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第五部分 螺纹联接与螺旋传动(★★★★★ 全卷第二重点)

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本部分目录 · 4 节

来源:机械设计考研复习全书(优化版) · 第 86 页起 · 共 16 页

统计依据:螺纹联接相关语料频次 298,位居全部模块第二。
命题事实:2008—2026 年每年必考。计算题几乎固定为"受轴向载荷紧螺栓联接的强度计算"或"螺栓组联接受力最大螺栓的工作载荷",简答题固定考"提高螺栓联接强度的措施"(考过 6 次以上)和"螺纹联接防松"。
复习结论:本部分计算题套路固定、必须拿满分。

5.1 考点地图

考点 历年出现 题型 重要度
受轴向载荷紧螺栓联接强度计算 2007、2010、2015、2019、2020、2022、2024、2025、2026 计算 ★★★★★
螺栓组联接受力最大螺栓工作载荷 2015、2019、2020、2021、2023 计算 ★★★★★
提高螺栓联接强度的措施 2013、2015、2018、2019、2025、2026 简答 ★★★★★
螺纹联接防松原理与方法 2015、2022、2023、2024 简答 ★★★★★
螺纹联接的预紧与控制 2013、2022、2024、2026 简答 ★★★★☆
螺纹自锁条件 2015、2023 填空 ★★★☆☆
螺纹的基本参数(公称直径、升角) 2015、2020 填空 ★★★☆☆
铰制孔螺栓 vs 普通螺栓 2008、2010、2013、2022、2023、2025 选择、填空 ★★★★☆
螺栓组联接的结构设计 2021、2023 简答 ★★★☆☆
螺纹牙间载荷分布不均及改善 2010、2024 简答、选择 ★★★☆☆
螺栓的相对刚度 Cb/(Cb+Cm) 2019、2020、2021、2024 计算、判断 ★★★★☆
螺旋传动 2021、2023 简答 ★★☆☆☆

5.2 核心知识精讲

知识点 1:螺纹的基本参数与自锁(★★★☆)

主要参数: - 大径 d(公称直径)—— 螺纹的最大直径,公称直径指大径(2020 年填空题)

  • 小径 d1 —— 螺纹的最小直径,危险截面直径(强度计算用 d1)

  • 中径 d2 —— 牙型上沟槽和凸起宽度相等处的直径

  • 螺距 P —— 相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离

  • 导程 S —— 同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离,S = nP(n 为线数)

  • 升角 ψ —— 螺纹中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角

tanψ = Sπd2 = nPπd2

自锁条件: ψ ≤ φv(升角小于等于当量摩擦角)

其中φv = arctan(f · v),f · v = f/cos(β/2)(β为牙型角)。

2023 年填空题:"螺纹自锁性是指 ____。"→ 螺纹副在受轴向力时,不借助外力即能保持自身不发生相对转动的性质。
2015 年填空题:"螺纹的自锁条件为 ____。"→ ψ ≤ φv(升角小于等于当量摩擦角)。

2023 年填空题:"螺纹副中一个零件相对于另一个转过一圈时,则它们沿轴线方向相对移动的距离是 ____。"→ 一个导程 S(不是螺距)。

易错:转动一圈移动一个导程;转动一圈沿轴向移动的距离 = 线数 × 螺距。

知识点 2:螺纹联接的类型与应用(★★★☆)

类型 特点 适用场合
普通螺栓联接(受拉螺栓) 螺栓杆与孔间有间隙,靠预紧后接合面间的摩擦力传力 被联接件不太厚,需经常装拆
铰制孔用螺栓联接(受剪螺栓) 螺栓杆与孔配合(过渡配合),靠螺栓杆受剪切和挤压传力 承受横向载荷、需精确固定位置
双头螺柱联接 螺栓一端拧入被联接件,另一端上螺母 被联接件之一太厚不宜通孔,需经常装拆
螺钉联接 螺钉直接拧入被联接件 被联接件之一较厚,不常装拆
紧定螺钉联接 螺钉末端顶住另一零件 固定两个零件的相对位置,可传递不大的力或转矩
2025 年选择题:"下列最适合承受横向载荷的是?"→ 铰制孔用螺栓连接。
2008 年填空题:"在常用的螺旋传动中,传动效率最高的螺纹是 ____。"→ 矩形螺纹(但矩形螺纹难以精确制造,常用梯形螺纹)。
2015 年填空题:"三角形螺纹的牙型角 α = ____,适用于 ____;而梯形螺纹的牙型角 α = ____,适用于 ____。"
→ 三角形螺纹牙型角 α = 60°,适用于联接(自锁性好,摩擦力大);
→ 梯形螺纹牙型角 α = 30°,适用于传动(效率高,牙根强度好,对中性好)。

2023 年填空题:"在铰制孔用螺栓联接中,螺栓杆与孔的配合为 ____。"→ 过渡配合(H7/m6、H7/n6 等)。

知识点 3:螺纹联接的预紧(★★★☆)

预紧的目的(2013、2024 年考点): 1. 增强联接的可靠性和紧密性,防止被联接件间出现缝隙或相对滑移。

  1. 防止螺纹副在受载后发生相对转动(松动)。

  2. 提高螺栓的疲劳强度(在变载荷下,适当的预紧可减小应力幅)。

2024 年判断题:"螺栓连接预紧的目的是防止螺纹副的相对转动和被连接件出现 ____。"→ 间隙(缝隙)。
2010 年判断题:"螺纹联接预紧的目的之一是增强联接的可靠性和紧密性。"→ 正确。

预紧力的控制方法(2022、2026 年考点): 1. 测力矩扳手(测量拧紧力矩)

  1. 定力矩扳手(达到设定力矩时打滑)

  2. 测量螺栓伸长量(精度最高,用于重要联接)

  3. 测量螺母转角(转角法)

  4. 经验法(凭手感)

拧紧力矩: T = T1 + T2 = F0·d22·tan(ψ+φv) + f·F0·(D1+d0)4 ≈ 0.2·F0·d

其中 F0 为预紧力。一般取 T ≈ 0.2 F0 d。

知识点 4:螺纹联接的防松(★★★★★ 考过 4 次)

2023 年简答题原题:"螺栓防松的基本原理有哪几种?具体的防松方法或装置各有哪些?"

2022 年简答题原题:"螺栓为什么防松?防松实质是什么?有哪些防松方式?"

标准答案: (1)为什么要防松?

螺纹联接在冲击、振动或变载荷作用下,以及温度变化较大时,螺纹副之间的摩擦力可能瞬时减小或消失,导致螺纹副相对转动而松脱。松脱会导致联接失效,甚至造成严重事故。

(2)防松的实质(本质)

防止螺纹副之间的相对转动。

2023 年填空题:"螺纹连接防松的本质是 ____。"→ 防止螺纹副之间的相对转动。

(3)防松方法(按原理分三类)

防松原理 方法 具体装置
① 摩擦防松(利用摩擦力) 使螺纹副间始终保持足够的摩擦力 对顶双螺母、弹簧垫圈、自锁螺母(尼龙圈锁紧螺母)、弹性锁紧螺母
② 机械防松(利用机械装置) 用止动件直接限制螺纹副的相对转动 开口销与六角开槽螺母、止动垫圈、串联钢丝、圆螺母与止退垫圈
③ 永久防松(破坏螺纹副) 破坏螺纹副,使其不可拆 端部焊接、点铆、粘合剂(厌氧胶)
2024 年真题:"说明螺纹连接机械防松的典型方法及其防松原理。"
→ 机械防松的典型方法:开口销与六角开槽螺母(开口销插入螺母槽与螺栓尾部孔中,直接阻止相对转动)、止动垫圈(垫圈的一耳弯入螺母槽,另一耳弯贴在被联接件上)、串联钢丝(钢丝穿过一组螺栓头部孔,使相互牵制)。

记忆口诀:摩擦防松、机械防松、永久防松。

知识点 5:受轴向载荷紧螺栓联接的强度计算(★★★★★ 计算必考)

5.1 受力分析(力-变形图)

设: - F0 —— 预紧力(拧紧后螺栓所受的力)

  • Cb —— 螺栓的刚度

  • Cm —— 被联接件的刚度

  • F —— 单个螺栓承受的轴向工作载荷

  • F1 —— 残余预紧力(工作载荷作用后被联接件间剩余的压紧力)

  • F2 —— 螺栓所受的总拉力

核心关系(必背): F2 = F0 + CbCb+Cm · F

F1 = F0 − CmCb+Cm · F

F2 = F1 + F

其中 Cb/(Cb+Cm) 称为螺栓的相对刚度,是考试核心参数。

力-变形图(必须会画): 图 9

图 5-1 受轴向载荷紧螺栓联接的力–变形图

重要结论: 1. F2 = F1 + F

  1. 减小螺栓刚度 Cb(如增加螺栓长度、减小螺栓光杆直径)或增大被联接件刚度 Cm(如用刚度大的垫片、不用软垫片),可使 Cb/(Cb+Cm) 减小,从而减小 F2、减小应力幅、提高螺栓疲劳强度。
2013 年填空题:"采用螺栓联接时,在保持预紧力不变的条件下,____ 螺栓刚度或 ____ 被联接件刚度都可达到减小应力幅的目的。"→ 减小螺栓刚度,增大被联接件刚度。

2026 年选择题:"下面哪个选项不能减小螺栓联接的应力幅(或不能提高疲劳强度)?"

  • A. 增大螺栓刚度(错,增大 Cb 会使应力幅增大)

  • B. 将圆孔与圆同高的正方(形垫片?)

  • C. 提高表面强度

  • D. 减小轴肩过渡圆角半径

2026 年原题选项 OCR 残缺,但考点明确:减小 Cb / 增大 Cm 才能提高疲劳强度。

2022 年选择题原题:"在受轴向变载荷作用的紧螺栓联接中,为提高螺栓的疲劳强度,可采取的措施是?"

A. 增大螺栓刚度 Cb,减小被连接件刚度 Cm

B. 减小 Cb,增大 Cm ✔

C. 增大 Cb 和 Cm

D. 减小 Cb 和 Cm

答案:B

2009、2010 年判断题:"为了降低螺栓的受力,提高螺栓联接的承载能力,应使 Cb/(Cb+Cm) 值尽量小些。"→ 正确。

5.2 强度计算公式

(1)仅受预紧力的紧螺栓联接(如压力容器盖螺栓,未受工作载荷前): 螺栓危险截面上同时受拉应力和扭转切应力,按第四强度理论合成: σ = 1.3 · F0/(pid12/4) ≤ [σ]

即

d1 ≥ √(4×1.3F0π[σ])

1.3 的物理意义(常考):考虑拧紧螺母时螺纹间的摩擦力矩产生的扭转切应力的影响,将拉应力增大 30%。

2021 年选择题:"在受预紧力的螺栓联接中,螺栓危险截面的应力状态是?"→ 拉应力与扭转切应力的复合应力状态。
2010 年选择题:"紧螺栓联接在按拉伸强度计算时,应将拉伸载荷增加到原来的 1.3 倍,这是考虑 ____。"→ 扭转切应力作用(答案 B)。

(2)受轴向工作载荷的紧螺栓联接: σ = 1.3 · F2/(pid12/4) ≤ [σ]

即

d1 ≥ √(4×1.3F2π[σ])

(3)受横向载荷的普通螺栓联接(靠摩擦力传力): 条件:接合面间的摩擦力 ≥ 横向载荷

f·F0·m·z ≥ Ks·F

即

F0 ≥ Ks·Ff·m·z

其中: - f —— 接合面摩擦系数

  • m —— 接合面对数

  • z —— 螺栓数目

  • Ks —— 防滑系数(可靠性系数),一般取 Ks = 1.1~1.3

然后按d1 ≥ √(4 × 1.3F0/(π[σ]))确定螺栓直径。

(4)受横向载荷的铰制孔螺栓联接(靠螺栓杆受剪传力): 剪切强度: τ = F/(z · m · pid02/4) ≤ [τ]

挤压强度: σp = Fz·d0·Lmin ≤ [σp]

其中 d0 为螺栓杆直径,Lmin 为挤压面最小长度。

(5)螺栓组受转矩 T 作用(如凸缘联轴器): 每个螺栓的横向工作载荷: Fs = T · rmax/sum (ri2)

其中 rmax 为最远螺栓到形心的距离,ri 为各螺栓到形心的距离。

知识点 6:螺栓组联接的结构设计(★★★)

2021 年简答题原题:"螺栓组联接结构设计的目的是什么?应该考虑的主要问题有哪些?"

设计目的:合理确定螺栓的数目、直径、布置形式和联接结构,使各螺栓受力合理、联接可靠、便于加工装配。

应考虑的主要问题: 1. 螺栓的数目和直径:根据载荷大小确定。

  1. 螺栓的布置: - 接合面形状应简单,螺栓应对称布置(使各螺栓受力均匀)
  • 螺栓间距应合理:间距过小则扳手空间不够,间距过大则接合面压不紧、密封性差

  • 螺栓应靠近被联接件边缘(但要有足够的边距,防止边缘压溃)

  • 同一圆周上的螺栓数目宜取偶数(便于分度划线)

  1. 避免螺栓承受附加弯曲载荷: - 被联接件表面应平整、与螺栓轴线垂直
  • 采用沉头座、斜面垫圈、球面垫圈
  1. 提高联接的紧密性:如压力容器,螺栓间距不宜过大。
2023 年填空题:"螺栓组连接中,螺栓的排列应有合理的 ____。"→ 间距和边距。
2023 年填空题:"螺纹布局时采用合理间距是为了 ____。"→ 保证扳手有足够的操作空间,并使接合面受力均匀、联接紧密。

知识点 7:提高螺栓联接强度的措施(★★★★★ 考过 6 次以上)

2025 年、2026 年简答题原题:"提高螺栓连接强度的措施有哪些?"

标准答案(四大类,按 2025 年真题答案原文): ① 改善螺纹牙上载荷分布不均程度

  • 采用悬置螺母(使螺母各圈螺纹受力均匀)

  • 采用内斜螺母(环槽螺母)

  • 采用钢丝螺套

  • 采用减小螺母螺距的方法

2023 年填空题:"采用悬置螺母可以改善 ____。"→ 螺纹牙上载荷分布不均(使各圈螺纹牙受力趋于均匀)。

② 减小螺栓应力幅

  • 减小螺栓刚度 Cb:增加螺栓长度、减小螺栓光杆直径、采用空心螺栓、在螺母下加弹性元件

  • 增大被联接件刚度 Cm:采用刚度大的垫片(避免使用软垫片如橡胶垫片)、增加被联接件厚度

  • 在变载荷下,减小应力幅可显著提高疲劳强度

③ 减小附加弯曲应力

  • 加工出沉头座

  • 采用斜垫圈(斜面垫圈)

  • 采用球面垫圈(自动调心)

  • 保证被联接件表面平整且与螺栓轴线垂直

④ 采用合理的制造工艺

  • 采用冷镦(滚压)螺纹,使金属纤维连续,提高疲劳强度

  • 表面强化处理(喷丸、滚压)

  • 热处理(调质)

  • 减小应力集中(增大螺纹根部圆角)

2023 年填空题:"冷镦和滚压能改善螺纹疲劳强度的原因是 ____。"→ 使金属纤维组织连续,且表面产生残余压应力,同时降低了表面粗糙度、减少了应力集中。
2024 年真题答案:"采用悬置螺母、内斜螺母、钢丝螺套改善载荷分布;减小螺栓刚度(增加螺栓长度)、增大被联接件刚度(用刚度大的垫片)减小应力幅;加工出沉头座、采用斜垫圈、球面垫圈减小附加弯曲应力;采用合理制造工艺。"

记忆口诀:"改善分布、减小应力幅、减小附加弯曲、合理工艺"(四句十六字)。

知识点 8:螺纹牙间载荷分布不均的原因(★★★)

原因:螺纹牙的变形导致各圈螺纹牙受力不均。

  • 拧紧后,螺栓受拉、螺母受压。

  • 螺栓的螺距增大,螺母的螺距减小(或螺栓螺距伸长大、螺母压缩)。

  • 因此,靠近支承面(螺母下端)的第一圈螺纹牙受力最大(约占总载荷的 1/3),往上各圈逐渐减小。

  • 实验表明:第 1 圈承担约 34%,第 2 圈约 23%,第 3 圈约 15%……前 3 圈约承担 70%。

改善措施:见知识点 7 ①(悬置螺母、内斜螺母、钢丝螺套等)。

知识点 9:铰制孔螺栓 vs 普通螺栓(★★★★☆)

项目 普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接
螺栓杆与孔 有间隙 过渡配合(H7/m6 等)
传力方式 靠预紧后接合面间的摩擦力 靠螺栓杆受剪切和挤压
承受载荷 主要用于轴向载荷 特别适合横向载荷
螺栓受力 拉应力(+扭转切应力) 剪切应力 + 挤压应力
螺栓直径 按拉伸强度确定 按剪切、挤压强度确定
定位精度 低 高(可起定位作用)
加工要求 低 高(需铰孔)
2023 年填空题:"公称直径相同的铰制孔螺栓与普通螺栓,之所以能承受更大的横向载荷是因为 ____。"→ 铰制孔螺栓螺栓杆与孔采用过渡配合,靠螺栓杆受剪切和挤压传递横向载荷;而普通螺栓靠接合面间的摩擦力传力,需要很大的预紧力,故承载能力受限。
2022 年选择题:"下面联接中,最适宜于承受横向载荷的是?"→ 铰制孔螺栓连接。

知识点 10:螺旋传动(★★☆☆☆)

2021 年简答题原题:"滑动螺旋传动的主要失效形式是什么?其基本尺寸(即螺杆直径和螺母高度)通常是根据什么条件确定的?"

标准答案: 主要失效形式: 1. 螺纹牙面的磨损(最主要)—— 由于牙面间相对滑动

  1. 螺杆与螺母的塑性变形

  2. 螺杆的断裂(受拉或受压)

  3. 螺杆的失稳(受压时,细长螺杆可能失稳)

  4. 螺母凸缘的断裂

基本尺寸的确定依据: - 螺杆直径(内径 d1)主要由耐磨性条件确定(限制压强 p),必要时校核强度、稳定性

螺母高度H由耐磨性条件确定:p = F/(pid2 · h · z) ≤ [p],其中z = H/P为螺纹圈数

一般取螺母高度H = φ · d2,φ为螺母高度系数,φ = 1.2 ∼ 2.5

常用螺纹类型: - 矩形螺纹:传动效率最高,但强度低、难精确制造、对中性差 → 用于传力

  • 梯形螺纹:效率较高,强度好,对中性好 → 最常用于传动

  • 锯齿形螺纹:单向传动,兼有矩形和梯形优点

  • 三角形螺纹:自锁性好 → 用于联接

知识点 11:螺纹联接的计算真题精解

真题 1(2025 年,10 分)

题目:已知预紧力 F0 = 1000N,Cb/Cm = 0.5,工作载荷 F = 1.5 kN(或 1500N)。试求螺栓受的总拉力 F2 和螺栓的小径 d1。

解答: 第一步:求相对刚度

CbCm = 0.5 →设Cm = 1,则Cb = 0.5

CbCb+Cm = 0.50.5+1 = 0.51.5 = 13

第二步:求总拉力F2

F2 = F0 + CbCb+Cm·F = 1000 + (13)×1500 = 1000 + 500 = 1500 N

(2025 年答案给出F2 = 1300 N,对应F = 0.2×1.5 kN的取值方式,

即F2 = F0 + 0.2F。数据以原题为准,方法为核心。)

第三步:求小径d1

σ = 1.3F2/(pid12/4) ≤ [σ]

取[σ] = σsS,若材料为 4.6 级(σs = 240 MPa),S = 1.5

[σ] = 2401.5 = 160 MPa

d1 ≥ √(4×1.3×F2π[σ])

= √(4×1.3×1500π×160)

= √(7800502.65)

= √15.52

= 3.94 mm

2025 年真题答案给出 d1 ≥ 23.19 mm,对应更小的 [σ] 或更大的 F2。核心是掌握公式 F2 = F0 + Cb/(Cb+Cm)·F 与 d1 ≥ √(4×1.3F2/(π[σ]))。

真题 2(2024 年,10 分)

题目:受轴向变载荷的螺栓连接中,已知螺栓刚度与被连接件刚度之比 Cb:Cm = 1:4。

  1. 已知残余预紧力 F1 = 30000N【数据待核】,求预紧力 F0;

  2. 由已知的 F0,在保证被连接件不出现缝隙的前提下,求螺栓组所能承受的最大工作载荷 Fmax。

解答: 第一步:由Cb:Cm = 1:4,得

CbCb+Cm = 11+4 = 15 = 0.2

CmCb+Cm = 45 = 0.8

由F1 = F0 − CmCb+Cm·F = F0 − 0.8F

当F = 0时(未加载),F1 = F0

第一步:求F0

由F1 = F0 − 0.8F,且已知F1与F的关系...

(题目数据OCR不清,核心方法如下)

第二步:保证不出现缝隙的条件是F1 ≥ 0(或≥规定值)

当F1 = 0时,F达到最大: F0 − 0.8Fmax = 0

Fmax = F00.8 = 1.25 F0

2024 年答案:"当 F1 = 0 时,此时 Fmax = 875(N)"。即取 F1 = 0 作为临界条件。

真题 3(2010、2019 年,经典原题,考过 3 次)

题目:受轴向工作载荷紧螺栓联接中,已知预紧力 F0 = 4000N,轴向工作载荷在 0~2400N 之间做脉动循环变化。求螺栓所受的最大载荷和最小载荷。当轴向工作载荷为多少时,被联接件间出现间隙?(注:Cb/(Cb+Cm) = 2/3)

解答: 已知:F0 = 4000 N,F ∈ [0, 2400N],CbCb+Cm = 23

(1)螺栓总拉力

F2 = F0 + CbCb+Cm·F = 4000 + (23)F

最大工作载荷F = 2400 N时: F2max = 4000 + (23)×2400 = 4000 + 1600 = 5600 N

最小工作载荷F = 0时: F2 min = 4000 + 0 = 4000 N

(2)残余预紧力

F1 = F0 − CmCb+Cm·F = F0 − (1 − 23)F = 4000 − (13)F

当F1 = 0时被联接件间出现间隙: 4000 − (13)F = 0

F = 12000 N

答:螺栓所受最大载荷5600 N,最小载荷4000 N;

当轴向工作载荷达到12000 N时,被联接件间出现间隙。

真题 4(2015 年,20 分)

题目:螺栓组联接,已知外载荷 F = 10 kN,各几何尺寸如图所示。试计算受力最大螺栓所受的横向工作载荷。

图 10

题图 2 螺栓组受横向载荷与转矩(示意补图)

解答方法(螺栓组受横向载荷 + 转矩的复合作用): 第一步:将外载荷 F 向螺栓组形心简化,得到
横向力 F(作用于形心)
转矩 T = F·e(e 为载荷作用线到形心的距离)

第二步:横向力 F 平均分配给各螺栓
FF = F/z (z 为螺栓数目)

第三步:转矩 T 产生的螺栓横向力,与螺栓到形心的距离成正比
FT = T·rmax/Σ(ri²)

第四步:矢量合成
各螺栓所受的横向工作载荷 Fs = FF + FT(矢量和)
其中受力最大的螺栓由矢量叠加确定

知识点 12:螺栓组受倾覆力矩(2024 年简答题)

2024 年简答题原题:"如图所示的螺栓组受倾覆力矩,分析倾覆力矩前后连接件与被连接件的受力特点并进行受力分析。"

图 11

题图 3 螺栓组受倾覆力矩(示意补图)

2024 年答案原文: | 倾覆力矩不影响接合面的正压力。受倾覆力矩之前:螺栓受横向载荷,依靠结合面间正压力产生的摩擦力抵抗横向载荷,摩擦力的大小与初拉力有关。受倾覆力矩之后:倾覆力矩并不改变接合面的正压力,只对螺栓轴向拉力产生拉力。左侧螺栓倾覆力矩所产生的轴向载荷与预紧力所需载荷方向相同,受力较大,故只对左侧螺栓进行强度校核。右侧螺栓倾覆力矩所产生的轴向载荷与初拉力方向相反。 | | --- |

要点: 1. 倾覆力矩使接合面一侧压力增大、另一侧压力减小,但不改变总压力。

  1. 受力最大的是受压侧(预紧力与倾覆力矩产生的拉力同向叠加)的螺栓,需对其进行强度校核。

  2. 需验算接合面不出现缝隙和不被压溃。

5.3 本章高频简答题标准答案(必背)

Q1:提高螺栓联接强度的措施有哪些?(★★★★★ 2013、2015、2018、2019、2025、2026)

2025 年、2026 年简答题原题:"提高螺栓连接强度的措施有哪些?"

标准答案(四大类,按 2025 年真题答案原文): ① 改善螺纹牙上载荷分布不均程度

  • 采用悬置螺母(使螺母各圈螺纹受力均匀)

  • 采用内斜螺母(环槽螺母)

  • 采用钢丝螺套

  • 采用减小螺母螺距的方法

2023 年填空题:"采用悬置螺母可以改善 ____。"→ 螺纹牙上载荷分布不均(使各圈螺纹牙受力趋于均匀)。

② 减小螺栓应力幅

  • 减小螺栓刚度 Cb:增加螺栓长度、减小螺栓光杆直径、采用空心螺栓、在螺母下加弹性元件

  • 增大被联接件刚度 Cm:采用刚度大的垫片(避免使用软垫片如橡胶垫片)、增加被联接件厚度

  • 在变载荷下,减小应力幅可显著提高疲劳强度

③ 减小附加弯曲应力

  • 加工出沉头座

  • 采用斜垫圈(斜面垫圈)

  • 采用球面垫圈(自动调心)

  • 保证被联接件表面平整且与螺栓轴线垂直

④ 采用合理的制造工艺

  • 采用冷镦(滚压)螺纹,使金属纤维连续,提高疲劳强度

  • 表面强化处理(喷丸、滚压)

  • 热处理(调质)

  • 减小应力集中(增大螺纹根部圆角)

2023 年填空题:"冷镦和滚压能改善螺纹疲劳强度的原因是 ____。"→ 使金属纤维组织连续,且表面产生残余压应力,同时降低了表面粗糙度、减少了应力集中。
2024 年真题答案:"采用悬置螺母、内斜螺母、钢丝螺套改善载荷分布;减小螺栓刚度(增加螺栓长度)、增大被联接件刚度(用刚度大的垫片)减小应力幅;加工出沉头座、采用斜垫圈、球面垫圈减小附加弯曲应力;采用合理制造工艺。"

记忆口诀:"改善分布、减小应力幅、减小附加弯曲、合理工艺"(四句十六字)。

Q2:螺栓防松的基本原理有哪几种?具体方法各有哪些?(2023、2022 年原题)

2023 年简答题原题:"螺栓防松的基本原理有哪几种?具体的防松方法或装置各有哪些?"

2022 年简答题原题:"螺栓为什么防松?防松实质是什么?有哪些防松方式?"

标准答案: (1)为什么要防松?

螺纹联接在冲击、振动或变载荷作用下,以及温度变化较大时,螺纹副之间的摩擦力可能瞬时减小或消失,导致螺纹副相对转动而松脱。松脱会导致联接失效,甚至造成严重事故。

(2)防松的实质(本质)

防止螺纹副之间的相对转动。

2023 年填空题:"螺纹连接防松的本质是 ____。"→ 防止螺纹副之间的相对转动。

(3)防松方法(按原理分三类)

防松原理 方法 具体装置
① 摩擦防松(利用摩擦力) 使螺纹副间始终保持足够的摩擦力 对顶双螺母、弹簧垫圈、自锁螺母(尼龙圈锁紧螺母)、弹性锁紧螺母
② 机械防松(利用机械装置) 用止动件直接限制螺纹副的相对转动 开口销与六角开槽螺母、止动垫圈、串联钢丝、圆螺母与止退垫圈
③ 永久防松(破坏螺纹副) 破坏螺纹副,使其不可拆 端部焊接、点铆、粘合剂(厌氧胶)
2024 年真题:"说明螺纹连接机械防松的典型方法及其防松原理。"
→ 机械防松的典型方法:开口销与六角开槽螺母(开口销插入螺母槽与螺栓尾部孔中,直接阻止相对转动)、止动垫圈(垫圈的一耳弯入螺母槽,另一耳弯贴在被联接件上)、串联钢丝(钢丝穿过一组螺栓头部孔,使相互牵制)。
2024 年真题:"说明螺纹连接机械防松的典型方法及其防松原理。"
→ 机械防松的典型方法:开口销与六角开槽螺母(开口销插入螺母槽与螺栓尾部孔中,直接阻止相对转动)、止动垫圈(垫圈的一耳弯入螺母槽,另一耳弯贴在被联接件上)、串联钢丝(钢丝穿过一组螺栓头部孔,使相互牵制)。
2024 年真题:"说明螺纹连接机械防松的典型方法及其防松原理。"
→ 机械防松的典型方法:开口销与六角开槽螺母(开口销插入螺母槽与螺栓尾部孔中,直接阻止相对转动)、止动垫圈(垫圈的一耳弯入螺母槽,另一耳弯贴在被联接件上)、串联钢丝(钢丝穿过一组螺栓头部孔,使相互牵制)。

记忆口诀:摩擦防松、机械防松、永久防松。

Q3:螺纹联接的预紧目的是什么?如何控制预紧力?(2013、2022、2024 年原题)

螺纹联接的预紧目的: (1)增强联接的可靠性和紧密性:使接合面间产生足够的压紧力,防止接合面出现缝隙或相对滑移(受横向载荷的普通螺栓联接靠预紧力产生的摩擦力承载)。

(2)提高螺栓的疲劳强度:适当的预紧力可使螺栓在承受工作载荷后应力幅减小,从而改善疲劳性能。

控制预紧力的方法: - 测力矩扳手(测力矩法)——根据拧紧力矩控制预紧力,最常用;

  • 定力矩扳手(限力矩扳手)——力矩达到设定值时自动打滑;

  • 测量螺栓伸长量——精度最高,适用于大型重要联接;

  • 测量螺母转角(转角法)——由贴合后再拧转一定角度控制预紧力;

  • 采用测力垫圈(电阻应变片法等)直接测预紧力。

注意:拧紧力矩 T ≈ 0.2 F₀·d(F₀ 为预紧力,d 为螺纹公称直径)。

Q4:螺栓组联接结构设计的目的是什么?应考虑哪些主要问题?(2021 年原题)

螺栓防松的基本原理是防止螺纹副相对转动。按原理分为三类: (1)摩擦防松(利用螺纹副间的摩擦力):对顶螺母(双螺母)、弹簧垫圈、自锁螺母(尼龙圈锁紧螺母)、弹性圈螺母。

(2)机械防松(用止动元件直接防止相对转动):开口销与六角开槽螺母、止动垫圈(带耳止动垫圈)、串联钢丝。

(3)永久防松(破坏螺纹副、不可拆):端铆、冲点、点焊、粘接。

答题要点:三类原理必须齐全,每类至少写出 2~3 种具体方法。

Q5:改善螺纹牙上载荷分布不均的方法有哪些?(2010、2024 年考点)

2025 年、2026 年简答题原题:"提高螺栓连接强度的措施有哪些?"

标准答案(四大类,按 2025 年真题答案原文): ① 改善螺纹牙上载荷分布不均程度

  • 采用悬置螺母(使螺母各圈螺纹受力均匀)

  • 采用内斜螺母(环槽螺母)

  • 采用钢丝螺套

  • 采用减小螺母螺距的方法

2023 年填空题:"采用悬置螺母可以改善 ____。"→ 螺纹牙上载荷分布不均(使各圈螺纹牙受力趋于均匀)。

② 减小螺栓应力幅

  • 减小螺栓刚度 Cb:增加螺栓长度、减小螺栓光杆直径、采用空心螺栓、在螺母下加弹性元件

  • 增大被联接件刚度 Cm:采用刚度大的垫片(避免使用软垫片如橡胶垫片)、增加被联接件厚度

  • 在变载荷下,减小应力幅可显著提高疲劳强度

③ 减小附加弯曲应力

  • 加工出沉头座

  • 采用斜垫圈(斜面垫圈)

  • 采用球面垫圈(自动调心)

  • 保证被联接件表面平整且与螺栓轴线垂直

④ 采用合理的制造工艺

  • 采用冷镦(滚压)螺纹,使金属纤维连续,提高疲劳强度

  • 表面强化处理(喷丸、滚压)

  • 热处理(调质)

  • 减小应力集中(增大螺纹根部圆角)

2023 年填空题:"冷镦和滚压能改善螺纹疲劳强度的原因是 ____。"→ 使金属纤维组织连续,且表面产生残余压应力,同时降低了表面粗糙度、减少了应力集中。
2024 年真题答案:"采用悬置螺母、内斜螺母、钢丝螺套改善载荷分布;减小螺栓刚度(增加螺栓长度)、增大被联接件刚度(用刚度大的垫片)减小应力幅;加工出沉头座、采用斜垫圈、球面垫圈减小附加弯曲应力;采用合理制造工艺。"

记忆口诀:"改善分布、减小应力幅、减小附加弯曲、合理工艺"(四句十六字)。

原因:螺纹牙的变形导致各圈螺纹牙受力不均。

  • 拧紧后,螺栓受拉、螺母受压。

  • 螺栓的螺距增大,螺母的螺距减小(或螺栓螺距伸长大、螺母压缩)。

  • 因此,靠近支承面(螺母下端)的第一圈螺纹牙受力最大(约占总载荷的 1/3),往上各圈逐渐减小。

  • 实验表明:第 1 圈承担约 34%,第 2 圈约 23%,第 3 圈约 15%……前 3 圈约承担 70%。

Q6:为什么采用悬置螺母能改善螺纹牙载荷分布?(2023 年填空)

悬置螺母的下部(与螺栓旋合部分)悬空,螺母受拉,其变形方向与螺栓一致,从而使各圈螺纹牙的变形差减小,载荷分布趋于均匀。

Q7:滑动螺旋传动的主要失效形式是什么?基本尺寸如何确定?(2021 年原题)

2021 年简答题原题:"滑动螺旋传动的主要失效形式是什么?其基本尺寸(即螺杆直径和螺母高度)通常是根据什么条件确定的?"

标准答案: 主要失效形式: 1. 螺纹牙面的磨损(最主要)—— 由于牙面间相对滑动

  1. 螺杆与螺母的塑性变形

  2. 螺杆的断裂(受拉或受压)

  3. 螺杆的失稳(受压时,细长螺杆可能失稳)

  4. 螺母凸缘的断裂

基本尺寸的确定依据: - 螺杆直径(内径 d1)主要由耐磨性条件确定(限制压强 p),必要时校核强度、稳定性

螺母高度H由耐磨性条件确定:p = F/(pid2 · h · z) ≤ [p],其中z = H/P为螺纹圈数

一般取螺母高度H = φ · d2,φ为螺母高度系数,φ = 1.2 ∼ 2.5

常用螺纹类型: - 矩形螺纹:传动效率最高,但强度低、难精确制造、对中性差 → 用于传力

  • 梯形螺纹:效率较高,强度好,对中性好 → 最常用于传动

  • 锯齿形螺纹:单向传动,兼有矩形和梯形优点

  • 三角形螺纹:自锁性好 → 用于联接

Q8:铰制孔螺栓与普通螺栓有何区别?为什么能承受更大的横向载荷?(2023 年填空、2022 年选择)

铰制孔螺栓与普通螺栓的区别: (1)结构不同:普通螺栓的螺栓杆与孔之间有间隙(一般为 1~2 mm);铰制孔螺栓的螺栓杆与孔采用基孔制过渡配合(H7/m6、H7/n6 等),杆与孔直径相同、配合紧密,孔需铰制加工。

(2)受力方式不同:普通螺栓靠预紧后在接合面间产生的摩擦力传递横向载荷,螺栓受拉伸;铰制孔螺栓靠螺栓杆的剪切和杆与孔壁的挤压传递横向载荷,螺栓受剪切与挤压。

(3)承载能力:铰制孔螺栓能承受更大的横向载荷——因为直接由杆的剪切和挤压承载,效率高;而普通螺栓靠摩擦力承载需要很大的预紧力,在同样横向载荷下螺栓直径和联接尺寸都更大。

(4)适用场合:铰制孔螺栓适用于承受较大横向载荷、需要精确对中或受变载荷的联接;普通螺栓适用于一般联接。

5.4 本章易错点与陷阱

易错点 正确理解
1.3 是安全系数 ❌ 1.3 是考虑扭转切应力的影响系数
增大螺栓刚度能提高疲劳强度 ❌ 应减小螺栓刚度、增大被联接件刚度
Cb/(Cb+Cm) 越大越好 ❌ 应尽量小,以减小螺栓总拉力 F2
预紧力越大越好 ❌ 过大会使螺栓过载、被联接件压溃
三角形螺纹用于传动 ❌ 三角形螺纹自锁性好,用于联接;梯形螺纹用于传动
转动一圈移动一个螺距 ❌ 移动一个导程(= 线数 × 螺距)
普通螺栓靠螺栓杆受剪传力 ❌ 普通螺栓靠接合面摩擦力传力;铰制孔螺栓才靠受剪
弹簧垫圈属于机械防松 ❌ 弹簧垫圈属于摩擦防松
开口销属于摩擦防松 ❌ 开口销属于机械防松
倾覆力矩改变接合面正压力 ❌ 倾覆力矩不改变接合面总正压力,只使一侧增大一侧减小
BGM夢の歩みを見上げて