螺纹连接与连接件的应用技术

1.螺纹连接的基本类型

（1）螺栓连接　螺栓连接是指将螺栓穿过被连接件上的光孔并用螺母锁紧。这种连接结构简单、装拆方便，使用时不受被连接件材料限制，应用极广。

螺栓连接有普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接两种。普通螺栓连接的结构特点是螺栓与孔之间有间隙，这种连接的螺栓杆受拉，如图5－7（a）所示。它的优点是加工简单，成本低，故应用最广。如图5－7（b）所示是铰制孔用螺栓连接，孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合（H7/m6或H7/n6），这种连接的螺栓杆受剪切和受挤压，主要用来承受垂直于轴线的横向载荷。

（2）螺钉连接　如图5－8（a）所示为螺钉连接。这种连接不需要螺母，适用于一个被连接件较厚、不便钻成通孔、且受力不大、不需经常拆卸的场合。

图5－7　螺栓连接

螺纹余留长度l1
静载荷l1≥（0.3～0.5）d；
变载荷l1≥0.75d
冲击载荷或弯曲载荷l1≥d；
铰制孔用螺栓l1≈d
螺纹伸出长度a＝（0.2～0.3）d；
螺纹轴线到边缘的距离e＝d＋（3～6）mm

图5－8　双头螺柱连接和螺钉连接

座端拧入深度H，当螺孔材料为
钢或青铜H≈d；
铸铁H＝（1.25～1.5）d；
铝合金H＝（1.5～2.5）d；
螺纹孔深度H1＝H＋（2～2.5）P；
钻孔深度H2＝H1＋（0.5～1）d；
l1、a、e值同图5－7

（3）双头螺柱连接　如图5－8（b）所示为双头螺柱连接。这种连接多用于较厚的被连接件，或为了结构紧凑而采用盲孔的连接。这种连接允许多次装拆而不损坏被连接零件。

图5－9　紧定螺钉连接

（4）紧定螺钉连接　如图5－9所示为紧钉螺钉连接。将紧钉螺钉旋入一零件的螺孔中，并用螺钉端部顶住或顶入另一个零件，以固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。紧钉螺钉的端部有平端、锥端和柱端等。

除上述4种基本连接型式外，还有一些特殊结构的连接。如专门用于将机座或机架固定在地基上的地脚螺栓连接，装在机器或大型零、部件的顶盖或外壳上便于起吊用的吊环螺栓连接等。

2.螺纹连接件

螺纹连接件的类型很多，在机械制造中常用的螺纹连接件除了有螺栓、双头螺柱、螺钉外，还有螺母和垫圈等，其结构型式和尺寸都已标准化。设计时可根据有关标准选用。它们的结构特点见表5－2。

表5－2　常用标准螺纹连接件

续表5－2

续表5－2

螺纹连接件按制造精度分为A、B、C三个精度等级，A级精度最高，C级用于一般螺栓连接。螺纹连接件选用的基本原则为：应综合考虑连接部分的结构、受载情况、装拆要求、外观等。

3.螺纹连接的预紧

在实际工程中，绝大多数螺纹连接在装配时都必须拧紧。连接件在承受工作载荷之前就预加上的作用力称为预紧力。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。对于一般的连接，可凭经验来控制预紧力；但对于重要的螺纹连接，为了保证螺纹连接的可靠性、强度和紧密性，在装配时应严格控制其预紧力。

（1）拧紧力矩（扳手力矩）　如图5－10所示，螺纹连接的拧紧力矩T等于克服螺纹副相对转动的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2之和，即

式中，Fa为轴向力，对于不承受轴向工作载荷的螺纹，Fa即预紧力F0，单位为N；d2为螺纹中径；fc为螺母与被连接件支承面之间的摩擦系数，当无润滑时，可取fc＝0.15；rf为支撑面摩擦半径，r，其中dw为螺母支撑面的外径，d0为螺栓孔直径。

对于M10～M68粗牙普通螺纹的钢制螺栓，λ＝1°42'～3°2'，d2≈0.9d，d0≈1.1d，dw≈1.5d，fv＝tanφv≈0.15及fc＝0.15，则式（5－16）可简化为

图5－10　扳手力矩(www.xing528.com)

式中，d为螺纹的公称直径，mm。

（2）预紧力的控制　在螺栓连接中，预紧力的大小要适当。例如，在气缸盖螺栓连接中，若预紧力过小时，在工作过程中，缸盖与缸体间可能出现间隙而漏气。当预紧力过大时，又可能使螺栓拉断。

预紧力F0的大小取决于拧紧力矩T。因此，要对拧紧力矩加以控制。可采用测力矩扳手来控制T；也可测量拧紧螺母后螺栓的伸长量，以此来控制预紧力F0。

为了充分发挥螺栓的工作能力和保证预紧可靠，通常规定，螺栓的预紧应力一般可达材料屈服极限的50%～70%。对于一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力F0，推荐按下列关系确定：

碳素钢螺栓：

F0≤(0.6～0.7)σsA1

合金钢螺栓：

F0≤(0.5～0.6)σsA1

式中，σs为螺栓的屈服极限；A1为螺栓危险截面的面积。

对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小（如小于M12）的螺栓，以避免螺栓杆被拉断。必须使用时，应严格控制其拧紧力矩。

通常螺纹连接拧紧的程度是凭操作者的经验来决定的。为了能保证装配质量，重要的螺纹连接应按计算值控制拧紧力矩，可用测力矩扳手（图5－11（a））和定力矩扳手（图5－11（b））来获得所要求的拧紧力矩。大量生产多采用风扳机，当输出力矩达到所调节的额定值时，离合器便会打滑而自动松开，并发出响声。对于一些更为重要的或大型的螺栓连接，可用控制螺栓在拧紧前后发生的伸长变形量来达到更为精确的预紧力控制。

图5－11　测力矩扳手和定力矩扳手

4.螺纹连接的防松

工程中最常见的连接是用单线普通螺纹连接，它们都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱，这是由于螺旋副间存在摩擦力的缘故。但是在冲击、振动和变载荷的作用下，预紧力和摩擦力可能瞬间消失，多次重复后就可能使连接松脱。高温的螺栓连接，由于温度变形差异等原因，也可能发生松脱现象。因此设计时必须考虑防松。

螺纹连接防松的根本问题在于防止螺旋副的相对运动。防松的方法很多，现将常用的几种列于表5－3中。

表5－3　常用的防松方法

例5－1　已知M12螺栓用碳素结构钢制成，其屈服极限为240MPa，螺纹间的摩擦系数f＝0.1，螺母与支承面间的摩擦系数fc＝0.15，螺母支承面外径dw＝16.6mm，螺栓孔直径d0＝13mm，欲使螺母拧紧后螺杆的拉应力达到材料屈服极限的50%，求应施加的拧紧力矩，并验算其能否自锁。

解　（1）求当量摩擦系数及当量摩擦角

（2）求螺纹升角λ　由国标查M12螺纹，P＝1.75mm，d2＝10.863mm，d1＝10.106mm

λ＜φv，故具有自锁性。

（3）求螺杆总拉力（预紧力）Fa

（4）求拧紧力矩T　由式（5－16）