有效提升螺纹连接强度的方法

制造时，螺栓与螺母的螺距是相等的，但受工作载荷时，螺栓受拉，螺距增大；螺母受压，螺距减小。而螺栓与螺母的螺纹牙又是咬合在一起的，伸与缩的螺距变化差主要靠旋合各圈的螺纹牙的变形来补偿。如图1-12a所示，以紧靠支承面处第一圈螺纹变形为最大，因而受力也最大，其余各圈（螺距P）依次递减，旋合螺纹间的载荷分布如图1-12b所示。旋合圈数越多，受力不均匀程度越显著，到第8～10圈以后，螺纹牙几乎不受力。因此采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高连接的强度。

图1-12 螺纹牙的受力

图1-13 几种均载螺母的结构

解决办法：降低螺母的刚性，使之容易变形；增加螺母与螺杆的变形协调性，以缓和矛盾。

1.改善螺纹牙间载荷分布不均状况

1）悬置螺母。如图1-13a所示，此结构减小了螺母的刚度，使螺母的螺纹牙随螺杆的螺纹牙也受拉，与螺栓变形协调，使载荷分布均匀，可提高螺栓疲劳强度40%左右。

2）内斜螺母。如图1-13b所示，减小螺母受力大的螺纹牙的刚度，把力分移到受力小的螺纹牙上，载荷上移、接触圈减少，可提高螺栓疲劳强度20%左右。

3）环槽螺母。如图1-13c所示，减小了螺母下部的刚度，使螺母接近支承面处受拉且富于弹性，可提高螺栓疲劳强度30%左右。

4）内斜螺母与环槽螺母结合而制造的新型螺母。综合了二者的优点，可提高螺栓疲劳强度40%左右。

5）螺栓与螺母采用不同材料匹配。通常螺母用弹性模量低且较软的材料，例如钢螺栓配非铁金属螺母，能改善螺纹牙受力分配，可提高螺栓疲劳强度40%左右。

2.减小应力幅σ_a

当螺栓所受的最大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度越高。如图1-14所示，在总拉力F₀一定时，减小螺栓刚度c₁或增大被连接件刚度c₂，都能达到降低应力幅的作用。但是，预紧力也应相应地增大。

图1-14 减小螺栓应力幅的措施

工程上减小螺栓刚度c₁可采用的措施有：采用细长杆的螺栓、柔性螺栓（即部分减小螺杆直径或中空螺栓）、在螺母下边放弹性垫等，如图1-15所示，在螺母下边放弹性垫就相当于起到柔性螺栓的效果，可达到减小螺栓刚度c₁的目的。

工程上增大被连接件刚度c₂可采用的措施有：采用高硬度垫片，如图1-16所示。

图1-15 螺母下放弹性垫(www.xing528.com)

图1-16 采用高硬度垫片

3.减小应力集中

螺纹牙根、收尾、螺栓头部与螺栓杆的过渡处等均可能产生应力集中，采取加大过渡处圆角的措施，可提高螺栓的疲劳强度20%～40%；在螺纹收尾处采用退刀槽等都可以减小应力集中。目前，航天、航空用的螺纹采用新发展的MJ螺纹，就是采用增大牙根圆角半径的方法减小应力集中。

高强度钢的螺栓对于应力集中比较敏感，但是由于强度高，可以用更大的预紧力拧紧，总的效果还是有利的，所以一些重要的场合仍然应用。

4.减小附加应力

螺栓的弯曲应力对螺栓的断裂起到关键作用，因此减小附加应力主要指如何减小弯曲应力。产生弯曲应力的原因是：螺栓的轴线与被连接件表面不垂直，因此设计时必须保证螺栓的轴线与被连接件表面垂直，例如铸造表面不可以直接安装螺栓，必须加工平整，常用的方法是在铸造表面有螺栓连接的地方采用凸台或沉孔，如图1-17c、d所示。同时，还可以采用如图1-17a、b、e所示的一些方法使螺杆减小附加弯曲应力应力。

图1-17 减免弯曲应力的方法示例

5.采用合理的制造工艺

制造工艺对螺栓的疲劳强度有重要影响，采用滚压法制造螺栓，由于冷作硬化作用，表层存在残余压应力，金属流线合理，与车制螺纹相比，疲劳强度可提高30%～40%。如果热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，螺栓的疲劳强度可提高70%～100%，此法具有优质、高产、低消耗功能。

喷丸、碳氮共渗、氮化等工艺能使螺栓表面冷作硬化，表层有残余压应力，可明显提高螺栓的疲劳强度。

控制单个螺距误差和螺距累积误差、增大预紧力F′等也可提高螺栓的疲劳强度。

螺栓组受力分析框图见图1-18，螺栓连接的受力分析和强度计算见表1-8。

图1-18 螺栓组受力分析框图

表1-8 螺栓连接的受力分析和强度计算