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[日] 酒井智次 著，柴之龙 译

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• 螺纹紧固件
• 联接工程
• 机械设计
• 结构工程
• 紧固技术
• 连接计算
• 材料力学
• 工程力学
• 设计手册
• 工业应用

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111521570

版次：1

商品编码：11907613

品牌：机工出版

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-04-01

用纸：胶版纸

页数：209

内容简介

　　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。

内页插图

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
2.1拧紧过程中的故障3
2.2拧紧过程后的故障4
2.3故障的特点和原因5
第3章螺纹紧固件的基本
原理7
3.1螺纹紧固件的力学原理7
3.1.1斜面原理7
3.1.2紧固扭矩与螺栓轴向预紧力
之间的关系8
3.1.3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
3.1.4外加载荷和施加在螺栓上的
载荷之间的关系14
3.1.5螺栓和被联接件的弹簧
常数19
3.2螺纹紧固件的装配24
3.2.1轴向预紧力作用下螺栓的
屈服24
3.2.2扭矩（紧固）法27
3.2.3塑性区紧固法29
3.2.4其他装配方法31
3.3螺栓的静态失效32
3.3.1螺栓的拉伸断裂32
3.3.2螺栓的剪切断裂32
3.4螺栓的疲劳断裂33
3.4.1疲劳断裂33
3.4.2螺纹的疲劳断裂34
3.4.3偏心载荷作用下的系统
形变图35
3.4.4螺纹的疲劳极限36
3.5螺纹失效38
3.6螺栓的延迟断裂43
3.7被联接件的分离45
3.8被联接件的滑动46
3.9螺栓松动47
3.9.1旋转松动47
3.9.2非旋转松动57
3.9.3防松措施67
3.10螺纹规格72
3.10.1螺纹的基本形状72
3.10.2螺纹牙底的形状73
3.10.3外螺纹的应力面积73
3.10.4支承面面积74
3.10.5螺栓和螺母的力学性能74
3.10.6螺栓头下圆角半径76
第4章螺纹联接设计方法77
4.1确定作用在机器（系统或部件）
上的载荷78
4.2计算作用在螺纹联接系统上的
载荷79
4.3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
4.4防止各种问题发生的研究79
4.4.1与剪切载荷Ws有关的
研究79
4.4.2（纯）拉伸载荷的研究83
4.4.3偏心拉伸载荷的研究85
4.5螺栓尺寸、螺栓强度和紧固扭矩
的确定86
4.6对过度拧紧和应力腐蚀开裂的
研究88
4.7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
5.1样品的条件90
5.2试验载荷91
5.2.1概述91
5.2.2最大保证载荷91
5.2.3防滑保证载荷91
5.2.4防松保证载荷91
5.2.5防分离保证载荷92
5.2.6防疲劳保证载荷92
5.2.7温度92
5.3故障分析迹象92
5.3.1是否拧紧92
5.3.2螺栓失效原因93
5.3.3松动及其原因研究93
5.4故障特征99
5.4.1剪切载荷作用下的旋转
松动99
5.4.2拉伸载荷作用下的螺栓
疲劳断裂100
5.4.3蠕变（应力松弛）引起的
松动100
5.5松动的测量方法101
5.5.1残余扭矩的测量方法101
5.5.2螺栓和螺母的松动角度测量
方法102
5.5.3弹簧垫圈上升量测量
方法103
5.5.4检查旋转和滑动存在的
方法103
5.5.5残余轴向预紧力的测量
方法104
5.6轴向预紧力的测量方法104
5.6.1使用超声轴向预紧力测
量仪的方法104
5.6.2使用螺栓贴应变片的测量
方法106
5.6.3使用压力传感器的方法108
5.7螺纹紧固件摩擦系数的测量
方法109
5.7.1样品109
5.7.2测量装置109
5.7.3拧紧速度110
5.7.4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
6.1紧固扭矩和检查扭矩之间的
关系113
6.2紧固扭矩的检查114
6.3紧固扭矩的监测和记录114
6.4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
7.1垫片116
7.1.1垫片的承载表面功能117
7.1.2垫片的隔离功能117
7.1.3弹簧垫圈的弹簧功能118
7.1.4垫片的必要性120
7.2双头螺柱120
7.3自攻螺钉121
7.4止动部件122
7.4.1螺纹阻力型止动123
7.4.2机械式止动124
7.4.3支承面阻力型止动125
7.4.4胶粘剂125
7.4.5如何评价止动部件的
性能125
7.5双螺母128
7.6粗牙螺纹和细牙螺纹128
7.7支承面角度129
第8章螺纹设计计算实例131
8.1承受剪切载荷的联接系统：曲轴
和飞轮之间的联接131
8.2承受扭转载荷的联接系统：曲轴
和带轮之间的联接137
8.3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
8.4承受惯性力的联接系统：安装
计算机152
8.5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
8.6电气功能件的联接系统：车窗
玻璃电动升降器的安装162
8.7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）轴向拉伸试验中最
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（最小值）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/序言

　　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最重要技术之一。
　　因为频繁使用，螺纹紧固件已成为最标准化的部件之一，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；最后，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第一目标。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第一部分的部分内容，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

现代结构工程中的新型复合材料与结构设计 本书聚焦于二十一世纪结构工程领域最前沿的研究方向之一：高性能复合材料在大型土木和机械结构中的应用、设计方法与性能评估。 本书旨在为结构工程师、材料科学家、研究生以及相关行业的专业人士提供一份全面、深入且具有前瞻性的技术参考资料。我们摒弃了传统结构力学教材中对单一材料（如钢、混凝土）的过度依赖，转而深入探讨如何利用纤维增强复合材料（FRP）、智能复合材料以及先进纳米材料的独特优势，构建更轻质、更耐久、更具环境适应性的现代基础设施和关键工程构件。 --- 第一部分：复合材料的本构关系与微观力学基础 (约400字) 本部分为理解复合材料的复杂行为奠定了理论基石。我们从细观尺度出发，详细解析了纤维、基体及其界面相互作用对宏观力学性能的影响。 1. 纤维增强复合材料（FRP）的各向异性建模： 深入探讨了层合板理论（Classical Lamination Theory, CLT）的局限性与改进，引入三维本构关系，特别是针对斜交铺层和非线性粘弹性基体的应力应变描述。重点讲解了玻尔-傅里叶（Voigt-Reuss）模型、Hashin-Shtrikman 边界以及 Mori-Tanaka 模型的适用性边界。 2. 损伤容限与断裂韧性： 复合材料的失效模式远比金属复杂。本书详尽分析了基体开裂、纤维拔出、分层（Delamination）的微观机制。我们引入了基于能量释放率的断裂力学方法（如 GIC, Mode I/II 复合加载下的能量释放率计算），并结合 X 射线层析成像技术（X-ray Tomography）对损伤演化进行实时监测。 3. 热-湿-力耦合效应： 结构在实际服役环境中不可避免地暴露于温度和湿度的变化。本章阐述了复合材料中组分材料的热膨胀系数和吸湿膨胀差异如何导致内部残余应力，以及这些残余应力对结构疲劳寿命和抗蠕变性能的负面影响。我们提出了考虑环境因素的有效模量折减模型。 --- 第二部分：先进复合材料在结构设计中的应用 (约550字) 本部分将理论研究转化为实际工程应用，重点关注新型材料的选择、优化设计方法和全寿命周期评估。 1. 轻量化桥梁与高层建筑应用： 探讨了使用碳纤维增强聚合物（CFRP）和芳纶纤维增强聚合物（AFRP）作为主受力构件（如预应力梁、外包加固层）的设计规范和施工技术。重点分析了钢-复合材料混合结构（Hybrid Structures）的协同工作机制，以及如何利用其高比强度和耐腐蚀性实现结构寿命的显著延长。 2. 智能与自修复复合材料： 这一前沿章节介绍了嵌入式光纤传感器（FBG）网络在复合材料结构健康监测（SHM）中的应用。更进一步，我们详细介绍了基于微胶囊技术和形状记忆聚合物的自修复机制，分析了修复效率、修复次数对结构剩余承载力的影响，为实现“零维护”结构提供了理论指导。 3. 耐久性与环境退化分析： 复合材料的长期服役性能是设计中的关键挑战。本书深入分析了紫外线辐射、化学侵蚀（如氯离子渗透）以及长期静态荷载下的蠕变松弛现象。我们基于加速老化试验数据，构建了基于概率的结构剩余寿命预测模型，用以指导风险评估和维护周期确定。 4. 制造工艺与质量控制： 材料的最终性能高度依赖于制造过程。本部分详细对比了真空辅助树脂灌注（VARTM）、缠绕成型和自动铺放（AFP）等工艺对产品内部孔隙率、纤维体积分数和界面质量的影响，并介绍了超声波无损检测（UT）在评估大型复合材料构件内部缺陷中的最佳实践。 --- 第三部分：数值模拟与优化设计方法 (约550字) 本部分着重于先进的计算力学工具，以应对复合材料高度非线性和复杂的几何形态。 1. 有限元分析（FEA）的特殊处理： 传统商业软件中对复合材料单元（如壳单元、实体单元）的输入参数处理往往过于简化。本书提供了详细指导，说明如何精确输入正交各向异性材料属性，并使用子层建模技术（Sub-ply Modeling）来准确模拟分层和界面失效。特别关注了在涉及大变形的分析中，如何使用非线性几何理论（如大变形理论）来修正应力分布。 2. 拓扑优化与多目标设计： 结构设计的最终目标是效率最大化和成本最小化。我们引入了基于密度的拓扑优化方法，结合复合材料的铺层设计自由度，实现结构在特定载荷工况下的材料最优布局。这包括对刚度、重量和制造成本进行的多目标帕累托前沿分析，帮助工程师在不同约束条件下做出最优选择。 3. 接触与碰撞模拟： 在涉及复合材料构件与其他材料（如金属连接件）的接触区域，应力集中现象显著。本书介绍了基于罚函数法和增广拉格朗日法的接触算法，以及如何模拟复合材料在冲击载荷下的侵蚀（Erosion）模型，这对于车辆碰撞安全结构和设备防护设计至关重要。 4. 尺度效应与本构模型的验证： 复合材料的性能表现出明显的尺寸效应。本章强调了如何通过系统化的试验设计（DOE）来验证数值模型，特别是在进行尺度扩展时，如何从试样级数据可靠地推算至构件级乃至结构级的性能预测。我们还讨论了随机有限元方法在处理材料不确定性方面的应用。 --- 本书的特色在于，它不仅深入剖析了复合材料的内在力学特性，更强调了从材料科学、制造技术到先进数值模拟的完整工程链条的有机结合，为读者提供了面向未来基础设施建设的综合性知识体系。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计实在是太吸引人了，封面那种深邃的蓝色调，配上银色的烫金字体，一股浓厚的专业气息扑面而来，让人一拿到手就忍不住想翻开看看里面到底藏着怎样的宝藏知识。尤其是那个封面的纹理处理，仿佛真的能触摸到精密机械的质感，这对于我们这些常年和工程图纸打交道的工程师来说，简直是莫大的诱惑。我本来是抱着随便翻翻的心态，想找点基础的参考资料，但没想到，光是阅读前言和目录，我就被作者对螺纹紧固件这个看似寻常却又至关重要的领域的深入剖析所折服了。作者似乎非常注重理论与实践的结合，从材料学的基本属性讲起，层层递进，将复杂的受力分析和失效模式讲得条分缕 আখ，逻辑严密得像一件高精度的瑞士钟表。这本书的排版也极为讲究，图文并茂，那些复杂的应力分布图和疲劳曲线图都清晰锐利，即便是初学者也能迅速把握住重点，这比市面上很多那种晦涩难懂的教科书要友好得多，让人在阅读过程中感到非常顺畅和愉悦，根本停不下来。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，用一个词来形容就是“沉浸式学习”。作者的叙述风格非常具有亲和力，他似乎非常懂得如何将枯燥的机械原理转化为生动的案例。例如，在解释螺纹啮合过程中剪切应力和拉伸应力的协同作用时，他没有使用过于复杂的数学推导，而是通过一个非常形象的比喻——讲述一座古老桥梁的铆钉是如何在岁月的侵蚀下逐渐疲劳的，这种叙事手法一下子就让抽象的力学概念变得具体可感。我发现自己经常在阅读时会不自觉地在脑海中模拟那些力作用的过程，甚至会拿起桌上的圆珠笔拧一拧，体会那种阻力的变化。这种“手脑并用”的学习状态，极大地提高了我的信息吸收效率。对于那些希望快速入门，但又不想牺牲深度理解的学习者来说，这本书简直是完美的桥梁。它没有降低标准，而是用更聪明的方式帮你达到了标准。

评分☆☆☆☆☆

我得说，这本书的深度远超出了我的预期，它根本不是那种浮于表面的“速成指南”，而是一部真正意义上的工程“圣经”。我尤其欣赏其中关于“预紧力控制与扭矩系数修正”那一章节的论述，作者没有仅仅停留在查表计算的层面，而是详细阐述了温度、润滑剂状态乃至装配人员操作习惯对最终紧固效果的连锁反应。这部分内容对于我们解决实际生产线上的批次性连接失效问题提供了极其宝贵的思路。我记得有一次我们某个关键部件的螺栓在长期震动下频繁松动，传统的做法往往是增加垫圈或者换用更强的胶水，但这本书提供了一种基于概率统计和动态松动理论的系统性解决方案，让我们从根本上解决了问题，而不是头痛医头脚痛脚。这种超越常规的系统性思维和对细节的极致追求，体现了作者深厚的工程底蕴和实践经验，读完后感觉自己的知识体系一下子得到了极大的拓宽和升华，对“紧固”这个动作有了全新的、近乎哲学的理解。

评分☆☆☆☆☆

从图书馆借到这本书后，我做的第一件事就是把它带到了工作室里，把它放在我的工作台旁边，像一本工具书一样随时翻阅。与其他偏向理论推导的参考书不同，这本书最大的价值在于其对“工况适应性”的强调。书中花了很大篇幅讨论了极端环境下的螺纹连接问题，比如超低温环境下的材料脆性变化、高真空环境下的螺纹蠕变，以及在强酸碱腐蚀介质中如何选择合适的表面处理工艺和螺纹防咬死技术。我尤其对“螺纹紧固件的寿命预测与维护窗口设定”那一章印象深刻，书中提供的基于实际运行数据的模型，帮助我们从被动的“坏了再修”转变为主动的“预测性维护”。这不仅仅是一本关于如何拧紧螺母的书，它更像是一部关于如何设计、管理和维护关键机械系统的全景指南。它的实用性已经远远超越了书名本身所暗示的范畴，是每一个负责关键设备长期可靠性的工程师书架上不可或缺的宝贵资源。

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