《螺纹连接讲解》课件

螺纹连接讲解本课件将深入探讨螺纹连接的基本知识、类型分类、计算方法及实际应用螺纹连接作为机械工程中最重要的连接方式之一，广泛应用于各种机械设备中课程内容涵盖从基础理论到实际应用的完整知识体系，适用于机械设计与机械原理相关课程学习课程内容目录1螺纹基础知识介绍螺纹的定义、形成原理及各项重要参数，为后续学习奠定理论基础2螺纹类型与应用详细分析各种螺纹类型的特点、结构形式及具体应用场景3螺纹连接形式探讨不同连接方式的结构特点、适用条件及选择原则4强度计算与实际应用掌握螺纹连接的强度计算方法、预紧与防松技术及典型应用案例分析第一部分螺纹基础知识学习目标重点内容理解螺纹的基本概念和作用机理，掌握螺纹的主要几何参数，为螺纹的定义与分类、形成原理、主要参数的含义和计算方法，以后续深入学习奠定坚实的理论基础及这些参数对螺纹性能的影响螺纹的定义与作用螺纹定义连接作用螺纹是在圆柱或圆锥表面上，按通过螺纹副的旋合实现零件之间照一定的螺旋角和螺距规律形成的可拆卸紧固连接，同时可以提的连续螺旋形凸缘这种几何结供密封功能，广泛应用于各种机构具有独特的机械传动和连接特械装配中性传动作用利用螺纹的螺旋特性，将旋转运动转换为直线运动，或者传递扭矩和轴向力，实现精确的位移控制螺纹的形成原理螺旋线生成在圆柱表面建立螺旋坐标系，通过特定的螺旋角和螺距参数生成标准螺旋线牙型成形根据不同用途选择相应的牙型角度，通过切削、滚压或铸造等工艺形成螺纹牙型精度控制严格控制螺纹的各项几何参数，确保螺纹副的正确旋合和使用性能质量检验通过专用量具和检测设备验证螺纹的几何精度和表面质量螺纹的主要参数

（一）外径（大径）与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱体直径，是螺纹的最大直径，决定了螺纹的基本尺寸规格内径（小径）与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱体直径，是螺纹的最小直径，影响螺纹的强度特性中径母线通过牙型上凸起和沟槽两者宽度相等处的假想圆柱体直径，是螺纹配合的基准直径螺纹的主要参数

（二）1螺距定义相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离，是螺纹最重要的参数之一2导程概念同一螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离，单线螺纹时等于螺距3升角计算螺纹升角决定了螺纹的自锁性能，是判断螺纹连接可靠性的重要依据螺纹的其他参数牙形角牙侧角αβ螺纹轴向截面内，螺纹牙形两侧边的夹角，牙形侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角，对称常见有60°、55°、30°等牙形时β=α/2综合影响接触高度h各参数相互关联，共同决定螺纹的使用性能内外螺纹旋合后接触面的径向高度，影响螺和加工工艺要求纹连接的承载能力第二部分螺纹类型与应用分类体系建立按照不同的分类标准，螺纹可以从牙型、螺旋线条数、外形、旋向等多个维度进行分类，形成完整的分类体系特性分析对比不同类型螺纹具有各自独特的结构特点和性能优势，需要根据具体使用要求选择合适的螺纹类型应用场景匹配结合实际工程需求，合理选择螺纹类型，确保连接的可靠性、经济性和维护便利性按牙型分类螺纹类型牙形角主要用途特点优势普通螺纹60°三角形连接紧固强度高、标准化管螺纹55°梯形管道连接密封性好梯形螺纹30°梯形传动效率高、双向矩形螺纹矩形大载荷传动效率最高锯齿形螺纹不对称单向传动防回转普通螺纹高强度设计60°牙型角提供最佳强度特性国际标准化符合ISO标准，全球通用制造便利加工工艺成熟，成本经济互换性强标准件丰富，维修方便应用广泛各类机械连接的首选管螺纹密封优势55°牙型角确保良好密封性防泄漏设计锥形配合提供径向压紧力工业应用广泛用于管道系统连接梯形螺纹30°梯形设计双向传动减小摩擦系数，提高传动效率可实现正反向运动传递载荷平衡精密传动牙形对称，受力均匀适用于数控机床丝杠系统矩形螺纹倍95%2-330%传动效率制造成本应力集中理论传动效率最高的螺纹形式相比普通螺纹加工难度显著增加牙根处应力集中系数较高矩形螺纹具有最高的理论传动效率，摩擦损失最小，特别适用于大载荷、低速传动场合但由于牙根处存在尖角，加工困难且容易产生应力集中，实际应用中常被梯形螺纹替代主要用于千斤顶、压力机等重载设备锯齿形螺纹非对称牙型工作面垂直，非工作面倾斜30°-33°单向传力专门设计用于单方向受力场合防逆转具有良好的自锁性能，防止回转重载应用千斤顶、螺旋压力机等设备按螺旋线条数分类按外形分类圆柱螺纹圆锥螺纹螺纹形成在圆柱表面上，是最常见的螺纹形式具有加工简单、螺纹形成在圆锥表面上，具有良好的密封性能旋合时产生径向测量方便、标准化程度高的优点广泛应用于各种机械连接中，压紧力，无需附加密封元件即可实现有效密封主要用于管道连如螺栓、螺钉、螺母等标准紧固件接、阀门等需要密封的场合•加工工艺简单•自密封性能好•测量检验方便•连接可靠性高•标准化程度高•适用于流体管路•应用范围最广•维护成本较低按旋向分类右旋螺纹左旋螺纹顺时针方向旋转时拧入的螺纹，逆时针方向旋转时拧入的螺纹，是标准默认的旋向形式符合人用于特殊场合如旋转机械中防们的操作习惯，约占螺纹应用的止螺纹因机械振动而松脱，或需95%以上所有标准紧固件均采要与右旋螺纹配合使用的调节机用右旋螺纹构识别与应用左旋螺纹通常在图纸上标注LH或左，实物上可能有特殊标记应用包括自行车脚踏板、某些调节螺杆、旋转设备的防松螺纹等第三部分螺纹连接形式1连接方式分类根据结构特点和使用要求，螺纹连接主要包括螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接等基本形式2选择原则考虑装配空间、拆卸频率、载荷特点、成本要求等因素，选择最适合的连接形式3标准化程度各种连接形式都有相应的国家标准和行业标准，确保互换性和可靠性4实际应用结合具体工程实例，分析不同连接形式的适用场合和设计要点螺栓连接结构组成安装便利标准化高由螺栓、螺母、垫圈组成可从连接件的两侧进行操各种规格的标准螺栓、螺完整的连接系统，是最基作，安装和拆卸都很方母、垫圈系列齐全，互换本也是应用最广泛的螺纹便，特别适用于需要频繁性好，采购和库存管理便连接形式，具有结构简装拆的场合，维护成本利，应用成本经济单、装拆方便的特点低通用性强适用于各种材料和厚度的被连接件，对连接件的加工精度要求不高，在机械制造中应用最为普遍双头螺柱连接一端固定螺柱一端拧入基体的螺纹孔中，形成固定连接，无需从背面操作另端装配被连接件套在螺柱上，用螺母紧固，可以装拆多个零件频繁拆装只需拆卸螺母，螺柱留在基体内，特别适用于需要频繁维护的场合空间节省当基体背面空间受限或无法接近时，双头螺柱是理想的连接方案螺钉连接螺钉连接无需螺母，直接拧入被连接件的内螺纹孔中根据头部形状分为沉头、圆柱头、内六角等多种类型沉头螺钉头部可与表面平齐，圆柱头螺钉承载能力强，内六角螺钉适用于精密装配场合安装只需从一侧操作，适用于空间受限的连接普通螺栓连接与铰制孔螺栓连接普通螺栓连接铰制孔螺栓连接通孔采用较大公差，加工成本低，装配简便螺栓与孔壁间有间螺栓与孔采用基孔制过渡配合，无间隙或微量过盈能精确定位隙，主要靠摩擦力传递横向载荷，适用于一般精度要求的连接场被连接件，直接承受横向载荷，用于高精度和大横向力场合合•孔加工精度要求低•定位精度高•装配简单快捷•横向承载能力强•成本经济实用•连接刚度大•应用范围广泛•加工要求严格紧固件组合平垫圈螺栓增大支承面积，保护被连接件表面，分主要承载元件，提供轴向夹紧力散压力螺母弹簧垫圈与螺栓配合形成螺纹副，实现紧固功能提供弹性压力，防止螺纹连接松动特殊螺纹连接膨胀螺栓自攻螺钉通过膨胀套管在混凝土或砖墙中具有自攻丝功能，可直接拧入金产生径向膨胀力实现固定广泛属薄板或塑料件中螺纹在拧入用于建筑装修、设备安装等场过程中自动切削形成，适用于薄合，无需预埋件即可实现可靠连壁零件和一次性装配场合接防松螺母内置尼龙圈或金属变形环，产生附加摩擦力防止松动特别适用于振动环境和关键安全部位，提高连接可靠性螺纹连接的特点主要优点可拆卸性好，便于维修更换；标准化程度高，互换性强；连接可靠，承载能力大主要缺点应力集中明显，疲劳强度低；在振动环境下容易松动；重量相对较大综合评价与焊接、铆接等连接方式相比，螺纹连接在可拆卸性和标准化方面具有显著优势第四部分螺纹连接的强度计算计算理论建立螺纹连接的力学模型分析方法掌握各种载荷条件下的计算方法设计应用结合实际工程进行强度验算安全可靠确保连接的长期稳定工作优化设计提高连接效率和经济性螺纹连接的受力分析轴向载荷螺栓主要承受拉伸应力，需要验算拉伸强度和螺纹剪切强度，考虑预紧力的影响横向载荷依靠连接面间的摩擦力或螺栓杆的剪切承载，需要计算摩擦力或剪切强度复合载荷同时承受轴向力、横向力和弯矩时，需要进行组合应力计算和强度校核动载荷考虑疲劳载荷的影响，采用疲劳强度设计方法，确保长期使用可靠性螺栓连接的预紧力预紧力作用确定方法提供连接刚度，防止松动，增强密封根据材料强度、安全系数和工作条件确性，改善受力状况定合理的预紧力数值控制方法与工作载荷关系通过扭矩控制、角度控制或直接测量等预紧力通常取屈服载荷的60%-80%，工方法实现预紧力控制作载荷不应超过预紧力单个螺栓连接的强度计算

（一）进行强度校核选择计算方法计算危险截面的应力值，与材料的许用应确定设计条件根据受力特点选择相应的强度理论和计算力进行比较，验证设计的安全可靠性明确载荷类型、大小、方向，确定安全系公式，考虑应力集中和疲劳等因素的影数和材料性能参数，建立计算模型和边界响条件单个螺栓连接的强度计算

（二）=F/A=F/A₁στ拉伸应力剪切应力螺栓危险截面的拉伸应力计算螺纹剪切面的剪切应力计算[]σ许用应力材料的许用拉伸应力限值轴向载荷下螺栓连接的强度计算主要验算螺栓的拉伸强度和螺纹的剪切强度拉伸应力按螺栓小径计算，剪切应力按螺纹接触面积计算设计时应确保计算应力小于材料的许用应力，并考虑适当的安全系数单个螺栓连接的强度计算

（三）螺栓组连接的设计

（一）布置原则载荷分布计算模型验算要求螺栓应对称布置，间距假设载荷在各螺栓间均建立螺栓组的力学模所有螺栓都应满足强度均匀，避免应力集中匀分布，或按照刚度比型，确定每个螺栓的受要求，最危险螺栓的安边距和中心距应符合标例分配考虑连接件的力情况，找出最危险的全系数应在合理范围准要求，确保安装和拆变形对载荷分布的影螺栓进行强度验算内，确保整体连接可卸空间充足响靠螺栓组连接的设计

（二）轴向载荷下的设计弯矩载荷下的设计轴向载荷在各螺栓间均匀分布，每个螺栓承受的载荷为总载荷除弯矩在螺栓组中产生不均匀的载荷分布，距离中性轴越远的螺栓以螺栓数量需要考虑预紧力的影响，确保在工作载荷作用下连承受载荷越大需要确定中性轴位置，计算各螺栓的受力，验算接面不分离最危险螺栓的强度•载荷均匀分配•载荷按距离分配•考虑预紧力影响•确定中性轴位置•防止连接面分离•计算最大螺栓载荷•验算螺栓拉伸强度•验算危险截面强度螺栓组连接的设计

（三）1工程背景压力容器法兰连接，承受内压和弯矩载荷，要求密封可靠2载荷分析内压产生轴向力，管道重量产生弯矩，温度变化引起热应力3设计计算按照压力容器标准确定螺栓规格、数量和预紧力要求4验证结果通过有限元分析验证设计的合理性，确保长期安全运行螺纹连接的可靠性设计安全系数选取疲劳设计考虑根据载荷性质、材料特性和使用环境确定合对于承受交变载荷的螺纹连接，采用疲劳强理的安全系数，一般取

1.5-

4.0度设计方法，考虑应力集中系数可靠性评估失效模式分析采用概率统计方法评估连接的可靠性水平，识别可能的失效模式包括螺栓断裂、螺纹剪确保满足设计要求切、松动等，制定相应预防措施提高螺纹连接强度的措施优化设计参数材料选择策略合理选择螺纹规格、螺距和牙型选用高强度合金钢材料，如角，优化螺栓头部和杆部的过渡40Cr、35CrMoA等，通过热处理圆角，减小应力集中系数，提高获得良好的综合机械性能对于疲劳强度采用细牙螺纹可提高特殊环境可选用不锈钢或有色金连接刚度属材料表面处理改善通过镀锌、发黑、阳极氧化等表面处理提高耐腐蚀性采用滚压、喷丸等工艺改善表面残余应力状态，提高疲劳寿命典型螺纹强度计算实例150工作压力容器内部工作压力bar24螺栓数量法兰圆周均布的M20螺栓85%预紧系数相对于屈服强度的预紧比例

2.5安全系数考虑压力波动的设计安全系数压力容器法兰连接是螺纹连接的典型应用本实例中DN600法兰承受

1.5MPa内压，选用24个M20高强度螺栓计算包括内压轴向力、法兰弯矩、螺栓预紧力的确定，最终验证螺栓强度和法兰密封的可靠性设计结果表明螺栓应力在许用范围内，连接安全可靠第五部分螺纹连接的预紧与防松预紧力控制掌握预紧力的确定方法和控制技术防松技术了解各种防松措施的原理和应用检测评价学习防松效果的检测和评价方法螺纹连接预紧的重要性提高连接强度防止松动确保密封均匀载荷适当的预紧力可以增加连接预紧力产生的摩擦力能有效对于密封连接，充足的预紧合理的预紧力分布可以使螺刚度，改善应力分布，提高防止螺纹副在振动下的相对力是维持密封性能的基本保栓组中各螺栓受力更加均匀疲劳强度转动证预紧方法预紧方法控制参数精度适用场合力矩法拧紧扭矩±15%一般工程应用转角法转动角度±10%高强度螺栓伸长量法螺栓伸长±5%关键连接应变测量法应变值±3%精密装配超声波法声速变化±2%高端应用螺纹连接松动的原因振动影响机械振动是导致松动的主要原因温度变化热胀冷缩引起预紧力损失材料蠕变长期载荷作用下材料发生蠕变安装不当预紧力不足或表面处理不当磨损老化螺纹面磨损和材料老化防松措施

（一）结构设计双螺母防松采用厚薄两个螺母，薄螺母紧贴被连接件，厚螺母拧紧后与薄螺母形成相互锁紧结构简单可靠，拆卸方便，广泛应用于重要连接部位止动垫圈垫圈上的凸舌分别卡入螺母和被连接件的槽中，防止螺母转动适用于方形或六角螺母，防松效果好，但需要在被连接件上加工止动槽开口销防松通过开口销穿过螺栓尾部的横孔实现防松结构简单，成本低廉，防松可靠，但拆卸时需要更换开口销，适用于不频繁拆装的场合防松措施

（二）附加装置弹簧垫圈是最常用的防松装置，通过弹性变形产生持续的压紧力齿形垫圈利用锯齿状凸起咬入螺母和被连接件表面，提供更强的防松效果波形垫圈具有较大的弹性变形能力，适用于温度变化较大的场合选择时需要考虑载荷大小、环境条件和成本要求防松措施

（三）特殊螺纹设计自锁螺纹变螺距螺纹螺纹副采用特殊的牙型设计或表面处螺栓和螺母采用不同螺距，拧紧时产生理，增大摩擦系数，提高自锁性能径向压力，形成楔紧效应新型技术微塑变锁紧涂覆特殊材料、磁性锁紧等新兴防松技通过控制螺纹副的微量塑性变形，产生术不断发展持久的锁紧力防松效果的检测与评价振动测试采用标准振动试验台，在规定的频率和加速度条件下进行防松性能测试，记录螺纹连接的松动情况和预紧力变化长期监测通过应变片、位移传感器等监测设备，长期跟踪螺纹连接在实际工况下的性能变化，建立性能衰减规律效果评价建立防松效果评价指标体系，包括预紧力保持率、松动转角、疲劳寿命等参数，综合评价不同防松措施的效果。