螺纹紧固件联接工程

 

本书概述了在螺纹联接的设计和评估时应注意的基本原理及相关事项。内容包括螺纹联接设计的基本过程、螺纹联接的故障现象、螺纹联接的原理、螺纹联接设计中所涉及的知识、联接设计可靠性测试过程中需要注意的事项、导致螺纹联接故障原因的关键点、螺纹联接检查方法以及常用的螺栓、螺母之外的其他紧固件的联接方法；详细介绍了螺纹联接设计计算实例。为便于理解，本书尽可能避免了偏重于严密性的细致描述以及特殊情况的记述，把理解螺纹联接的通用基础知识作为目标。

本书的内容是作者在丰田汽车公司长期工作所获得的知识和经验。

目录

序

译者的话

前言

第1章螺纹联接设计的基本

过程1

第2章螺纹联接的故障现象3

21拧紧过程中的故障3

22拧紧过程后的故障4

23故障的特点和原因5

第3章螺纹紧固件的基本

原理7

31螺纹紧固件的力学原理7

311斜面原理7

312紧固扭矩与螺栓轴向预紧力

之间的关系8

313螺栓轴向预紧力与螺栓、被

联接件的弹性变形之间的

关系12

314外加载荷和施加在螺栓上的

载荷之间的关系14

315螺栓和被联接件的弹簧

常数19

32螺纹紧固件的装配24

321轴向预紧力作用下螺栓的

屈服24

322扭矩（紧固）法27

323塑性区紧固法29

324其他装配方法31

33螺栓的静态失效32

331螺栓的拉伸断裂32

332螺栓的剪切断裂32

34螺栓的疲劳断裂33

341疲劳断裂33

342螺纹的疲劳断裂34

343偏心载荷作用下的系统

形变图35

344螺纹的疲劳极限36

35螺纹失效38

36螺栓的延迟断裂43

37被联接件的分离45

38被联接件的滑动46

39螺栓松动47

391旋转松动47

392非旋转松动57

393防松措施67

310螺纹规格72

3101螺纹的基本形状72

3102螺纹牙底的形状73

3103外螺纹的应力面积73

3104支承面面积74

3105螺栓和螺母的力学性能74

3106螺栓头下圆角半径76

第4章螺纹联接设计方法77

41确定作用在机器（系统或部件）

上的载荷78

42计算作用在螺纹联接系统上的

载荷79

43将螺纹联接系统上的载荷分解成

剪切载荷分量、拉伸载荷分量

和偏心量79

44防止各种问题发生的研究79

441与剪切载荷Ws有关的

研究79

442（纯）拉伸载荷的研究83

443偏心拉伸载荷的研究85

45螺栓尺寸、螺栓强度和紧固扭矩

的确定86

46对过度拧紧和应力腐蚀开裂的

研究88

47使用样件进行功能验证试验89

第5章螺纹联接可靠性评价

方法90

51样品的条件90

52试验载荷91

521概述91

522保证载荷91

523防滑保证载荷91

524防松保证载荷91

525防分离保证载荷92

526防疲劳保证载荷92

527温度92

53故障分析迹象92

531是否拧紧92

532螺栓失效原因93

533松动及其原因研究93

54故障特征99

541剪切载荷作用下的旋转

松动99

542拉伸载荷作用下的螺栓

疲劳断裂100

543蠕变（应力松弛）引起的

松动100

55松动的测量方法101

551残余扭矩的测量方法101

552螺栓和螺母的松动角度测量

方法102

553弹簧垫圈上升量测量

方法103

554检查旋转和滑动存在的

方法103

555残余轴向预紧力的测量

方法104

56轴向预紧力的测量方法104

561使用超声轴向预紧力测

量仪的方法104

562使用螺栓贴应变片的测量

方法106

563使用压力传感器的方法108

57螺纹紧固件摩擦系数的测量

方法109

571样品109

572测量装置109

573拧紧速度110

574螺纹摩擦系数、支承面摩擦

系数和总摩擦系数的

计算110

螺纹紧固件联接工程目录第6章螺纹联接的检查方法113

61紧固扭矩和检查扭矩之间的

关系113

62紧固扭矩的检查114

63紧固扭矩的监测和记录114

64根据轴向预紧力进行的检查114

第7章各类螺纹紧固件的

使用116

71垫片116

711垫片的承载表面功能117

712垫片的隔离功能117

713弹簧垫圈的弹簧功能118

714垫片的必要性120

72双头螺柱120

73自攻螺钉121

74止动部件122

741螺纹阻力型止动123

742机械式止动124

743支承面阻力型止动125

744胶粘剂125

745如何评价止动部件的

性能125

75双螺母128

76粗牙螺纹和细牙螺纹128

77支承面角度129

第8章螺纹设计计算实例131

81承受剪切载荷的联接系统：曲轴

和飞轮之间的联接131

82承受扭转载荷的联接系统：曲轴

和带轮之间的联接137

83承受偏心拉伸载荷的联接系统：

连杆和连杆盖之间的联接145

84承受惯性力的联接系统：安装

计算机152

85承受一次性大冲击载荷的联接

系统：安全带肩带固定器的

安装156

86电气功能件的联接系统：车窗

玻璃电动升降器的安装162

87暴露于高温下的联接系统：

排气歧管和排气管之间的

联接166

第9章为进一步理解螺纹紧固件

进行的计算练习171

附录185

附录A附图185

附图1~6六角头螺栓（粗牙）

的T-F-μ-σy

图185~188

附图7~12六角法兰面螺栓（细

牙）的T-F-μ-σy

图188~191

附图13~18小六角头螺栓（细牙）的T-F-μ-σy

图191~194

附录B附表194

附表1螺纹中径、底径、应力面积

（As）和牙底横截面积（A3）

一览表194

附表2外螺纹零件（粗牙和细牙

螺纹）轴向拉伸试验中

小屈服载荷196~197

附表3材料的临界面压198

附表4支承面积Aw（小值）和

应力面积As比值表199

附表5支承面等效摩擦直径

dw200

附表6接触面的摩擦系数201

附表7不同材料的热膨胀系数α、

弹性模量E和剪切

模量G201

附表8推荐的螺纹临界啮合

长度值203

附表9从维氏硬度值获得的钢铁

材料（光滑试样）强度值

的估算203

附录C符号列表204

参考文献207

前言几乎所有装置都会使用螺纹紧固件，所以螺纹紧固件联接技术是确保机械系统可靠性的重要技术之一。

因为频繁使用，螺纹紧固件已成为标准化的部件之一，也就是说，可以根据螺栓的尺寸（名义直径、长度、头部形状等）及其强度等级创建零件目录表，需要时，只要从目录表中选择适合的螺栓即可。因此，即使螺栓本身的具体形状和强度还未按其功能和强度要求来确定，那也可以通过“选择”就“设计”出来，所以说螺栓是非常方便设计的零部件。

如果选择是在完整的设计计算之后进行，并且注意到了细节，那是没有问题的。但实际上很多情况下只是进行了简单的选择。例如，在很多情况下，选择往往只是基于直觉或者感觉、与类似产品或成功机型相比较以及模仿知名的和/或深受欢迎的产品。如果选择了过高性能的螺栓，不会出现什么问题；但如果选择了可能会导致松动、损坏或泄漏的螺栓，则可能会导致设备在使用期间出现故障，有时会出现更加严重的后果。

此外，也许因为螺纹紧固件是太常见的零部件，工程师们往往不会特别关注螺纹紧固件，尤其是当他们设计或拧紧螺纹紧固件时。

即使要可靠地进行螺纹紧固件联接的设计，工程师们还不完全了解应当研究哪些方面的问题和如何去研究。因此，掌握螺纹紧固件联接的技术和知识往往是很困难的。

由于上述原因，仍然有许多与螺纹联接有关的技术问题还没有得到解决，其中有一些是反复出现的问题。

基于上述背景，为了提高螺纹联接的可靠性，本书概述了在螺纹联接的设计和评估时应注意的基本原理及其他相关事项。

在本书中，第１章首先介绍了螺纹联接设计的基本过程，这样能对螺纹联接设计的整个过程有所了解。第2章列举了“螺纹联接的故障现象”，明确了螺纹联接系统设计时必须研究的项目。通过在开端部分就清楚地罗列出螺纹联接的所有故障现象，让读者知道在螺纹联接系统的设计和测试时要做的事情。第3章介绍了螺纹联接的原理，以及简明地叙述了螺纹联接设计中所涉及的知识。第4章使用了第3章给出的基本结论，对在一个具体的螺纹联接设计过程中如何避免第2章描述的所有螺纹联接故障现象进行了详细说明。第5章介绍了联接设计可靠性测试过程中需要注意的事项，分析了导致螺纹联接故障原因的关键点。第6章简要说明了螺纹联接检查方法；第7章简要介绍了常用的螺栓、螺母之外的其他紧固件的联接方法；后，第8章和第9章详细介绍了螺纹联接设计计算实例。

为便于理解，尽可能避免了偏重于严密性的细致描述以及例外事项的记述，把理解螺纹联接的通用基础知识作为目标。要了解更多细节和螺纹联接的基本知识，请参阅参考文献。

螺纹紧固件联接工程前言第3章“螺纹紧固件的基本原理”涉及许多在以往出版的其他文献中介绍过的内容。其他章节所介绍的重要的知识，是作者在丰田公司长期工作经验的积累，而这些章节的内容没有被其他以往发表的文献系统地描述过。如上面所提到的，根据个人的知识和经验确定第1章和第2章的内容和安排，以后章节的顺序是先理解基本过程，然后了解有关螺纹联接的所有故障和主要问题的解决。希望读者在读了这本书后，能够加深对螺纹联接本质的理解，提高设计和评价的质量，解决许多故障的根源，进而提高螺纹联接的可靠性。

在写本书过程中，作者参考了由Yamamoto编写的《螺纹联接的理论与计算》《螺纹联接的原理与设计》，由Yamamoto主编的《螺纹联接设计要点》，以及VDI 2230部分的部分内容，在这里对他们表达我衷心的感谢和敬意。

本书的内容是我在丰田汽车公司长期工作所获得的知识和经验，这里要感谢丰田汽车公司允许这本书的出版。此外，在此我还要感谢丰田汽车公司的总经理酒井敏光先生，感谢他对本书的推荐出版和一直以来的大力支持。

本书献给我早逝于第二次世界大战的父亲、悉心指导我成长的母亲和一直坚定不移支持我的贤淑妻子。

作者