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机械设计基础：第 251–260 页

机械设计基础 课堂笔记
摩擦防松
• 通过摩擦力实现防松
• 对顶螺母（双螺母）：两个螺母一起使用，拧紧时两螺母之间产生压力，从而产
生摩擦力实现防松；结构简单，适用于平稳低速场合
– 类比：自行车坐板与机架之间用两个螺母可显著减少松动
• 弹性圈螺母：在螺纹旋入处嵌入尼龙或纤维等非金属件，起防松作用（与带非
金属嵌件螺母原理相同）
例
自行车坐板与机架之间为螺纹连接，若只配一个螺母，颠簸时易松动；改用两
个螺母（对顶螺母）后松动可能性明显减小。
注意
弹性圈螺母的防松原理与带非金属嵌件螺母相同，都是在螺纹旋入处嵌入尼龙
或纤维等非金属材料，而非依靠金属弹性。
防松的引入：水龙头与生料带
• 水龙头（螺栓）与墙体（螺母）配合，缠白色生料带（尼龙或纤维薄带）后不易
漏水
• 生料带在机械中起到防松作用，使螺栓与螺母配合更紧
• 引出弹性圈螺母、弹簧垫圈等防松元件
弹簧垫圈防松
• 弹簧垫圈不是完全闭合的环形，首尾有开口，且上下有段距离
• 装配时先垫到接触面，拧紧螺母时把垫圈压平
• 靠垫圈压平产生的弹性反力使旋合螺纹间被压紧
• 结构简单、使用方便，但弹力不均匀，防松效果较差，用于不太重要的场合
例
弹簧垫圈防松法：在螺栓头或螺母与被连接件结合面之间加入弹簧垫圈，依靠
被压平后始终存在的弹力起防松作用。
Study Notes 251 / 344 先看条件，再套公式

机械设计基础 课堂笔记
自锁螺母防松
• 螺母一端制成非圆形收口或开口（径向收口）
• 拧紧后收口涨开，利用收口弹力使旋合螺纹间压紧
• 结构简单、防松可靠、可多次装拆，可用于较重要的连接
定义
自锁螺母：一端具有非圆形收口或开口收口的螺母，旋入外螺纹后收口被撑开，
对外螺纹施加径向弹力实现防松。
摩擦防松与机械防松的区分
• 摩擦防松：靠摩擦力防松（弹簧垫圈、双螺母、自锁螺母等）
• 机械防松：靠机械结构防松（开口销、止动垫片、串联钢丝等）
• 考试常给图要求判断属于摩擦防松还是机械防松，需重点区分
注意
开口销、止动垫片等属于机械防松，不能归入摩擦防松。判断时看是否依靠机
械结构（销、垫片折边、钢丝）实现制约。
开口销与六角开槽螺母防松
• 六角开槽螺母有槽，螺栓尾部加工出小孔
• 拧紧后，开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽
• 将开口销尾部掰开折 90 度，与螺母侧边镶紧
• 属于机械防松， 防松可靠性高， 但使用不便， 适用于防松要求高、 单件或小批量
场合
注意
开口销销孔需要在螺母拧紧后配钻，属于机械防松，不是摩擦防松。
止动垫片（双耳止动垫圈）防松
• 垫片垫到被连接件位置，两侧有突出的” 耳”
• 螺栓拧紧后，将垫片两侧折 90 度：一侧贴紧螺栓头，一侧贴紧被连接件（或螺
母边）
• 通过机械结构实现防松，防松可靠，但结构复杂、空间要求高、装配繁琐
• 适用于防松要求高、有容纳空间且小批量使用的场合
例
双耳止动垫圈防松法：利用止动垫圈的两个耳分别与螺栓头（或螺母）和连接
件贴紧来实现防松。
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机械设计基础 课堂笔记
圆螺母与带齿垫片防松
• 垫片有外翅（凸出部分）和内齿（内翅）
• 拧紧螺母后，外翅折 90 度嵌入螺母的槽内
• 内齿（内翅）嵌入螺栓（或轴）上的槽内
• 内外同时折入槽中，使结构更紧密，实现防松
定义
圆螺母与带齿垫片：垫片内翅嵌入螺栓（或轴）槽内，拧紧螺母后外翅折嵌入
螺母内槽，实现机械防松。
串联钢丝防松
• 螺栓/螺钉常成组使用（如轴承盖螺栓 6 个或 4 个均布）
• 在螺钉头中穿孔，用钢丝将各螺钉头串联在一起
• 各螺钉相互制约，实现防松
• 防松可靠，适用于螺栓组防松
注意
钢丝穿绕方向与螺纹旋向有关：右旋螺纹对应特定的钢丝穿绕方向。
破坏性防松：冲点、焊接、铆接、粘接
• 冲点：拧紧后用冲点破坏螺纹（螺牙） ，实现防松，防松可靠，适用于防松要求
高、不需拆卸的场合
• 焊接：将螺母与被连接件（或螺栓与螺母）焊接在一起，不可拆
• 铆接：拧紧后将螺栓杆末端外部铆死，适用于低强度螺栓且不需拆卸的场合
• 粘接： 在螺纹处涂粘接剂， 靠固化作用固定内外螺纹， 使用简单、 成本低廉， 但
防松性能与粘接剂性能有关
注意
焊接、铆接、粘接均为不可拆的破坏性防松方法，与摩擦防松、机械防松不同。
双螺母防松
• 在原单螺母基础上增加一个锁紧螺母，两个螺母对顶拧紧、互相压迫
• 结构简单、使用方便，主要用于低速重载和载荷平稳的场合
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机械设计基础 课堂笔记
螺纹连接强度计算概述
• 螺纹连接类型：螺栓连接、螺钉连接、双头螺柱连接、紧定螺钉、自攻螺钉等
• 以螺栓连接为代表进行强度计算
• 螺栓连接常成组使用 （如轴承盖螺钉均布） ， 设计思路是先找到受载最大的螺栓，
再进行强度计算
• 螺纹连接件已标准化，结构尺寸按等强度原则和经验确定
• 设计时先根据强度确定螺纹小径，再按标准确定螺纹规格
定义
螺栓连接强度计算：先确定受载最大的螺栓，根据强度确定螺纹小径 d₁，再
按标准选取螺纹规格。
螺栓连接的失效形式
• 普通螺栓连接：受拉力，失效形式为塑性变形、断裂，经常拆卸还可能滑扣
– 用静力或疲劳拉伸强度进行设计或校核
• 铰制孔螺栓连接：螺栓杆与孔为过盈或过渡配合，受剪切力
– 失效形式为螺栓杆被剪断，或螺杆/被连接件孔壁被压溃
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机械设计基础 课堂笔记
– 需校核剪切强度和挤压强度
注意
普通螺栓受拉力（拉伸） ，铰制孔螺栓受剪切力（剪切+ 挤压） ，失效形式不同，
强度计算内容也不同。
松螺栓连接强度计算
• 装配时不需要拧紧螺母，无预紧力（如起吊装置的吊钩螺栓，拧紧会影响滑轮
运转）
• 受轴向工作载荷 F，危险截面为螺纹小径处
• 强度计算为拉伸应力：
定义
松螺栓连接强度：σ = F / (πd₁²/4) ，其中 d₁ 为螺纹小径，F 为轴向工作载荷。
紧螺栓连接强度计算（只受预紧力）
• 有预紧力 F₀，拧紧力矩作用下螺栓受拉应力
• 螺纹副摩擦阻力矩同时产生剪切应力
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机械设计基础 课堂笔记
• 螺栓处于拉应力 + 剪应力的组合应力（弯扭组合变形）状态
• 用第三或第四强度理论进行强度计算
注意
紧螺栓连接在预紧力作用下同时受拉应力和剪应力，是组合应力状态，不能只
按拉伸计算。
定义
紧螺栓连接强度计算：用第四强度理论综合拉应力与剪应力，工程上按拉伸强
度将预紧力增加 30% 来考虑剪切应力影响，即计算应力 σ = 1.3F₀ / (πd₁²/4) 。
11 月 05 日
螺纹连接回顾：矩形螺纹与非矩形螺纹的自锁
• 矩形螺纹的自锁条件：λ ≤ ρ （λ 为螺纹升角，ρ 为摩擦角）
• 非矩形螺纹的自锁条件：λ ≤ ρv （ρv 为当量摩擦角）
• 当量摩擦角与当量摩擦系数相关，当量摩擦系数 fv = f / cos β ，其中 β 为牙侧角
• 牙侧角是螺纹的基本参数之一
定义
当量摩擦角 ρv： 将非矩形螺纹的摩擦问题等效为矩形螺纹处理时引入的摩擦角，
其对应的当量摩擦系数 fv = f / cos β ，β 为牙侧角。
连接螺纹与传动螺纹
• 连接螺纹：主要考虑自锁，采用牙形角较大的螺纹，如三角螺纹（普通螺纹）
• 传动螺纹：主要考虑效率，包括矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹
注意
连接螺纹与传动螺纹的选择依据不同： 连接螺纹重自锁 （牙形角大） ， 传动螺纹
重效率（牙形角小） 。不要混淆两者的选用场合。
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机械设计基础 课堂笔记
螺纹连接的类型
• 螺栓连接：普通螺栓连接、铰制孔（加强杆）螺栓连接
• 螺钉连接：其中一个被连接件较厚，不能加工通孔
• 双头螺柱连接：其中一个被连接件较厚
• 紧定螺钉连接
• 注意区分各类型的结构特点及适用场合
预紧与防松
• 预紧目的：增强连接的可靠性、紧密性及防松能力
• 预紧力用 Q0 表示
• 当受到冲击、振动或温度升高时，预紧力可能突然消失，需采取防松措施
定义
防松：防止螺旋副（内螺纹与外螺纹相互配合构成）发生相对转动的措施。
• 摩擦防松：对顶螺母、弹性圈螺母、弹簧垫圈、自锁螺母
• 机械防松：开口销和六角开槽螺母、带齿垫片、止动垫片、串联钢丝
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机械设计基础 课堂笔记
注意
摩擦防松与机械防松是两大类防松措施，要能区分并掌握各自特点。摩擦防松
靠摩擦力，机械防松靠机械结构直接限制相对转动。
螺栓组强度计算的基本思路
• 螺栓通常成组使用，且一般为偶数（2、4、6、8⋯）
• 强度计算时，先找出受载最大的螺栓，再针对该单个螺栓进行强度计算
• 设计时以强度计算为基础反推出螺纹小径 d1，再查表选定标准螺栓
螺栓连接的失效形式
• 普通螺栓连接：失效形式为螺纹塑性变形或断裂，用拉伸强度（疲劳拉伸强度）
校核
• 加强杆 （铰制孔） 螺栓连接： 受剪切作用， 失效形式为螺栓杆被剪断或被连接件
孔壁被压溃，用剪切强度、挤压强度校核
Study Notes 258 / 344 先看条件，再套公式

机械设计基础 课堂笔记
注意
普通螺栓连接与加强杆螺栓连接的失效形式不同，校核强度也不同。普通螺栓
按拉伸强度，加强杆螺栓按剪切强度和挤压强度。
松螺栓连接的强度计算
• 松螺栓连接：使用前不预紧，如起重机吊环（吊钩）螺栓连接
• 受轴向载荷 Q，危险截面为螺纹小径 d1 对应的截面
• 强度条件：σ = Q / (π ·d1²/4) ≤ [σ]
例
起重机吊环（吊钩）的螺栓连接不能拧紧，否则无法正常启动，属于松螺栓连
接，只需按轴向载荷计算拉伸强度。
紧螺栓连接的强度计算
• 紧螺栓连接：使用前需预紧，拧紧时产生拧紧力矩
• 螺栓受预紧力 Q0 产生的拉应力，以及螺纹副摩擦力矩产生的剪切应力（扭转）
• 螺栓实际承受拉伸 + 扭转的复合应力
Study Notes 259 / 344 先看条件，再套公式

机械设计基础 课堂笔记
定义
螺纹副：内螺纹与外螺纹相互配合构成的螺旋副，即螺栓与螺母的配合。
• 对 M10∼M68 钢制普通螺栓，按拉伸强度计算，但需考虑扭转剪切应力
• 在拉应力基础上乘以 1.3 倍来计入扭转剪切应力
注意
公式中的 1.3 倍是计入扭转剪切应力的系数，即在拉应力基础上放大 30% 以考
虑剪切影响。这与工程力学中单纯拉伸计算不同，务必标记。
• 强度条件：σ = 1.3 ·Q0 / (π ·d1²/4) ≤ [σ]
• 设计公式（反推小径） ：d1 ≥ √(4×1.3×Q0 / (π ·[σ]))
横向载荷与轴向载荷
• 轴向载荷：沿螺栓轴线方向的载荷（拉伸）
• 横向载荷：与螺栓轴线方向相垂直的载荷
注意
要区分轴向载荷与横向载荷： 轴向载荷沿轴线方向， 横向载荷垂直于轴线方向。
两者对应的强度计算方式不同。
受横向载荷的普通螺栓连接（紧螺栓连接）
• 普通螺栓连接特点： 两个被连接件较薄， 打通孔， 孔比螺栓杆大， 两者之间有间
隙（无配合）
• 受横向载荷时，靠接合面间的摩擦力平衡，防止被连接件发生相对滑移
• 预紧力公式与摩擦系数 f、预紧力 Q0、接合面数 m、螺栓个数 Z 有关
定义
接合面数 m：被连接件之间的接触面数量。m=1 表示两个被连接件（1 个结合
面） ；m=2 表示三个被连接件（2 个结合面） 。
• 摩擦力需足够大以抵抗横向载荷，引入防滑系数（可靠性系数）K
• 预紧力 Q0 计算后，代入紧螺栓连接强度公式：σ = 1.3 ·Q0 / (π ·d1²/4) ≤ [σ]
• 同样可反推出小径 d1 的设计公式
Study Notes 260 / 344 先看条件，再套公式

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