螺栓预紧力

螺纹连接 - 形成

螺纹连接

将一直角三角形绕在直径为的圆柱表面上，使三角形底边与圆柱体的底边重合，则三角形的斜边在圆柱体表面形成一条螺旋线。三角形的斜边与底边的夹角，称为螺旋线升角。若取一平面图形，使其平面始终通过圆柱体的轴线并沿着螺旋线运动，则这平面图形在空间形成一个螺旋形体，称为螺纹。

螺纹连接 - 分类

根据平面图形的形状，螺纹可分为三角形、矩形、梯形和锯齿形螺纹等。

根据螺旋线的绕行方向，可分为左旋螺纹和右旋螺纹，规定将螺纹直立时螺旋线向右上升为右旋螺纹，向左上升为左旋螺纹。机械制造中一般采用右旋螺纹，有特殊要求时，才采用左旋螺纹。根据螺旋线的数目，可分为单线螺纹和等距排列的多线螺纹。为了制造方便，螺纹一般不超过4线。

螺纹连接 - 主要参数

要区分不同的螺纹，就要掌握说明螺纹特点的一些参数。以广泛应用的圆柱普通螺纹为例，螺纹的主要参数如下： (1)大径d（外径）（D）——与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径——亦称公称直径

(2)小径（内径）d1(D1)——与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径，在强度计算中作危险剖面的计算直径

(3)中径d2——在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径 d2≈0.5(d+d1) (4)螺距P——相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离

(5) 导程（S）——同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离

(6) 线数n——螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n≤4；螺距、导程、线数之间关系：L=nP

(7) 螺旋升角ψ——在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。

(8) 牙型角α——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角；牙型斜角β指螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角。对称牙型

螺纹是螺纹联结和螺旋传动的关键部分，现将机械中几种常用螺纹的特点和应用介绍如下：

1． 三角形螺纹 牙型角大，自锁性能好，而且牙根厚、强度高，故多用于联接。常用的有普通螺纹、英制螺纹和圆柱管螺纹。

（1）普通螺纹：国家标准中，把牙型角α = 60°的三角形米制螺纹称为普通螺纹，大径d为公称直径。同一公称直径可以有多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹，粗牙螺纹应用最广。细牙螺纹的小径大、升角小，因而自锁性能好、强度高，但不耐磨、易滑扣，适用于薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构的调整。普通螺纹的基本尺寸见教材表9—1。

（2）.英制螺纹：牙型角α = 55°，以英寸为单位，螺距以每英寸的牙数表示，也有粗牙、细牙之分。主要是英、美等国使用，国内一般仅在修配中使用。

2. 圆柱管螺纹 牙型角α = 55°，牙顶呈圆弧形，旋合螺纹间无径向间隙，紧密性好，公称直径为管子的公称通径，广泛用于水、煤气、润滑等管路系统联接中。

3. 矩形螺纹 牙型为正方形，牙型角α = 0°，牙厚为螺距的一半，当量摩擦系数较小，效率较高，但牙根强度较低，螺纹磨损后造成的轴向间隙难以补偿，对中精度低，且精加工较困难，因此，这种螺纹已较少采用。

4. 梯形螺纹

牙型为等腰梯形，牙型角α = 30°，效率比矩形螺纹低，但易于加工，对中性好，牙根强度较高，当采用剖分螺母时还可以消除因磨损而产生的间隙，因此广泛应用于螺旋传动中。

5. 锯齿形螺纹： 锯齿形螺纹工作面的牙侧角为3°，非工作面的牙侧角为30°，兼有矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点，但只能承受单向载荷，适用于单向承载的螺旋传动。螺纹牙强度高，用于单向受力的传力螺旋；如螺旋压力机、千斤顶等。

1.螺栓联接 被联接件的孔中不切制螺纹，装拆方便。如教材图9-12a为普通螺栓联接，螺栓与孔之间有间隙，由于加工简便，成本低，所以应用最广。如教材图9-12b为铰制孔用螺栓联接，被联接件上孔用高精度铰刀加工而成，螺栓杆与孔之间一般采用过渡配合，主要用于需要螺栓承受横向载荷或需靠螺杆精确固定被联接件相对位置的场合。 2.双头螺柱联接使用两端均有螺纹的螺柱，一端旋入并紧定在较厚被联接件的螺纹孔中，另一端穿过较薄被联接件的通孔。适用于被联接件较厚，要求结构紧凑和经常拆装的场合。

3. 螺钉联接螺钉直接旋入被联接件的螺纹孔中，结构较简单，适用于被联接件之一较厚，或另一端不能装螺母的场合。但经常拆装会使螺纹孔磨损，导致被联接件过早失效，所以不适用于经常拆装的场合。

4. 紧定螺钉联接 将紧定螺钉拧入一零件的螺纹孔中，其末端顶住另一零件的表面，或顶入相应的凹坑中。常用于固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。

螺纹连接 - 联接件

螺纹联接件品种很多，大都已标准化。常用的标准螺纹联接件有螺栓、螺钉、双头螺柱、紧定螺钉、螺母和垫圈。 普通螺栓 六角头：小六角头，标准六角头，大六角头

1）螺栓 圆柱头（内六角） 铰制孔螺栓——螺纹部分直径较小 螺栓 粗制 精制——机械制造中常用 2）双头螺栓——两端带螺纹 A型——有退刀槽 施入端长度也各有不同。 B型——无退刀槽

3）螺钉种类繁多 半圆头 一字槽 平圆头 十字槽 共有 按头部形状 六角头 头部起子槽 内六角孔 圆柱头 一字加十字槽 沉头 要求全螺纹 与螺栓区别 要求螺纹部分直径较粗

4）紧定螺钉 锥端——适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 末端 平端——接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面， 适于经常拆卸 圆柱端——压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置 适于较轻材料和金属薄板

5）自攻螺钉——由螺钉攻出螺纹

6）螺母 六角螺母：标准，扁，厚 圆螺母（与带翅垫圈）+止退垫圈——带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌 入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。 螺母 粗制 精制 粗制 平垫 精制 A型 普通垫圈 斜垫 B型——带倒角

7）垫圈 防松垫圈（弹簧垫圈）——起防松作用 带翅垫圈等

螺纹联接 松联接——在装配时不拧紧，只在承受外载时才受到力的作用——轻少用 紧联接——在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力QP

预紧目的：保持正常工作。如汽缸螺栓联接，有紧密性要求，防漏气，接触面积要大性，靠摩擦力工作时，增大刚性等。

增大刚性：增加联接刚度、紧密性和提高防松能力

1. 拧紧力矩TΣ 在预紧螺栓联接时，加在扳手上的力矩TΣ必须克服螺旋副中的螺纹力矩T和螺母与支撑面之间的摩擦力矩Tf TΣ=T+Tf T=F0tan(ф+ρV)d2/2 Tf=fc* F0*rf; rf支撑面间的摩擦半径， fc为摩擦系数。 TΣ=0.2 F0*d*10 式中：TΣ的单位N.m; d的单位为mm.。

2. 预紧力的控制 通过测力矩扳手和完力矩扳手控制扳手力矩大小。

螺纹连接一般具有自锁性，此外螺母及螺栓头部的支撑面上的摩擦力也有防松作用，故拧紧后一般不会松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，以及在高温或温度变化较大时，螺纹钢之间的摩擦力会顺时减小或消失，联接就可能松动。防松的关键就是防松螺旋钢的相对转动。

1. 摩擦防松

（1）弹簧垫片；利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。

（2）对顶螺母；增加摩擦防松；

（3）自锁螺母：增加摩擦防松；

2. 机械防松 开槽螺母与开口销；圆螺母与止动垫圈；带翅垫片。

3. 变为不可拆联接 端铆、冲点（破坏螺纹）、点焊。

这种承载形式在紧螺栓联接中比较常见，汽缸与汽缸盖螺栓组联接就是这种联接的典型例子。在这种联接中，螺栓实际承受的总拉力Fo并不等于预紧力和轴向工作载荷F之和。

1、压力容器中压强P对每个螺栓产生的轴向工作载荷为： F=p(лD2/4)/Z 式中：Z为联接螺栓个数。p为气缸内的压强Mpa。

未拧紧未受工作载荷时螺栓情况：如上图预紧前；拧紧后未受工作载荷时螺栓受预紧力F0作用：如上图的预紧。 拧紧后受工作载荷时螺栓受到总拉力FΣ作用： FΣ=F+ F0 此时，由于螺栓受工作载荷F的作用，伸长量又增加了δ2，被联接件间随螺栓伸长而被放松了δ2，故其压紧力由F0减小到F0'，被联接件作用与螺栓的反作用力也应为F0'， F0'称为剩余预紧力。 剩余预紧力F0'值可参照教材表9-3选取。 选取了F0'后，用FΣ=F+ F0计算出螺栓的总拉力FΣ的值。然后代入下式： 强度计算为： .

设计公式为： 根据受工作载荷F的伸长量与被联接件回弹变形量相等的关系，可导出预紧力F0与剩余预紧力F0/的关系为：F0= F0/+(1—Kc)F; 式中：Kc=C1/(C1+C2)，Kc称相对刚度系数见教材表9—4；C1为螺栓刚度；C2为被联接件刚度。 FΣ=F+ F0/=F0+ C1F/(C1+C2)。 由上式可知，当螺栓受轴向工作载荷由0至F之间变化时，螺栓中总的拉力的变化范围是F0～FΣ。

预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。

采用电阻应变计测量应力的方法，能准确的测量螺栓的预紧力的大小,可以精确到公斤。尤其更适合大型压力容器气密试验前的螺栓的预紧力的检测。

预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明:较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，"物极必反"，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。