一种等载荷且非等距螺纹连接副的制作方法

本发明涉及一种等载荷且非等距螺纹连接副，属于非标紧固件领域。

背景技术：

1、螺栓连接结构(包括螺栓和螺母)是较为常用的连接方式，广泛的应用于机械和建筑领域，目前传统螺纹连接副的内、外螺纹的螺距相等且为定值p，在螺纹连接副承受载荷时，外螺纹承受拉力伸长，内螺纹承受压力压缩，靠近支撑面(以螺栓和螺母为例，支撑面为螺母的用于压紧被连接件的端面，也即支撑面为内、外螺纹旋合区域的终止位置处的端面，相反的另一端面为起始位置处的端面)处的外螺纹伸长量变大，远离支撑面的外螺纹伸长量小，这就造成螺纹连接副的轴向载荷主要由靠近支撑面的前三扣螺纹承担，使前三圈螺纹出现显著的应力集中现象，进而容易产生断裂。

2、目前已有技术方案采用内螺纹螺距大于外螺纹螺距(即内螺纹为渐变螺距螺纹)，使内、外螺纹作用时，远离支撑面的螺纹先接触，并使后续螺纹依次接触，从而提高远离支撑面的螺纹牙的承载力，减小靠近支撑面的螺纹牙的承载力，从而降低靠近支撑面的前三扣螺纹牙底的应力集中现象。例如申请公布号为cn101796312a的中国发明专利申请公开的一种具有可变间隙的螺纹连接，该方案虽然在一定程度上提升了各圈螺纹的应力均匀性，但是按照其内、外螺纹的螺距差δp从旋合区域的起始位置到终止位置逐渐减小的变化趋势进行模拟仿真，可以得出其应力均匀性并不完美，如表1所示为按照对比文件中内、外螺纹的螺距差变化趋势所设计的具体螺纹参数，图1为对比文件中螺纹连接副在一定轴向载荷作用下的应力云图，图中由上到下(即由起始位置到终止位置)螺纹圈数n'逐渐增大，可以看出起始位置和终止位置处存在较大的应力集中，中间区域内、外螺纹未发生咬合，对应的是由起始位置到终止位置各圈螺纹所受到的载荷并不均匀。因此，上述技术方案仍有很大的改善空间。

3、表1对比文件cn101796312a中具体螺纹参数

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技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种等载荷且非等距螺纹连接副，以解决现有螺纹连接副的各圈螺纹所受载荷不均匀的问题。

2、为实现上述目的，本发明中的等载荷且非等距螺纹连接副采用如下技术方案：

3、一种等载荷且非等距螺纹连接副，包括内螺纹和外螺纹，内螺纹和外螺纹的其中一个为恒定螺距螺纹，另外一个为渐变螺距螺纹，内螺纹螺距大于外螺纹螺距，从内、外螺纹旋合区域的起始位置开始，内、外螺纹的螺距差随着螺纹圈数的增加逐渐增大，且在第一圈之后增大的趋势呈线性增长。

4、上述技术方案的有益效果在于：本发明提出一种改进型的等载荷且非等距螺纹连接副，其中从内、外螺纹旋合区域的起始位置开始，内、外螺纹的螺距差随着螺纹圈数的增加逐渐增大，且在第一圈之后增大的趋势呈线性增长，与现有技术中螺距差从起始位置到终止位置逐渐减小而言，本发明中螺距差的变化趋势与之截然不同，经分析验证，本发明的等载荷且非等距螺纹连接副的载荷均匀性更好。

5、进一步地，定义恒定螺距螺纹的螺距为p，则任意n'圈数的恒定螺距螺纹的长度为l1＝n′p，任意n'圈数的渐变螺距螺纹的长度为l2＝n′p±l，|l2-l1|＝l，l为渐变螺距螺纹的长度调整量，且满足其中：n为内、外螺纹旋合区域的总圈数，0≤n'≤n，k为常数且0.8＜k＜10，kc＝0.001～0.02，k4为载荷系数且0＜k4＜1。

6、上述技术方案的有益效果在于：给出了渐变螺距螺纹的长度调整量l的具体计算公式，便于的螺纹的设计和加工制造。

7、进一步地，根据k4、kc、k的取值范围，限定

8、上述技术方案的有益效果在于：在满足螺纹连接副正常使用工况的条件下，设计了渐变螺距螺纹的长度调整量l的上限，便于螺纹的加工制造。

9、进一步地，外螺纹为恒定螺距螺纹，内螺纹为渐变螺距螺纹，且内螺纹以基础螺纹牙型为基础通过调整螺距得到，调整时保持基础螺纹牙型不变，在内螺纹牙底处增加过渡结构，过渡结构的宽度为渐变螺距螺纹的螺距调整量δp，δp即为内、外螺纹的螺距差，δp＝∑δl，其中：∑δl为相互配合的一圈外螺纹的总伸长量和内螺纹的总压缩量之和。

10、上述技术方案的有益效果在于：以一圈外螺纹的总伸长量和内螺纹的总压缩量之和来表征螺距调整量δp，建立了理论研究基础。

11、进一步地，计算δp的过程包括以下内容：

12、(一)将内、外螺纹旋合区域的外螺纹简化成等效受力圆柱体，根据胡克定律以及等效受力圆柱体的外圆柱面的伸长量小于等效受力圆柱体的平均伸长量，求出以起始位置为起点任意n'圈数外螺纹的总伸长量其中：k1为定值且0＜k1＜1；ew为外螺纹材料的弹性模量；a1为外螺纹的应力截面积；n为等效受力圆柱体在终止位置截面处承受的轴向载荷，轴向载荷n的方向由起始位置截面指向终止位置截面；

13、(二)将内、外螺纹旋合区域的内螺纹简化成等效受力空心圆柱体，根据胡克定律以及等效受力空心圆柱体的内圆柱面的压缩量大于等效受力空心圆柱体的平均压缩量，求出以起始位置为起点任意n'圈数内螺纹的总压缩量其中：k2为定值且k2＞1；en为内螺纹材料的弹性模量；a2为等效受力空心圆柱体的截面积；fn为等效受力空心圆柱体在终止位置截面处承受的轴向载荷，轴向载荷fn的方向由终止位置截面指向起始位置截面；

14、(三)由内、外螺纹受力平衡关系可知fn＝n，因此

15、(四)当1＜n'≤n时，渐变螺距螺纹的螺距调整量δp为一圈螺纹长度内的螺纹变化量δl之和，即：由此可知δp是关于n'的一次函数，因此δp在1＜n'≤n范围内呈线性增长；当0＜n'≤1时，渐变螺距螺纹的螺距调整量δp为不足一圈螺纹长度内的螺纹变化量δl之和，即：由此可知δp是关于n'的二次函数，因此δp在0＜n'＜1范围内呈非线性增长。

16、上述技术方案的有益效果在于：给出了δp的具体求解过程，根据计算结果可知δp在0≤n'≤n范围内为增函数，即δp随着螺纹圈数n'的增加而增大，但在第一圈之后增大的趋势呈线性增长。

17、进一步地，令ewa1与ena2的比值为k3，且令k＝k1+k2k3，将渐变螺距螺纹的螺距调整量δp的公式简化为：并将渐变螺距螺纹的长度调整量l的公式简化为：

18、上述技术方案的有益效果在于：将δp和l的公式简化，便于螺纹的设计和加工制造。

19、进一步地，对于其中n＝k4σa1＜σa1，k4为载荷系数且0＜k4＜1，σ为外螺纹材料的屈服强度，即n＝k4σa1＜σa1，故令进而得出

20、上述技术方案的有益效果在于：进一步简化l的公式。

21、进一步地，过渡结构的纵截面为直线段。

22、上述技术方案的有益效果在于：结构简单，方便加工制造。

技术特征：

1.一种等载荷且非等距螺纹连接副，包括内螺纹和外螺纹，内螺纹和外螺纹的其中一个为恒定螺距螺纹，另外一个为渐变螺距螺纹，内螺纹螺距大于外螺纹螺距，其特征在于，从内、外螺纹旋合区域的起始位置开始，内、外螺纹的螺距差随着螺纹圈数的增加逐渐增大，且在第一圈之后增大的趋势呈线性增长。

2.根据权利要求1所述的等载荷且非等距螺纹连接副，其特征在于，定义恒定螺距螺纹的螺距为p，则任意n'圈数的恒定螺距螺纹的长度为l1＝n′p，任意n'圈数的渐变螺距螺纹的长度为l2＝n′p±l，|l2-l1|＝l，l为渐变螺距螺纹的长度调整量，且满足其中：n为内、外螺纹旋合区域的总圈数，0≤n'≤n，k为常数且0.8＜k＜10，kc＝0.001～0.02，k4为载荷系数且0＜k4＜1。

3.根据权利要求2所述的等载荷且非等距螺纹连接副，其特征在于，根据k4、kc、k的取值范围，限定

4.根据权利要求2或3所述的等载荷且非等距螺纹连接副，其特征在于，外螺纹为恒定螺距螺纹，内螺纹为渐变螺距螺纹，且内螺纹以基础螺纹牙型为基础通过调整螺距得到，调整时保持基础螺纹牙型不变，在内螺纹牙底处增加过渡结构，过渡结构的宽度为渐变螺距螺纹的螺距调整量δp，δp即为内、外螺纹的螺距差，δp＝∑δl，其中：∑δl为相互配合的一圈外螺纹的总伸长量和内螺纹的总压缩量之和。

5.根据权利要求4所述的等载荷且非等距螺纹连接副，其特征在于，计算δp的过程包括以下内容：

6.根据权利要求5所述的等载荷且非等距螺纹连接副，其特征在于，令ewa1与ena2的比值为k3，且令k1+k2k3＝k，将渐变螺距螺纹的螺距调整量δp的公式简化为：并将渐变螺距螺纹的长度调整量l的公式简化为：

7.根据权利要求6所述的等载荷且非等距螺纹连接副，其特征在于，对于其中n＝k4σa1＜σa1，k4为载荷系数且0＜k4＜1，σ为外螺纹材料的屈服强度，故令进而得出

8.根据权利要求4所述的等载荷且非等距螺纹连接副，其特征在于，过渡结构的纵截面为直线段。

技术总结
本发明提供了一种等载荷且非等距螺纹连接副，属于非标紧固件领域。等载荷且非等距螺纹连接副包括内螺纹和外螺纹，内螺纹和外螺纹的其中一个为恒定螺距螺纹，另外一个为渐变螺距螺纹，内螺纹螺距大于外螺纹螺距，从内、外螺纹旋合区域的起始位置开始，内、外螺纹的螺距差随着螺纹圈数的增加逐渐增大，且在第一圈之后增大的趋势呈线性增长，与现有技术中螺距差从起始位置到终止位置逐渐减小而言，本发明中螺距差的变化趋势与之截然不同，经分析验证，本发明的等载荷且非等距螺纹连接副的载荷均匀性更好。

技术研发人员：王自强,杨中桂,都军民,白洁,丁永春,孟德明,张永,李梦晗,赵智垒,王志敏
受保护的技术使用者：中船海为高科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19