提高螺栓连接强度的有效方法

影响螺栓强度的因素很多，主要涉及螺纹牙受力分布、应力幅、应力集中、附加弯曲应力和制造工艺等方面。提高强度的措施有以下几点。

1.改善螺纹牙受力分布

即使是制造和装配精确的螺栓和螺母，传力时各旋合圈螺纹牙的受力也是不均匀的。如图10.19（a）所示，当连接受载时，螺栓受拉，螺距增大；反之，螺母受压，螺距减小。这种螺距变化差主要靠各旋合圈螺纹牙的变形来补偿。由图10.19（b）可知，从螺母支承面算起，第一圈螺纹变形最大，因而受力也最大，以后各圈递减。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。所以，采用圈数过多的加高螺母，并不能提高连接强度。

图10.19　螺纹牙的受力

（a）旋合螺纹的变形示意；（b）螺纹牙受力分布

为改善螺纹牙受力分布，可采用悬置螺母结构[见图10.20（a）]，让螺母螺纹由受压变为与螺栓螺纹一样受拉，从而减小螺距变化差，可提高螺栓疲劳强度达40%；内斜螺母[见图10.20（b）]使螺栓螺纹牙受力面自上而下逐渐外移，因此，螺栓旋合段下部螺纹牙（原受力较大）受力容易变形，从而把力向上转移到原受力较小的螺纹牙上，可提高螺栓疲劳强度达20%；环槽螺母[见图10.20（c）]，螺母下部受拉且富于弹性，故可提高螺栓疲劳强度达30%。这些结构特殊的螺母，由于制造成本高，所以只有在重要或大型的连接中才使用。

图10.20　使螺纹牙受力分布较均匀的螺母结构

（a）悬置螺母；（b）内斜螺母；（c）环槽螺母

有色金属材料软、弹性模量低，故钢螺栓配有色金属螺母，可使螺纹牙受力分布得以改善，提高螺栓疲劳强度达40%。

2.降低应力幅

在变载荷作用下，当螺栓最大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度越高。在工作拉力F和剩余预紧力F″不变的情况下，减小螺栓刚度或增大被连接件刚度都能达到减小应力幅的目的，但预紧力应随之增大。

为了减小螺栓的刚度，可适当增大螺栓的长度或采用图10.21所示的腰状杆螺栓或空心螺栓。在螺母下安装弹性元件，如图10.22所示，可取得与腰状杆螺栓或空心螺栓相似的效果。

图10.21　腰状杆螺栓与空心螺栓

图10.22　弹性元件

为了增大被连接件的刚度，不宜采用刚度小的垫片。比较图10.23（a）、（b）所示的两种紧密连接，显然以用密封环为佳。

图10.23　两种密封方案的比较

（a）用密封垫片；（b）用密封环(www.xing528.com)

3.减轻应力集中

螺纹的牙根、收尾以及螺栓头部与杆交接处，均有应力集中现象，是产生断裂的危险部位，尤其在旋合螺纹的牙根处，栓杆受拉，而螺纹牙受弯曲和剪切且受力不均，情况更加严重。适当增大牙根圆角半径以降低应力集中，可提高螺栓疲劳强度20%～40%；在螺纹收尾处开退刀槽、在螺栓头部和栓杆交接处加大圆角半径或切制卸载槽，都对减轻应力集中有良好效果。

4.避免或减小附加弯曲应力

制造和装配存在误差或设计不当时，会使螺栓受到附加弯曲应力，如图10.24所示，这严重降低了螺栓强度，应设法避免。几种减小或避免附加弯曲应力的结构如图10.25所示。

图10.24　附加弯曲应力

图10.25　使栓杆减免弯曲应力的措施举例

（a）采用球面垫圈；（b）采用斜垫圈；（c）采用凸台；（d）采用沉头座

5.采用合理的制造工艺

采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺方法，较之切削工艺方法可显著提高螺栓疲劳强度。这是因为除可降低应力集中外，冷镦和滚压工艺使材料纤维未被切断，金属流线走向合理，而且有冷作硬化的作用，表层有残余压应力。实践证明，滚压螺纹的疲劳强度可较车制螺纹提高30%～40%；热处理后再滚压，效果更好。

氮化、氰化、喷丸等工艺都能提高螺栓疲劳强度。