛壳澳，[σp] =?σs/Sp岂贩，對于鑄鐵，[σp] =?σB/Sp巷波。其中萎津，σs，σB分別是螺紋連接材料的屈服極限和強度極限抹镊，S锉屈，Sτ，Sp是安全系數垮耳。
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颈渊。在最小應力不變的情況下，應力幅越小氨菇，則螺栓越不容易發(fā)生疲勞破壞儡炼，連接的可靠性越高。保持預緊力不變的情況下查蓉，減小螺栓剛度或增大被連接件剛度乌询，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豌研，要適當增加預緊力妹田，否則殘余預緊力會減小唬党，降低連接緊密性。為了減小剛度鬼佣，可以適當增加長度驶拱，或采用腰狀桿螺栓和空心螺栓。增大剛度晶衷，可以不用墊片或采用剛度較大的墊片蓝纲。
改善螺紋牙上載荷分布不均的現象。采用懸置螺母晌纫、減小螺栓旋合段本來受力較大的幾圈螺紋牙的受力面或采用鋼絲螺套税迷。懸置螺母，螺母的旋合部分全部受拉锹漱，其變形性質與螺栓相同箭养，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(qū)域均勻哥牍。環(huán)槽螺母毕泌，使螺母內緣下端局部受拉，作用和懸置螺母相似嗅辣，但效果不及懸置螺母撼泛。內斜螺母，螺母下端受力大的幾圈螺紋處制成10°~15°的斜角辩诞，使螺栓螺紋牙的受力面由上而下逐漸外移坎弯。鋼絲螺套，主要用來旋入輕合金的螺紋孔內译暂，旋入后將安裝柄根在缺口處折斷，然后旋上螺栓撩炊，具有一定彈性外永，可以起到均載的作用，還有減振的作用拧咳。
減小應力集中的影響伯顶。采用較大的圓角和卸載機構，或將螺紋收尾改為退刀槽等骆膝，但會使制造成本升高祭衩。
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阅签，采用凸頭或沉頭座等結構掐暮，經切削加工后可獲得平整的支承面；或者采用球面墊圈政钟、帶有腰環(huán)或細長的螺栓來保證螺栓連接的裝配精度路克。
采用合理的鍛造工藝方法樟结。采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精算。還可以采用氮化瓢宦、氰化、噴丸等處理灰羽，都是提高螺紋連接件疲勞強度的有效方法驮履。
