螺紋牙型完整解析:60°三角牙、55°惠氏牙、梯形牙與圓形牙比較
螺紋牙型(Thread Profile)是機械連接與傳動設計中的核心幾何要素,直接影響螺紋的強度、密封性、摩擦係數與承載能力。常見牙型包含 60° 三角牙(ISO / UN)、55° 惠氏牙(Whitworth)、梯形牙(Trapezoidal / ACME)與圓形牙(Round Thread),每種牙型在角度、牙頂與牙根圓角設計上皆有不同標準。正確選擇螺紋牙型,能有效提升加工精度、延長使用壽命並確保結構可靠性。
圖表中55°牙型如標示為「威氏螺紋」，即正文所稱之「惠氏螺紋(Whitworth)」，為同一標準之不同譯名。
一、螺紋牙型基本概念
螺紋牙型指螺紋的截面形狀(Thread Cross Section),核心幾何參數包含牙角(Thread Angle)、螺距(Pitch, P)、牙高(Height, H),以及牙頂與牙根圓角(Crest & Root Radius)。
二、常見螺紋牙型分類
依牙角與用途,常見螺紋牙型可分為四大類:
| 牙型 | 牙角 | 優點 | 應用 |
|---|---|---|---|
| 60° 三角螺紋(ISO / UN) | 60°(30°+30°) | 通用性高、易加工、精度穩定 | 機械結構、螺栓螺帽 |
| 55° 惠氏螺紋(Whitworth) | 55°(27.5°+27.5°),牙頂牙根為圓弧 | 降低應力集中、提高耐疲勞性 | 英制設備、管路連接 |
| 梯形螺紋(Tr / ACME) | 30°(ISO Tr)或 29°(ACME),平頂設計 | 高承載能力、適合傳動用途 | 導螺桿、機械驅動 |
| 圓形螺紋(Round Thread) | 圓弧牙型 | 抗衝擊、不易卡屑 | 食品設備、消防設備 |
三、內螺紋 vs 外螺紋差異
同一牙型在內外螺紋上的幾何略有不同,兩者需配合設計以確保間隙配合、密封效果與強度匹配。
| 類型 | 加工位置 | 牙型特徵 |
|---|---|---|
| 外螺紋(External) | 加工於軸外部 | 牙底要留圓角,小徑切得比內螺紋小徑深 |
| 內螺紋(Internal) | 加工於孔內 | 小徑處(牙頂)削平,不去填外螺紋牙底的圓角 |
以 ISO 公制螺紋為例,內外螺紋的基本牙型都是 60°。外螺紋小徑比內螺紋小徑多切約 0.144P,恰好等於牙底圓角半徑:外螺紋牙底要有圓角才不會從尖角疲勞斷裂,內螺紋牙頂則不能去填那個圓角,否則兩者會在牙底干涉。
四、牙型幾何設計重點
牙角、圓角與螺距是牙型設計的三大關鍵:牙角大小影響受力方式與用途(60° V 泛用、梯形/ACME 小牙角以對稱大接觸面利於傳動與承載);牙頂牙根圓角可降低應力集中、延長壽命;螺距越大移動越快、越小則定位越精密。
| 參數 | 影響 |
|---|---|
| 牙角 | 大角度→強度高;小角度→傳動效率佳 |
| 圓角設計 | 降低應力集中、延長壽命 |
| 螺距(Pitch) | 大螺距→快速移動;小螺距→精密定位 |
五、牙型選型建議與比較
依需求選擇牙型:高精度用 ISO / UN;高強度用惠氏螺紋(圓角設計);傳動用途用梯形 / ACME;惡劣環境用圓形螺紋。各螺紋標準的加工參數見〈外螺紋加工參數指南〉與〈內螺紋加工參數指南〉;螺紋種類總覽見〈螺紋種類總覽〉。車刀片帶不帶修光刃是刀片的設計,與牙型無關,怎麼選見〈螺紋車刀片怎麼選〉。
| 類型 | 角度 | 特性 | 用途 |
|---|---|---|---|
| ISO / UN | 60° | 通用 | 螺絲 |
| Whitworth | 55° | 抗疲勞 | 管件 |
| Tr / ACME | 30° / 29° | 傳動 | 螺桿 |
| Round | 曲面 | 抗衝擊 | 食品設備 |
六、梯形與愛克姆螺紋的尺寸怎麼算
梯形 Tr 與愛克姆 ACME 的基本牙高都是螺距 P 的一半,所以中徑與小徑可以直接由公稱直徑與螺距算出:
| 項目 | 梯形 Tr(公制) | 愛克姆 ACME(美制) |
|---|---|---|
| 牙角 | 30°(半角 15°) | 29°(半角 14.5°) |
| 基本牙高 | 0.5P | 0.5P |
| 中徑 | 公稱直徑 − 0.5P | 公稱直徑 − 0.5P |
| 小徑(基本尺寸) | 公稱直徑 − P | 公稱直徑 − P |
| 間隙 | 大徑、小徑處都留間隙 ac,中徑處不留 | 裕度加在牙深上,依螺距查表 |
例:Tr20×4 的中徑＝20 − 0.5×4＝18 mm,基本小徑＝20 − 4＝16 mm;外螺紋實際小徑還要再減掉兩倍間隙 ac,ac 依螺距查表。ISO 2903 建議的公差等級:內螺紋 7H、8H、9H,外螺紋 7e、8e、8c、9c。
兩者只差 1°,但分屬公制與美制,間隙算法也不同,車刀與量規都不能互用。梯形車刀怎麼磨見〈螺紋車刀怎麼磨〉。
常見問題 FAQ
Q:60° 三角牙和 55° 惠氏牙差在哪?
60° 三角牙(ISO/UN)牙角較大、通用性高、易加工、精度穩定,是最普遍的機械結構螺紋;55° 惠氏牙(Whitworth)牙頂牙根為圓弧,可降低應力集中、耐疲勞性佳,常見於英制設備與管路連接。
Q:傳動用途要選什麼牙型?
傳動用途建議選梯形螺紋(ISO Tr 30° 或 ACME 29°),平頂設計、承載能力高,適合導螺桿與機械驅動。牙角較小有利於傳動效率,並以對稱大接觸面提供高承載,適合導螺桿與機械驅動。
Q:內螺紋和外螺紋牙型一樣嗎?
基本牙型相同,以 ISO 公制為例都是 60°;差在牙底:外螺紋牙底要留圓角,小徑比內螺紋小徑多切約 0.144P,內螺紋小徑處則是削平的,不去填那個圓角。惠氏、UNJ/MJ 航太螺紋等標準對牙底圓角另有規定,以該標準為準。
Q:牙頂牙根做圓角有什麼好處?
牙頂與牙根圓角可降低應力集中,提高耐疲勞性、延長使用壽命,對承受交變負載的連接尤其重要。惠氏螺紋與航空用 UNJ 都採圓角設計以強化疲勞強度。
發布日期:2026-07-23｜最後更新:2026-10-12
本主題的完整導讀見〈螺紋加工完整導讀〉。
