《螺纹紧固件的连接》课件

螺纹紧固件的连接课程概述1螺纹紧固件的基本概念和分类2螺纹连接的工作原理深入了解各类紧固件的特点和用途，为正确选择和使用奠掌握螺纹连接的力学原理和预紧力产生机制，理解连接的定基础可靠性基础3紧固方法与力矩控制螺纹连接的设计与选型学习正确的紧固技术和预紧力控制方法，确保连接质量和可靠性紧固件基本概念定义与功能组成与分类紧固件是将两个或多个零件紧固连接成为整体的机械零件，在市包含类零件螺栓、螺母、垫圈、螺钉、螺柱、自攻螺钉、12场上通常称为标准件它们通过标准化的设计和制造，实现了高木螺钉、墙板钉、纤维板钉、焊钉、定位销和铆钉等这些零件度的互换性和通用性在不同的连接场合发挥着重要作用螺纹紧固件的发展历史1古代起源古代文明中出现的简单螺纹装置，主要用于榨取和提升设备，体现了早期人类对螺旋原理的认识和应用2工业革命时期世纪工业革命推动了螺纹标准化进程，机械制造业的发展催18-19生了大规模生产螺纹紧固件的需求3现代精密制造世纪以来，精密制造技术的应用使螺纹紧固件的精度和质量得到20显著提升，材料科学的发展带来了更多选择4未来发展趋势新材料、新工艺和智能制造技术的应用，推动螺纹紧固件向高性能、智能化方向发展螺纹紧固件的分类

（一）按功能分类连接用紧固件主要用于固定连接，传动用紧固件用于传递运动和动力，密封用紧固件则兼具连接和密封功能按结构形式分类螺栓类具有头部和杆部，螺钉类直接拧入零件，螺柱类两端均有螺纹，螺母类为内螺纹零件按使用场合分类普通用紧固件适用于一般连接场合，特殊用途紧固件针对高温、防腐、精密定位等特殊要求设计螺纹紧固件的分类

（二）按材质分类按强度等级分类按表面处理分类碳钢具有良好的强度和加工性能，不级适用于一般连接，级用于中镀锌提供基本防锈保护，镀铬具有美

4.

88.8锈钢提供优异的耐腐蚀性，铜合金具等强度要求，级和级用于观和耐磨性，发黑处理成本低且具有

10.

912.9有良好的导电性和美观性，铝合金则高强度连接场合数字表示材料的抗一定防锈效果，达克罗涂层提供高级具有轻质和耐腐蚀的特点拉强度和屈强比防腐保护螺纹基本参数螺纹直径系统大径是螺纹的最大直径，中径是螺纹厚度的平均直径，小径是螺纹的最小直径中径是螺纹配合和强度计算的基准螺距定义螺距是相邻两螺纹对应点之间的轴向距离，决定了螺纹的密度和连接的精度粗牙螺纹螺距大，细牙螺纹螺距小螺纹角度螺纹角是螺纹牙型的角度，公制螺纹为°，英制螺纹为°螺纹角影响螺纹的自锁性能和加工难度6055螺纹升角螺纹升角是螺纹线在螺纹中径圆柱面上的升角，影响螺纹的自锁性能和效率升角小于摩擦角时具有自锁性常用螺纹类型公制螺纹英制螺纹管螺纹特殊螺纹系列是国际标准螺纹，广系列为英制粗牙螺纹，系列为圆柱管螺纹，梯形螺纹用于传动，锯齿螺M BSWG NPT泛应用于机械制造常用规系列为英制细牙螺纹系列为圆锥管螺纹专门用纹用于单向传动，方螺纹用BSF格包括、、、主要在英制国家和某些传统于管道连接，具有良好的密于重载传动这些螺纹针对M6M8M

10、、等螺行业中使用，螺纹角°封性能，广泛应用于流体系特定用途进行了优化设计M12M16M2055纹角°，牙型为等边三角统60形螺纹连接的工作原理

（一）斜面原理将旋转运动转化为直线运动摩擦力原理螺纹斜面产生摩擦力实现自锁楔形原理实现精确定位和紧固连接螺纹连接的工作原理基于这三个基本物理原理的结合应用螺纹的螺旋升角与自锁关系是确保连接可靠性的关键，当螺纹升角小于当量摩擦角时，螺纹具有自锁性能，能够防止在载荷作用下自动松脱螺纹连接的工作原理

（二）胡克定律应用预紧力产生材料受力产生弹性变形，变形量与载荷通过螺纹的旋转紧固，使螺栓产生轴向成正比，为预紧力的产生提供理论基拉伸变形，形成预紧力并压紧连接件础摩擦影响力的传递螺纹摩擦和支撑面摩擦共同影响扭矩与扭矩通过螺纹传递转化为轴向预紧力，预紧力的关系，润滑状态显著影响摩擦力的传递效率受螺纹角度和摩擦系数影系数响螺纹连接的主要类型螺钉连接螺柱连接直接旋入有内螺纹的零件中，结构最为紧螺栓连接一端固定在基础零件中，另一端使用螺母凑适用于不需要经常拆装的连接，成本通过螺栓、螺母连接多个零件，适用于需连接适用于一个连接件较厚或材料较软较低但拆装相对困难要经常拆装的场合螺栓穿过连接件的通的场合，避免频繁拆装对内螺纹的损伤孔，用螺母在另一端紧固，结构简单可靠螺栓连接结构螺栓组件螺母配合垫圈作用螺栓由头部和杆部组成，螺母与螺栓螺纹配合，将垫圈增大接触面积，减小头部提供扭转力矩，杆部旋转运动转化为轴向压紧接触应力，防止连接件表承受拉伸载荷头部形状力螺母与连接件的接触面损伤弹性垫圈还具有有六角、内六角、十字槽面应平整，确保力的均匀防松和补偿作用等多种形式分布通孔设计通孔直径应比螺栓直径大，保证装配方

0.5-1mm便孔的加工质量影响连接的可靠性和美观度普通螺栓连接间隙特征装拆便利装配后孔与杆之间有间隙，便于装配但不能精结构简单，装拆方便，可多次重复使用，维护成本低

0.5-1mm确定位加工要求承载特性通孔加工要求较低，钻孔即可，不需要精密加工设备主要承受轴向载荷，通过预紧力产生的摩擦力传递横向载荷铰制孔螺栓连接精密配合功能优势装配后螺杆与孔之间无间隙或间隙很小（），螺可精确固定连接件的相对位置，主要用于承受横向载荷或需要精

0.3-

0.5mm杆与孔采用过渡配合（如，）这种配合确保确定位的场合螺栓杆部直接承受剪切载荷，连接刚度大H7/m6H7/n6了连接的精确性和稳定性适用于受横向力较大的重要连接，如机床主轴箱与床身的连接、孔的加工精度要求较高，通常需要钻孔后铰孔或镗孔加工，以获桥梁高强度螺栓连接等得所需的尺寸精度和表面质量双头螺柱连接适用场合一个连接件较厚螺纹孔加工较厚件加工内螺纹通孔设计薄件加工通孔保护螺纹避免频繁拆装损坏双头螺柱连接特别适用于一个连接件材料强度较差或需要频繁拆装的场合螺柱一端拧入基础件的螺纹孔中，另一端穿过被连接件用螺母紧固，有效保护了基础件的内螺纹螺钉连接结构紧凑成本较低占用空间小，轴向尺寸最短2组件数量少，制造成本低拆装限制适用薄板3不适合频繁拆装使用薄板连接和轻载荷场合螺栓连接的受力分析

（一）螺栓抗剪连接螺栓抗拉连接混合受力主要靠螺栓杆与孔壁挤压传递载荷，螺主要靠螺栓紧固后的预紧力产生连接面实际工程中，螺栓连接往往同时承受剪栓杆承受剪切应力这种连接方式中，间的摩擦力来传递载荷预紧力的大小切力和拉力，需要进行复合应力分析螺栓杆的剪切强度是设计的关键因素直接影响连接的可靠性应力集中和疲劳是主要考虑因素载荷通过螺栓杆与孔壁的接触面传递，在动载荷作用下，预紧力能够减小螺栓接触应力分布不均匀，最大应力出现在的应力幅值，提高疲劳寿命合理的预接触面边缘紧力是保证连接质量的关键螺栓连接的受力分析

（二）均匀分布刚度大且对称布置时平均承担弯曲变形刚度小时翼缘发生弯曲杠杆效应产生杠杆力影响受力分布当连接件刚度较大且螺栓对称布置时，可认为每个螺栓平均承担外载荷但当连接件刚度较小时，会发生弯曲变形，导致螺栓受力不均杠杆效应会使某些螺栓承受更大的载荷，在设计中必须考虑这种不均匀性螺栓连接的受力分析

（三）外载荷影响外部载荷会改变螺栓的应力状态，轴向外载荷会增加螺栓的拉伸应力，而螺栓预紧力的存在可以减小应力变化幅度，提高疲劳寿命振动载荷在振动载荷作用下，螺栓连接面可能出现分离和接触的交替变化，导致应力集中和疲劳损伤适当的预紧力可以防止连接面分离温度变化温度变化会引起螺栓和连接件的热胀冷缩，改变预紧力大小材料热膨胀系数的差异可能导致预紧力的显著变化侧向应力风力、流体压力等侧向载荷会在螺栓中产生弯曲应力，与轴向拉应力叠加，形成复合应力状态，增加失效风险预紧力的概念与作用预紧力定义螺栓拧紧后产生的轴向拉力产生压力在连接面产生压紧力防止松动通过摩擦力防止相对滑动合理范围通常为屈服强度的60%-80%预紧力是螺纹连接可靠性的基础，它通过压紧连接件产生摩擦力来传递载荷合理的预紧力既要保证连接的可靠性，又要避免螺栓材料超过屈服极限预紧力与摩擦力的关系遵循库仑摩擦定律，摩擦力等于预紧力乘以摩擦系数预紧力计算基于屈服强度根据螺栓材料的屈服强度和安全系数计算允许的最大预紧力，确保螺栓在弹性范围内工作基于压力要求根据连接面需要的压紧力和摩擦力要求计算预紧力，考虑接触面积和摩擦系数的影响载荷因素调整根据实际工作载荷的大小和性质调整预紧力，动载荷场合需要更大的预紧力来防止疲劳失效计算实例通过具体的工程实例展示预紧力计算过程，包括安全系数的选取和各种修正因子的考虑螺栓紧固方法

（一）扭矩紧固法工作原理应用特点扭矩紧固法基于扭矩大小与轴向预紧力之间存在的确定关系通操作简单直观，设备成本相对较低，技术成熟可靠扭力扳手的过控制施加的扭矩来间接控制预紧力，是目前工业中应用最广泛使用使得扭矩控制变得精确和便捷，适用于大多数工程应用场的紧固方法合扭矩与预紧力的关系受多种因素影响，包括螺纹参数、摩擦系该方法的局限性在于扭矩系数的变化会影响预紧力的准确性，需数、材料特性等准确的扭矩系数是该方法成功应用的关键要定期校准设备并控制润滑条件的一致性螺栓紧固方法

（二）转角紧固法原理基础基于旋转角度与螺栓伸长量和被拧紧件压缩量成正比的关系，通过控制旋转角度来控制预紧力精度优势相比扭矩法，转角法受摩擦系数变化影响较小，能够获得更准确和一致的预紧力控制效果操作步骤先施加初始扭矩达到贴合状态，然后按规定角度继续旋转需要专用的角度测量工具和严格的操作程序适用场合特别适用于高精度要求的重要连接，如汽车发动机缸盖螺栓、航空航天关键连接等场合螺栓紧固方法

（三）屈服点紧固法理论目标监测方法性能优势将螺栓拧紧到刚过屈服极通过实时监测扭矩角度曲获得最大预紧力，显著减-限点，获得最大可能的预线的变化特征来识别屈服少预紧力的离散度，提高紧力而不损坏螺栓，实现点，需要先进的控制系统连接的一致性和可靠性，最优的连接性能和传感器技术特别适用于关键连接设备要求需要专用的智能紧固设备，成本较高，主要用于高强度螺栓和对可靠性要求极高的连接场合扭矩紧固详解影响因素分析规则应用5-4-1扭矩预紧力关系受摩擦系数、螺距、材-扭矩施加原理经验统计表明，施加的扭矩按规则料特性等多种因素影响润滑状态的改变5-4-1通过旋转紧固件的螺母部分施加预紧力，分配用于克服螺纹摩擦，用于会显著影响这一关系，必须严格控制50%40%扭矩通过螺纹的螺旋运动转化为轴向压紧克服支撑面摩擦，仅转化为有效预紧10%力扭矩的大小直接影响最终获得的预紧力力规则解析5-4-1螺栓紧固顺序原则先中间后两边从中心向外围紧固对角依次紧固避免局部应力集中顺时针方向保持一致的紧固方向分阶段紧固第一步，第二步50%100%正确的紧固顺序对于确保连接质量至关重要分阶段紧固可以减少连接件的变形，使各螺栓的预紧力更加均匀对角紧固原则有助于平衡载荷分布，防止连接件产生过大的弯曲变形紧固顺序示例四螺栓连接采用十字交叉顺序，确保载荷均匀分布，防止连接件翘曲变形这种顺序适用于矩形和正方形布置的四螺栓连接1-3-2-4八螺栓连接采用星形对角顺序，从相对位置的螺栓开始，逐步向相邻位置扩展保持°对称的紧固原则，确保圆形连接的同心度180圆形法兰从点钟位置开始，按照时钟方向每隔°或°的间隔进行紧固，最后回到起始位置附近适用于管道法兰等圆形连接1212090螺栓连接的失效模式疲劳断裂静强度破坏交变载荷下的疲劳损伤，裂纹从应力集中处载荷超出材料强度极限时发生的脆性或塑性萌生并扩展，最终导致断裂失效断裂，通常发生在螺纹根部松动失效螺纹滑扣振动条件下螺纹连接自动松脱，预紧力逐渐螺纹牙在剪切力作用下发生塑性变形或断减小直至完全失效裂，失去螺纹啮合功能螺栓防松技术

（一）机械锁紧方式止动垫圈通过变形防止螺母旋转，开口销穿过螺栓和螺母防止相对转动，锁紧螺母采用双螺母结构相互锁紧这些方法可靠性高但增加了零件数量摩擦增强方式弹性垫圈在预紧力作用下产生弹性变形，增加摩擦力锯齿垫圈通过锯齿结构增加摩擦系数这类方法简单实用，但防松效果有限材料粘接方式螺纹胶在螺纹间隙中固化形成粘接层，厌氧胶在无氧环境下聚合这种方法防松效果好，但拆卸时需要特殊方法结构设计防松自锁螺纹通过特殊的螺纹形状增加摩擦力，变形锁紧环通过局部变形产生额外的摩擦力这些方法集成在螺纹本身，使用方便螺栓防松技术

（二）95%机械锁紧止动垫圈和开口销的防松效果最佳80%化学粘接螺纹胶和厌氧胶提供良好防松性能60%摩擦增强弹性垫圈等提供中等防松效果40%普通连接无防松措施的基准防松能力防松装置的选择应根据具体的使用环境和要求进行高振动环境需要选择机械锁紧方式，一般环境可选择摩擦增强方式化学粘接方式适用于不需要频繁拆装的连接在选择时还要考虑成本、装配便利性和维护要求等因素螺纹连接的材料选择碳钢螺栓不锈钢螺栓特殊合金碳钢是最常用的螺栓材料，具有良好的不锈钢螺栓具有优异的耐腐蚀性能，适高强度合金钢用于航空航天等高载荷应强度和加工性能，性价比高根据碳含用于化工、食品、医疗等行业常用的用，钛合金具有高强度和轻质特性铜量不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，有、、等牌号，耐腐蚀性合金具有良好的导电性和美观性，铝合304316321强度等级从到级能依次提高金则具有轻质和耐腐蚀特点

4.

812.9适用于一般工业环境，但在腐蚀性环境奥氏体不锈钢具有良好的塑性和韧性，非金属螺栓如聚合物材料用于电绝缘和中需要进行表面处理热处理工艺对碳但强度相对较低马氏体不锈钢可以通特殊耐腐蚀环境，但强度相对较低钢螺栓的性能有重要影响过热处理获得较高强度螺栓强度等级强度等级抗拉强度屈服强度适用场合MPa MPa级一般连接

4.8400320级中等强度要求

8.8800640级高强度连接

10.91000900级超高强度应用

12.912001080强度等级标记采用两个数字表示，第一个数字乘以表示抗拉强度，第二100个数字乘以表示屈强比不锈钢螺栓采用不同的标记系统，如表10A2-70示奥氏体不锈钢，抗拉强度选择时应根据实际载荷和安全系数确700MPa定合适的强度等级螺栓表面处理电镀锌热镀锌达克罗涂层提供基本防锈保护，成厚锌层提供长期防腐保高防腐性能涂层，无氢本低，适用于室内环护，适用于户外环境脆风险，适用于高强度境镀层厚度通常镀层厚度，螺栓耐腐蚀性能超过5-45-85μm，可提供轻度腐耐腐蚀性能优异传统镀锌倍以上15μm10蚀保护发黑处理轻度防锈、美观，成本最低主要用于室内干燥环境，防腐能力有限但外观较好螺纹连接设计基础螺纹类型选择根据载荷和精度要求选择螺栓长度确定考虑连接件厚度和啮合长度啮合长度要求确保螺纹充分啮合传力间距边距设计满足强度和装配要求螺纹连接设计需要综合考虑多个因素螺栓长度应确保螺母拧紧后露出个螺距，螺纹啮合长度不少于螺栓直径螺栓间距应大于倍螺1-

31.5栓直径，边距不小于倍螺栓直径设计时还要考虑装配工具的操作空间和后续维护的便利性

1.2螺栓连接设计考虑因素载荷类型分析静载荷设计相对简单，动载荷需考虑疲劳因素，冲击载荷要求更高的安全系数载荷的方向和大小直接影响螺栓规格选择工作环境评估温度变化影响材料性能和预紧力，湿度影响腐蚀速度，腐蚀性介质需要特殊材料和表面处理连接件特性连接件的材料强度、刚度和热膨胀系数都会影响螺栓连接的设计软材料需要更大的支撑面积成本可靠性平衡在满足功能要求的前提下，综合考虑材料成本、加工成本、装配成本和维护成本，找到最优方案多螺栓连接设计载荷分布分析理想情况下载荷均匀分布，实际中受连接件刚度影响螺栓数量确定根据总载荷和单个螺栓承载能力计算布置形式选择3直线、环形、矩形等不同布置方式的特点多螺栓连接设计中，螺栓数量的确定需要考虑载荷分布的不均匀性环形布置适用于圆形法兰，矩形布置适用于框架结构，直线布置适用于梁柱连接布置时要保持对称性，避免产生附加弯矩螺栓间距要满足强度要求和装配工具操作空间的需要螺栓连接强度校核轴向拉伸强度检查螺栓在轴向载荷和预紧力共同作用下的拉伸应力是否超过材料许用应力，考虑应力集中因子的影响剪切强度校核对于承受横向载荷的螺栓，需要校核剪切面的剪切应力普通螺栓和铰制孔螺栓的计算方法不同复合应力校核当螺栓同时承受拉伸和剪切时，采用相当应力理论进行复合应力校核，常用第四强度理论疲劳强度校核对于承受交变载荷的螺栓，需要进行疲劳强度校核，考虑应力幅值、平均应力和循环次数的影响螺栓连接刚度分析螺栓刚度计算连接件刚度螺栓刚度主要由杆部的拉伸刚度决定，连接件的压缩刚度取决于材料性能和几受螺纹部分和光杆部分的尺寸影响刚何形状，接触面的形状和粗糙度也会影度大的螺栓变形小响刚度预紧力保持系统综合刚度刚度比影响外载荷对预紧力的影响程螺栓和连接件构成串联刚度系统，总变度，合理的刚度比有助于保持预紧力的形等于各部分变形之和，刚度关系影响稳定性载荷分配特殊环境下的螺栓连接高温环境应用低温环境考虑高温会导致材料强度下降、蠕变和应力松弛现象需要选用耐高温材料低温可能导致材料脆化，特别是碳钢在低温下韧性显著下降应选择低如不锈钢或超合金，适当增加预紧力以补偿松弛损失定期检查和重新温韧性好的材料，避免在低温下进行紧固操作，预紧力设定要考虑温度紧固是必要的变化的影响腐蚀环境防护振动环境设计电化学腐蚀是主要威胁，需要选择耐腐蚀材料或进行有效的表面保护振动是导致螺栓松动的主要原因，需要采用有效的防松措施增加预紧避免不同金属直接接触产生电偶腐蚀，定期检查和维护是关键力、使用防松装置、改善连接刚度都是有效方法关键连接应定期检查紧固状态。