设计螺纹连接的注意事项

机器中多数螺纹连接件一般都是成组使用的，用几个螺栓按适当的规律排列起来，共同完成一个连接任务，这些螺栓就形成螺栓组。其中螺栓组连接最具有典型性。下面讨论螺栓组连接的设计问题，其基本结论也适用于双头螺柱组连接和螺钉组连接等。

设计螺栓组连接时，首先要确定螺栓组连接的结构，即设计被连接件接合面的结构、形状，选定螺栓的数目和布置形式，确定螺栓连接的结构尺寸等。在确定螺栓尺寸时，对于不重要的连接或有成熟实例的连接，可采用类比法。但对于重要的连接，则应根据连接的结构和受力情况，找出受力最大的螺栓并求出所承受的载荷，然后应用单个螺栓连接的强度计算方法进行螺栓的设计或校核。

1.螺栓组连接的结构设计

（1）连接接合面应设计成轴对称的、简单的几何形状（图5－20）　这样一是便于加工，二是可对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和连接接合面的形心重合，从而保证连接接合面受力比较均匀。

（2）为了便于装配和维修，同一螺栓组连接中各螺栓的直径和材料均应相同　分布在同一圆周上的螺栓数目应为4、6、8、12等偶数（图5－21），以便于分度、划线、钻孔。

图5－20　螺栓组连接接合面的几何形状

（3）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理

①受剪螺栓不要在外力方向上成排布置8个以上，以免载荷分布过于不均（图5－22）。

图5－21　螺栓数为偶数

图5－22　螺栓成排布置

②当连接承受弯矩或扭矩时，螺栓的位置应靠近结合面的边缘，以减小螺栓受力（图5－23）。

图5－23　接合面受弯矩或扭矩时螺栓的布置

③同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用键、套筒、销等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。

（4）螺栓排列应有合理的间距、边距，留有扳手空间　应根据扳手空间尺寸来确定各螺栓中心的间距及螺栓轴线到机体壁面间的最小距离，如图5－24所示。扳手空间尺寸还可查阅《机械设计手册》中相应的规定。

（5）避免或减少附加应力　螺栓承受偏心载荷会导致螺栓产生附加的弯曲应力，应加以避免。偏心载荷产生的原因：螺母或螺栓头部支撑面与相接触的支撑面不平。采取的措施为：使支承面平整，被连接件可设计成凸台或沉孔座结构，以及采用斜面垫圈（图5－25）。

2.提高螺纹连接强度的措施

以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，研究影响螺栓强度的因素和提高螺栓强度的措施，对于提高连接的可靠性有着重要的意义。

图5－24　扳手空间尺寸

图5－25　避免附加应力的方法

在螺栓连接中，最常见的破坏形式是螺栓杆部分的疲劳断裂，一般发生在应力集中较严重之处，即螺栓头部、螺纹收尾部和螺母支承平面所在处的螺纹。下面简要说明影响螺栓强度的因素和提高螺栓强度的措施。(www.xing528.com)

（1）降低螺栓总拉伸载荷F2的变化范围　螺栓所受的轴向工作载荷在0～F间变化时（图5－19），螺栓所受的总拉伸载荷F2也作相应的变化。若减小螺栓刚度Cb或增大被连接件刚度Cm都可以减小F2的变化范围，均能使应力变化幅度减小；这对提高螺栓的疲劳强度十分有利。

减小螺栓刚度的办法有：可减小螺栓光杆部分直径或采用空心螺杆（图5－26）。也可以在螺母下装弹性元件以降低螺栓刚度。

常用的被连接件本身的刚度是较大的。要增大被连接件的刚度，除可以从被连接件的结构和尺寸考虑外，还可以采用刚度较大的金属垫片或不设垫片。

当工作要求需要被连接件的接合面必须采用密封元件时，应避免采用图5－27所示的软垫片结构，以免降低其刚度。常采用金属垫片或用密封环作为密封元件（图5－28），这样可保证被连接件原有的刚度值。如同时采用上述两种方法则减小应力变化幅度的效果会更好。

（2）改善螺纹牙间的载荷分布　不论螺栓连接的具体结构如何，螺栓的总拉力都是通过螺栓与螺母的螺纹牙面相接触来传递的。由于螺栓和螺母的刚度及变形性质不同，采用普通螺母时，各圈螺纹牙上的受力是不同的，从螺母支承面算起，第一圈受载最大，约为总载荷的1/3，以后各圈递减，到第8～10圈后的螺纹牙几乎不承受载荷。所以采用圈数多的厚螺母，并不能提高连接强度。为改善各牙受力分布不均的情况，可采用下述方法：

图5－26　柔性螺栓

图5－27　软垫片密封

图5－28　O形密封圈密封

①悬置螺母　螺母锥形悬置段与螺栓杆均为拉伸变形，有助于减少螺母与螺杆的螺距变化差，从而使载荷分布较为均匀（图5－29（a））。

②内斜螺母　螺母内斜10°～15°的内斜角，可减小螺栓受力大的螺纹牙的受力面（刚度），而把力分流到原受力小的螺纹牙上，使螺纹牙间的载荷趋于均匀（图5－29（b））。

③环槽螺母　与悬置螺母类似（图5－29（c））。

以上特殊构造的螺母制造工艺复杂，成本较高，仅限于重要连接时使用。

图5－29　改善螺纹牙间载荷分布

（3）减少应力集中　螺纹的牙根、收尾、螺栓头部与螺栓杆的交接处都有应力集中。在螺纹尾处加工出退刀槽，适当增大过渡处圆角（图5－30（a））、切制卸载槽（图5－30（b）、（c））都是使螺栓截面变化均匀、减小应力集中的有效方法。目的是提高螺栓的疲劳强度。

（4）避免或减小附加应力　由于设计、制造或安装上的疏忽，可能使螺栓受到附加弯曲应力（图5－31），这对螺栓疲劳强度的影响很大，应设法避免。例如，在铸件或锻件等未加工表面上安装螺栓时，常采用凸台或沉头座等结构，经切削加工后可获得平整的支承面；在被连接件的悬臂处采用加强筋，提高其刚度。这些措施都能不同程度地减小附加应力。

除上述方法外，在制造工艺上采取冷镦头部和滚压螺纹的螺栓，其疲劳强度比车制螺栓约高30%，氰化、氮化等表面硬化处理也能提高疲劳强度。

图5－30　减小螺栓应力集中的方法

图5－31　引起附加应力的原因