CN101883928A - 通过置入可纵向自变螺距的螺钉或螺杆在构件内产生系统的自应力分配 - Google Patents

Abstract

一种紧固构件和/或使用螺钉或螺杆将力导入构件内的方法。所用的螺钉或螺杆具有可变螺距的螺纹，其可在构件内生成自应力分配，并至少适于降低构件在载荷时出现的复合应力中的最大值。

Description

通过置入可纵向自变螺距的螺钉或螺杆在构件内产生系统的自应力分配

技术领域

本发明涉及一种紧固构件，和/或使用螺钉或螺杆将力导入构件内的方法。该方法是借助螺钉或螺杆把第一部件固定在第二部件上。此外还涉及一种螺钉或螺杆的使用，一种使用所属计算机程序设计螺钉或螺杆的方法。此外，本发明还涉及螺钉或螺杆。

背景技术

在现有的技术水平下，螺钉或螺杆无非是用来连接构件，导入或导出构件内的载荷，或紧固构件。在所有这些应用中，连接中的复合应力演变对因连接所能达到的载荷水平的高度有决定性的影响。当然，复合应力的演变与其耦连的材质、构件和螺钉或螺杆的弹性系数及嵌入的长度都有关系。但就失灵载荷而言，通常起关键作用的是所出现的最大复合应力，它在构件与螺钉或螺杆间的最大延伸差区内可以调节。

发明内容

本发明的任务是改进构件与螺钉或螺杆之间的连接，以便在载荷较高时能达到比现有技术水平更安全、更有抵抗力的连接。

根据权利要求1或10所述的方法，其任务是解决根据权利要求16所述的螺钉或螺杆及权利要求13所述的应用这种螺钉或螺杆的方法。有关优点的进一步描述在所属的权利要求中都有说明。

按照本发明的一方面，说明了一种用来紧固构件和/或使用螺钉或螺杆向构件中导入力的方法。这种螺钉或螺杆有可变螺距的螺纹，以便在构件内产生自应力分配。它至少适于把构件承受载荷时出现在螺钉或螺杆与构件之间的复合应力中的最大值降低。螺钉或螺杆可以是自攻丝。

由于螺距可变，因此在把螺钉或螺杆拧入构件时，不仅是构件，连螺钉或螺杆都会产生预应力，也就是本文所说的“自应力”。这个自应力也就是一种仅通过可变螺距，而无须向构件施加外力而产生的应力。这个自应力在螺钉或螺杆与(还未载荷的)构件之间特别生成了一种复合力τ_ES。

因为自应力的这个复合应力τ_ES只能归因于可变的螺距，所以，通过适当的设计这种螺纹，在某些范围内就可自由地规定螺距。根据本发明，螺纹的设计应便于自应力的复合应力τ_ES有演变，它至少从截面上看要与构件受载荷时产生的‘正常’复合应力τ相悖。因此，仅与τ的最大值相比，可以明显地降低从τ与τ_ES重叠时生成的、有效的或组合的复合应力中的最大值。这样，只有在承受更高载荷时才会出现连接失灵的状况。

螺纹的具体形状必须与受载荷连接中所预期的应力演变匹配。在实践中，还可以不同的方式，根据它的组合性的程度差异加以变通。

首先，可为某个特定用途设计一个适用的螺纹。比如设计一个木质大厅屋面结构，在作静力计算时就要考虑在木梁(如夹板梁)中作加固处理。采用本发明，就可以通过在后面会详述的分析计算，或采用有限元法(FEM)的计算机模拟，为该加固螺钉计算出受载荷时出现的复合应力。然后就能够为每个局部出现的应力分配设计出近乎完美的螺纹，以此来降低复合应力中的峰值，使本发明的潜能发挥到极致。然而，几乎每个定制设计的紧固螺钉量产肯定小，同传统的标准紧固螺钉相比，会提高这种紧固螺钉的成本。

本发明的另一个变通是，可为比标准应用生产标准化的螺钉或螺杆。比如用于载荷导入的连接复合应力通常都是呈双曲线演变。从原理上说，它对所有的螺钉连接都一样。通常来说，即便是在构件边缘上，复合应力的最大值也会出现在载荷导入点上。那在弹性系数一样、连接长度短时，复合应力的另一个最大值也可能会出现在紧固螺钉的切入端域内。因在不同的应用中，复合应力的演变类似，所以就能为特定的材料组合(比如：钢/木，钢/轻金属，钢/塑料)设计出标准的螺纹形状。它虽不能在所有的应用中穷尽本发明的全部潜能，但基本会导致组合的复合应力。与使用常态螺距的通用螺纹相比，它的最大值有明显的降低。

比如用来导入载荷的标准螺纹的优选外形就规定了一个可拧入构件中与构件相连接的连接螺纹截面。它有拧入用的第一导入端和第二端。其中在比邻第二端的那个连接螺纹截面的半段中，螺距示出了第一个局部极值。有了第一局部极值，就涉及到在向构件中导入压力时的最高值；如果导入的是拉力，就涉及到最低值。由于这个局部极值靠近连接的第二端，即靠近构件的边缘，这个受载荷的复合应力已知的最大值在连接螺纹截面的第二端面上是可以降低的。这在后面会举例详述。

上述的连接螺纹截面是确定连接用螺纹的一部份，而且螺纹形状是通过它的长度发挥作用。如果连接螺纹截面的长度统一规格，那所谓的第一局部极值就优选在0.6至0.9之间，而距离第一端优选为0.7至0.85.

此外，螺距能示出第二局部极值。它在比邻第一端的那半段，示出的曲率与该第一局部极值的曲率相反。如果第一局部的极值最大，那第二局部的极值就最小，反之亦然。通过这第二局部极值可以补偿因载荷出现在复合应力中的另一个最高值。它在连接螺纹截面的第一端，即在导入螺钉或螺杆的端区内。

第二局部极值优选在0.05至0.4的区间内，而距离连接螺纹截面的第一端特别优选为0.1至0.3。

在作紧固时，可按照本发明方法阐述的一些优点来使用螺钉或螺杆。这些螺杆或螺钉的螺距在临近第一端的区段，从第一端的p₀值降到了δp值附近。在中段则保持在p₀-δp值以下，在临近第二端的区段内又重新高于p₀-δp值。简单地说，这相当于螺纹演变。此时，螺距在连接螺纹截面的始末端都高，在中段则小，这意味着在中段的螺纹轮廓侧面相互靠的紧，因此构件是在中段被挤合的。

这种定性的例证在后面会用具体的计算加以细述。由于这样的螺纹形状，在要紧固的构件内部产生了几近恒定的压力，它对许多用法都有好处。

如果再假定，将连接螺纹截面的长度规格化，那第一和/或第二区间段的优选长度在0,07和0,35之间。特选在0,1和0,3之间，超选在0,15和0,25之间。

中段的螺距肯定不是恒定的。但要让它发挥预期的功效，它应能在小于±0,5δp左右，优选小于±0,3δp的区间内变动。

此外，在连接螺纹截面的第一和第二端上的螺距，相互间的偏差小于连接螺纹截面中螺距相互的全部变量的50％，优选小于30％，特选小于10％。在优选的一种结构形式中，螺距在连接螺纹截面的第一和第二端相互间排布的也相当紧凑，而在下面示出的结构范例中它们则基本相同。

本发明的另一个方面涉及的是借助螺钉或螺杆把第一部件固定到第二部件上的方法。本法所用的螺钉或螺杆的螺距可顺着螺钉或螺杆的纵向变化。如此就要确定螺距的变量。以使在第二部件拧螺钉时产生的应力分配比使用恒定螺距和相同紧固压力的螺钉均衡。在实施本发明时牵扯的也不是在施加外力时削弱复合应力，而是在紧固螺钉时在第二部件中产生的应力分配因重叠了一个合适的自应力分配而更为均衡。

本方法优选用于轻金属材料部件的连接，特别是含铝和锰的金属部件。比如采用本方法可以将气缸盖紧固到轻金属材质的发动机组上。做此类连接的问题是，轻金属在受到热负荷时就开始蠕变，会因此降低连接强度。蠕变的程度仍取决于应力强度。如果采用本发明的方法，在第二部件中形成的应力或连接应力比使用传统螺钉的更均衡，就能成功。蠕变效应也会大为降低。

有了这种应用技术，不妨对某一特定的用途的螺钉作精密设计，因为发动机的生产批量大，螺钉生产的批量也同样大，这就不必费力去测算应力分配和螺钉的结构了。

附图说明

本发明的其他优点和特征可从下面的叙述中获知。在叙述中，本发明可举例对所附的图形作详细地解释。其中：

图1和图2示出的是在导入压力或拉力时三个典型的连接应力的演变；

图3和图4示出的是在图1或图2状态下构件内轴向应力的演变；

图5和图6示出的是在图1或图2状态下构件内的张力演变；

图7和图8示出的是在图1或图2状态下螺钉的轴向应力演变；

图9和图10示出的是图1和图2状态下螺钉的张力；

图11和图12示出的是因自应力产生的、至少可部分补偿图1和图2复合应力最大值的适当的复合应力的演变；

图13和图14示出的是根据自应力而设计的螺纹的张力状况的演变；

图15和图16示出的是根据自应力而设计的构件内的轴向应力的演变；

图17和图18示出的是因受自应力与外部载荷时在构件内生成的轴向应力的演变；

图19和图20示出的是通过施加外力重叠了一个复合应力，又通过自应力重叠了一个复合应力所生成的组合连接应力的演变；

图21至26分别示出了组合连接应力与因载荷产生的连接应力之间的比较；

图27和图28示出的是导致以图11至图26为依据的自应力变化的螺距的演变；

图29示出的是用于设计紧固连接用的自应力分配的5个概算函数；

图30示出的是图29函数的一次导；

图31示出的是构件内、从图29和30的函数得出的5个自应力状况。

图32示出的是根据图31的自应力状况得知的构件内的张力演变；

图33示出的是图29至32状况因自应力而出现的连接应力演变；

图34示出的是生成了图33连接应力的螺距的演变。

具体实施方式

下面举两个实施例详述一下本发明的原理。第一例涉及的是通过螺钉或螺杆把载荷导入构件内。第二例涉及的是用螺钉或螺杆来紧固构件。为了简便，下面仅谈谈‘螺钉’，但是，这里所谈的一切对螺杆也同样适用。

在这两个范例中，作一次分析计算就可知道连接应力、螺钉的张力和轴向应力、构件的张力和轴向应力以及闭路形式下螺钉与构件之间的转差率等相关数值。因此，在计算时，可用所谓的备用气缸来代连接构件。此外，设计一个可变螺距的螺纹，至少可部分地补偿在受载荷时所出现的连接应力。

下面的推导和实施例则不只是用于说明本发明的原理，确切地说，在许多情况下已经能够运用下列图示中有完整分析的应力关系，与合适的螺距变量设计的解法在实践中来设计螺钉了。使用这种螺钉，就可以在受载荷时明显地降低最可能出现的连接应力，因此可提高失灵载荷。另外，还可以通过下述的分析推导，得知在典型载荷状态下的，如导入载荷和紧固时出现的表示特性的螺纹形状。所出现的连接应力也会明显地降低。

对于那些复杂的案例，即便有一套完整的解析法也不行。例如根据几何的或以材料为条件的非线性就只能用数字的方法，比如通过有限元法(FEM)推导出相应的结果。

下面先介绍一种用来得知受载荷时的连接应力和设计带可演变螺距的适用螺钉的数学工具。自其后的第2和3段中将运用这个数学工具，目的是为实例的载荷导入或紧固，设计出适用螺纹形状。

1.数学基础

根据本发明，规定了一种螺距或节距可顺螺钉纵向变化螺纹的螺钉。螺纹侧截面的重心立体演变可通过下面的主导曲线来给定参数：

$\mathrm{LK}\left(x\right)=\left(\begin{array}{c}f(x,{\mathrm{\τ}}_b\left(x\right),{\mathrm{\ϵ}}_t\left(x\right))\\ r\left(x\right)*\cos (x*\frac{l_b}{p0}*2\mathrm{\π})\\ r\left(x\right)*\sin (x*\frac{l_b}{p0}*2\mathrm{\π})\end{array}\right)---\left(1\right)$

在主导曲线中，采用了下述的变量：

x：标准长度，0≤x≤1

r(x)：侧截面的中心点半径

f(x，τ_b(x)，ε_t(x))：x-主导曲线的坐标

τ_b(x)：连接应力的演变

ε_t(x)：构件张力的演变

在上面的描述中，x坐标相当于螺钉的纵向。在传统的恒定螺距的螺钉中，主导曲线的函数f(x)也许就是x的线性函数。但在本发明中却反之，f的演变选择结果是，通过螺钉的可变螺距，在构件与螺钉间形成的连接中产生一个自应力，它与受载荷出现的连接应力作用相反。在受载荷时，至少连接应力的峰值会得到减缓。原来，这个适用函数f不仅是坐标x的函数，而且还与受载荷后所预期的连接应力τ_b(x)和受载荷时的构件张力ε_t(x)有关。

构件与螺钉之间的力是通过连接应力τ_b来传递的，它通常是如下确定的：

dT＝τ_b·d_s·π·dx    (2)

式中的dT是轴向力无限小的变量。它会对无限小的螺钉截面dx起作用。而d_s·π则相当于螺钉的圆周。没有连接应力τ_b，载荷就不会通过螺钉传递给构件，只有通过这个连接应力才可在紧固时将构件内的拉力和压力转换成紧固力。

在下面的计算中，构件用一个直径为d_t的备用气缸盖来演示。确定这个主导曲线的前提条件是：

-了解复合的载荷情况；

-了解螺纹与构件之间的复合定律；

-了解所演示的这个备用气缸盖的直径d_t。

其中的复合定律和备用气缸盖的直径d_t必要时可试验得知。

螺纹和构件的外形和性能如下所示：

图表1：

几何项	螺纹	构件
			直径	ds	dt
截面面积	As＝πds 2/4	At＝πdt 2/4-As
			E-模量	Es	Et
复合长度	lb	lb

另外再确定下面的辅助值：

$u_s=\frac{\mathrm{\π}*d_s}{E_s*A_s},$

$u_t=\frac{\mathrm{\π}*d_t}{E_t*A_t},$

u＝u_s+u_t，

$n=\frac{E_e}{E_t},$ und

$\mathrm{\ρ}=\frac{d_t^2}{d_t^2-d_s^2}$

螺纹与构件之间的相对移动，也可称用‘滑动’δ表示，相当于高出螺钉的张力ε_s和构件的张力ε_t的差值的积分：

$\mathrm{\δ}\left(x\right)={\∫}_0^x({\mathrm{\ϵ}}_s\left(t\right)-{\mathrm{\ϵ}}_t\left(t\right))\mathrm{dt}$

张力差值ε_s-ε_t表示的是滑动δ的第一导数，连接应力τ_b相当于滑动δ的第二导数：

$\frac{d^2}{{\mathrm{dx}}^2}\mathrm{\δ}\left(x\right)=u*\mathrm{\τ}\left(x\right)---\left(4\right)$

利用线性的复合定率：

τ_b(δ)＝τ₀+k*δ       (5)

移动的复合顺序的非均质微分法2。得到的形式如下：

$\frac{d^2}{{\mathrm{dx}}^2}\mathrm{\δ}\left(x\right)=u*k*\mathrm{\δ}+u*{\mathrm{\τ}}_0$

如果选择的是坐标x，其值为：0≤x≤1，此外，辅助值λ被释义为：

$\mathrm{\λ}=l_b*\sqrt{u*k}---\left(7\right)$

得出了滑动δ(x)下面的解：

$\mathrm{\δ}\left(x\right)=c1*e^{\mathrm{\λ}*x}+c2*e^{-\mathrm{\λ}*x}-\frac{{\mathrm{\τ}}_D}{k}.---\left(8\right)$

从滑动的解中可以确定下面的这些组合状态参量：

螺钉的张力：

${\mathrm{\ϵ}}_s\left(x\right)=\mathrm{\λ}*\frac{u_s}{u*l_b}*(c1*(e^{\mathrm{\λ}*x}-1)-c2*(e^{-\mathrm{\λ}*x}-1))+{\mathrm{\ϵ}}_{s0}$

构件的张力：

${\mathrm{\ϵ}}_t\left(x\right)=\mathrm{\λ}*\frac{-u_t}{u*l_b}*(c1*(e^{\mathrm{\λ}*x}-1)-c2*(e^{-\mathrm{\λ}*x}-1))+{\mathrm{\ϵ}}_{t0}$

构件的最大应力：

σ_t(x)＝ε_t(x)*E_t

螺钉的最大应力：

σ_s(x)＝ε_s(x)*E_s

连接应力：

${\mathrm{\τ}}_b\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{u*l_b^2}*(c1*e^{\mathrm{\λ}*x}+c2*e^{-\mathrm{\λ}*x})$

其中的含义是：

上述对连接应力τ_b和螺钉的张力ε_s的说明，以及构件的ε_t首先是通用的，与螺纹的特殊外形，还比如有些根本不用螺纹，而是把金属棒粘贴到或打入构件中的状况无关。由于使用了一种可纵向自变螺距的螺钉，就可以在构件和螺钉内产生额外的预应力以补偿受载荷时附带生成的‘普通’连接应力，这里称之为‘自应力’。‘自应力’是一种预应力。它仅通过可变螺钉的螺距生成。如果螺钉拧入未受载荷的构件内，力是已经存在的。

自应力是在重叠了τ_b的载荷状态下自生的连接应力τ_ES。在本发明的框架内，改变螺纹的目的就是让自应力的连接应力τ_ES抵抗因载荷产生的连接应力τ_b，这样，就可以衰减因载荷产生的自应力峰值。

构件根据自应力得到的张力τ_ES(x)相当于自应力。自应力τ_ES的连接应力与紧贴着自应力的构件张力ε_ES之间的关系如下：

此外，因为这个自应力没有潜在的功可做。

${\∫}_0^x{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ES}}\left(t\right)\mathrm{dt}=0,---\left(10\right)$

也就是说：这意味着，自应力中等程度的连接应力τ_mES＝0，这也就是说：

＝＝＞ε_ES(0)＝ε_ES(1)

推导合适的螺纹形状，即螺纹主导曲线工作的第一步，是预定自应力的合适连接应力τ_ES，并由此可知紧随自应力的构件的相应的张力演变ε_ES(X)。再从张力演变ε_ES(X)中查知主导曲线的预期演变如下：

p₀或许是一个额定矢距，即螺纹的平均矢距，它应该是变化的。螺纹的这个事实上的，可变的矢距p(x)也可以如下表示：

p(x)＝p0-dp(x)，        (12)

其中x位上的矢距dp变量是通过下式给定的：

$\mathrm{dp}\left(x\right)=p0*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ES}}\left(x\right)*(1-\frac{A_t*E_t}{A_s*E_s}).$

可因此得到具有如下预期性能的螺纹主导曲线：

$\mathrm{LK}\left(x\right)=\left(\begin{array}{c}p0*[x*\frac{l_b}{p0}-(1-\frac{A_t*E_t}{A_s*E_s}){\∫}_0^x{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ES}}\left(s\right)\mathrm{ds}]\\ r\left(x\right)*\cos (x*\frac{l_b}{p0}*2\mathrm{\π})\\ r\left(x\right)*\sin (x*\frac{l_b}{p0}*2\mathrm{\π})\end{array}\right)---\left(14\right)$

符合上述方程式(14)的主导曲线描述的是螺钉侧截面中心的空间演变，如果螺钉没有拧入构件内，也就是说，螺钉本身还没有上紧。换句话说，可以借用方程式(14)中确定的主导曲线来生产有预期性能的螺钉。

2.实施例：载荷导入

在为了导入载荷需要把螺钉与构件连接起来时，载荷应该是通过螺钉导入构件内，或从构件中导出。这个作用基本上就预定了连接中的应力状态。

在图1中示出的是在向构件导入压力负荷时，连接应力的典型演变。图2示出的是：在向构件内导入拉力时，连接应力相应的演变。

这三个典型的连接应力变化分别用指数0，1和2表示特性。为了明确地表示用于图1和2中所示连接应力演变相关的其他参数，在下面图1至28中都使用同一0，1和2指数。如在图1和2中示出的那样，利用连接应力τ(x)₀导入载荷的状况在下面的叙述中也因此被表示为‘0状况’。连接应力“τ”相当于前面段落中的变数“τ_b”。同样地，利用连接应力τ(X)₁和τ(X)₂作的载荷导入，如在图1和图2中示出的一样，也是用“状况1”或“状况2”表示。

如在图1和图2中推知，状况0其特性是连接应力τ(X)₀的对称性演变。这种类型的对称性连接应力演变在构件和螺钉的弹性系数一样或类似的状况下比较典型。如从图1和图2推知，在状况0中，连接应力τ(X)₀的最大值在连接的始端和末端可以调解。

状况2描述的是一种非对称性连接应力演变。它是在弹性系数不同，锚钉长度短时会典型出现。这种状况的典型连接应力演变τ(x)₁以在连接开始时超强的最大值著称，也就是说在x＝1时，在构件的外面最甚。然而，在状况1时，程度稍小点的连接应力τ(X)₁的最大值在连接的末端，即在X＝0时，也可以调节。

状况2则以连接应力τ(X)₂的非对称性演变著称。此时，连接应力τ(X)₂的最大值在连接(在X＝1时)开始时可以调节。这个连接应力τ(X)₂直到连接结束(x＝0)会连续降低。这种连接应力演变在螺钉和构件的弹性系数不同，连接长度较长时会比较典型。

在下面的螺钉和构件中的张力和轴向力计算中，会用到以下这些在前面章节1中已定量了的数值：

d_s＝6，d_t＝20，E_s＝210.000，E_t＝400，l_b＝160

图3示出的是用于状况0，1和2的构件中，在压力情况下的轴向应力σ_t(x)；图4示出的是拉力状况。

图5示出的是用于状况0，1和2的构件中，压力情况下的张力ε_t(x)；图6示出的是拉力状况。

在图3和图4中获知，状况0时的轴向应力σ_t(x)₀在连接长度的启始端和末端会剧烈增加，而在连接的中段只有中度地提高。这个在连接的末端快速地局部升高的轴向应力已经指明了在载荷导入时的出现的失灵源。在状况1和2中，轴向应力的强力提高反倒都集中在连接开始的时候，也就是X＝0,7至X＝1的范围。

图7示出的是0，1和2这三种状况下的螺钉，在经过整个连接长度，并承受压力下的轴向应力σ_s(X)；图8示出的是拉力状况。图9示出的是0，1和2三种状况下的螺钉，在压力状态下的张力ε_s(X)；图10示出的是拉力状况.。一方面通过图3至图6，另一方面通过图7至图10的对比可以得知构件与螺钉之间在应力和张力方面可以互补的演变情况。

如在前段1中所述，可通过改变螺钉螺距的变量来生成连接所需的无载荷作用的自应力。根据本发明，这个螺距的变量应导致自应力后面，与图1和图2中示出的在载荷作用下的连接应力起反作用的连接应力τ_ES(x)。受载荷时出现在连接应力中峰值至少可得到部分地补偿。

在图11中示出的是在压力负荷下，状况0，1和2的自应力的三种连接应力演变τ_ES(x)。它们与图1负荷下的连接应力τ(x)中的最大值作用相反，因此，至少适于对最大值做部分的补偿。

在图12中是以类似的方式示出的与图2的拉力负荷下的连接应力起反作用的，状况0，1和2的自应力的连接应力τ_ES(x)。

图13和图14示出的是根据自应力得知的构件张力ε_ES(x)。根据方程式(9)，它与自应力的连接应力τ_ES(x)有关。为算出能产生预期自应力的螺钉主导曲线，可以根据方程式(14)，并应用图13和图14的张力演变ε_ES(x)。

如开始时提到的，螺钉设计的出发点是选择图11和12的自应力所期望的连接应力τ_ES(x)演变，或者构件ε_ES(x)所期望的张力演变能在图13和14的自应力之下。这样明显选择目的在于使连接应力τ(x)象图1和图2示出的那样反转，以期得到所期望的自应力连接应力τ_ES(x)。然而，一个这样的自应力连接应力实际上未必能产生，因为根据方程式(10)和(11)所示，它与要消失的，潜在的工作条件不符，而在此所示的范例中，构件的张力ε_ES(x)演变紧随自应力，是作为重量函数与载荷下构件ε_t(x)张力解法的的线性组合被规定：

ε_ES(x)＝-[fka_o(x)*(ε_t(x)-ε_t(0))+fka₁(x)*(ε_t(x)-ε_t(1))]

                                                           (15)

其中重量函数fka₀(x)和fka₁(x)的定义如下：

$\mathrm{fk}{a}_0\left(x\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^n{a}_{0,i}*{(1-x)}^i$ fka₀(1)＝0

$\mathrm{fk}{a}_1\left(x\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^n{a}_{1,i}*{\left(x\right)}^i$ fka₁(0)＝0

由于在重量函数中选择了合适的系数a₀，i和a₁，i，所以就可以设计出所期望的演变ε_ES(x)。

由自应力引发的三种状况0，1，2的轴向应力演变σ_ES(x)在压力图15和拉力图16中都有示出。如果自应力与载荷都发挥作用，那图17和18示出的就是构件中的复合轴向应力。这个复合轴向应力这里用σ_LK(x)＝σ_τ(x)+σ_ES(x)表示。如图17和18所推知的那样，为了这个复合轴向应力σ_LK(x)，会产生一个通经了连接长度而均衡提高或衰减的轴向应力。若无符合本发明如图3和图4，特别是在x＝0,7和x＝1之间连接开始时出现的自应力分配，在均衡增加或衰减的轴向应力作用于连接时，要比载荷时，局部出现的烈变轴向应力更易相容。由于应力演变相同，应力峰值可以在连接应力中得到避免，并在连接的耐久性中得到增强。

图19和20示出的是组合的连接应力τ_LK(x)。它相当于载荷时连接应力τ(x)及以自应力为基础的连接应力τ_ES(x)的总合。这个组合的连接应力虽然在连接开始时还是最大值，然而，再延续就比在以载荷为基础的连接应力τ(X)时显的小了。如可从图21至26中推知，图中在不同的状况0，1和2及压力与拉力时，以载荷为基础的连接应力τ(X)与组合的连接应力τ_LK(x)是可以比照的。如可从图21至26中推知，由于用了符合本发明的、螺钉的螺纹变化，组合的连接应力τ_LK(x)可以降低到在受载荷的均衡螺纹时的产生的连接应力τ(x)峰值的1/3左右。

如从图21至26中推知，这个组合的连接应力τ_LK(x)在中段时也较高，比如受载荷的连接应力τ(x)，只是在通经了连接长度后才分配的比较均衡，并致使连接应力中的峰值降低。从方程式(10)和(11)中可直接知道，中间的连接应力不会因自应力而改变，因为自应力的这个虚拟的功是零，而它也不是本发明的目的。更确切地说应该是在导入载荷时，就有某个能把螺钉的力传递到构件中的净-连接应力存在。本发明的目的确切地说是让组合的连接应力发生均衡的演变，以减少可导致连接失灵的那种连接应力峰值出现。

在图27中示出的，正如它是根据方程式(12)和(13)，并按照图13的张力ε_ES演变生成的那样，是可变的螺纹演变p(x)情况。因为图1的自应力演变τ(x)₀，τ(x)₁和τ(x)₂对于向构件中导入载荷都是很典型的。图27示出的是一个可变螺纹的典型演变。利用它至少可以部分地补偿图1连接应力中的峰值。在所有这三种状况中，螺纹的演变都是以在螺纹的下半段中的最大值为特征，即在0,5＜x＜1的范围内。如果这个最大值能在x＝0,6和0,9之间，优选为x＝0,7和x＝0,85之间，就可以让连接应力的均化效果达到高效。

此外，这个螺纹的曲线图是在这个连接长度的中段变化的，这样在0和1状况时，在连接长度的上半段就生成了最大值，即0＜x＜0,5的范围内。这个最大值可优选在0,05＜x＜0,4范围内，特别优选为0,1＜x＜0,3的范围内。

如从图28中推知，拉力负荷的状况的演变刚好相反，即螺纹在下半段出现最大值，而在连接长度的上半段可以有选择地出现最大值。

用于导入压力或拉力的这种螺距的标准演变，可以提供标准化应用。但螺距却不能被校准到某一具体需求所期待或所计算出的连接应力。替代的办法是可以生产用于某些复合材料的标准螺钉和螺杆，例如可与实心木头或混凝土连接的钢螺钉或螺栓。它们都有符合上述标准的螺纹变化。由于有了这样的标准螺钉或螺杆，在载荷下出现的最大连接应力就能得到明显地减缓。即便使用了这种标准办法，但仍不能穷尽本发明的所有潜力。为此，从成本考虑，要能够大量地生产这种标准螺钉或螺杆，而且它们要比用恒定螺纹的传统螺钉或螺杆有更明显的改进。

3.实施例：紧固

即使用螺钉或螺杆紧固，因受载荷在连接应力中出现的峰值至少会部分地被合适的自应力分配补偿。考虑设计合适的紧固螺钉或螺杆的过程同开头所述的载荷导入时的情况类似。主要的区别是在紧固时，不一定非得像图1和图2中做载荷导入那样有个比较典型的连接应力演变。而是在受载荷情况下，可能出现的连接应力演变光谱更宽，更复杂。这取决于构件及其载荷的总体设计，其连接应力在载荷时会出现在构件与紧固件之间。但构件与紧固件之间的连接应力基本上都可以通过分析计算或计算机模拟预知，然后可以上述的方式计算螺纹的主导曲线，以便用实际生成的自应力补偿连接应力中的峰值。

即便是在下面用来紧固的范例中也可以采用备用气缸的分析模型。紧固时要注意下面这些边界条件：

1、经由连接长度的自应力虚拟功必须为0，而且

2、x＝0和x＝1的轴向应力必须为0。

下面从因紧固应生成一个合适的自应力状态σ_ES(x)为起点。然后例一算式：

σ_ES(x)＝σ₀*f(x)                (16)

其中f(x)为f(0)＝0和f(1)＝0的算式函数值。σ₀相当于最大预应力所谋求的总和。

所相关的张力状态是这样产生的：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ES}}\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ES}}\left(x\right)}{E_t}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mES}}=\frac{\mathrm{\σ}0*f\left(x\right)}{E_t}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mES}},---\left(17\right)$

其中ε_mES是中等的张力，是在以下情况时给定的：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mES}}={\∫}_0^1\frac{{\mathrm{\σ}}_0*f\left(t\right)}{E_t}\mathrm{dt}=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{E_t}{\∫}_0^{1}f\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(18\right)$

从以自应力为基础的张力ε_ES(x)演变入手，按照上述的方程式(16)就可重新计算出主导曲线。

算式函数f(x)是这样来选定的，在保持边界条件下与载荷下逆转的应力状态尽可能地接近就可以了。图29示出的是用指数0至4来表示，可在典型的紧固应用中找到的算式函数f(x)。其中：

f(x)₀：相当于一个在经由连接长度时，呈抛物线状演变的对称算式函数；

f(x)₁：相当于一个在提升的对称算式函数，它在经由很长一段时保持恒定，然后再下降；

f(x)₂：相当于一个带2个最大值和一个最小值的对称算式函数；

f(x)₃：相当于一个非对称的算式函数；

f(x)₄：相当于一个施加了压力和拉力经由连接长度的算式函数。

图30示出的是从图29中初次推导出的f(x)₀至f(x)₄函数。

图31示出的是符合算式函数f(x)₀至f(x)₄的应力演变σ_ES(x)₀至σ_ES(x)₄；图32示出的是所属的张力ε_ES(x)的演变；图33示出的是因自应力生成的连接应力演变；图34最后示出的是所属的可变螺纹的演变。

在所介绍的5种算式函数中，要特别强调函数f(x)₁。如从图31中可以推知，在此状况下可生成σ_ES(x)₁的应力演变。当σ_ES(x)₁处在x＝0和x＝0.2时，会比较快地下降到一个负数。当处在x＝0,2与x＝0.8之间时，在这个较低的数值上会相对地保持恒定，然后在处于x＝0,8与x＝1之间时，又会提高至0。换句话说，是这种状况导致出现了紧固的自应力。利用它，应力构件在经由大半紧固长度时都会保持在稳定的压力下。这个自应力分配是由螺距p(x)₁的演变而生。它处在x＝0和x＝0,2之间的上半截时，会下降约δp数值，它在所示出的实施例中计约0,3。在处于x＝0,2和x＝0,8之间的中段时，要低于p(x＝0)₁-δp，当它处在第三段，即x＝0,8和x＝1之间时，才会提升，超过数值p(x-0)₁-δp。

尽管在开始时提到，用于紧固的标准应用要比用于载荷导入的少，但仍然有多种紧固的标准应用，以所述方式做的紧固在通过大部分连接时会产生恒定的压力。因此，至少这个螺纹形状是按照p(x)₁来描绘一个标准的演变，这个演变可以有利的方式标准化地应用在紧固中，而无须再对载荷条件下的连接应力演变做具体的研究了。取而代之的是可以生产某些复合材料用的标准紧固螺钉，这种螺钉的螺纹在质量上要示出图34的p(x)₁演变。而且这种紧固螺钉在大多数的标准应用中，所导致的载荷稳定性明显地要比恒定螺距的紧固螺钉或螺杆要高。

在前面介绍的特点在任何结合中都有其重要性。

Claims (24)

1.使用螺钉或螺杆紧固构件和/或将力导入构件中的方法，其特征在于，所述螺钉或螺杆具有在所述构件中产生自应力分配的可变螺距的螺纹，所述螺纹至少适于降低所述构件在载荷时出现的连接应力中的峰值。

2.根据权利要求1所述的方法，所述螺钉或螺杆具有可拧入所述构件中的连接螺纹截面，以形成与所述构件的连接，所述连接螺纹截面在拧螺钉时具有第一端和第二端，在临近所述第二端的所述连接螺纹截面的半段，所述螺距表现出第一局部极值。

3.根据权利要求2所述的方法，当将所述连接螺纹截面的长度标定为1时，所述第一局部极值则处在0,6至0,9的间距内，优选为距所述第一端0,7至0,85处。

4.根据权利要求2或3所述的方法，所述螺距表现出的第二局部极值处在复合螺纹截面临近所述第一端的半段，并且所述第二局部极值具有与所述第一局部极值的曲率相悖的曲率。

5.根据权利要求4所述的方法，当将组合截面的长度标定为1时，所述第二局部极值就处在0,05至0,4的间距内，优选为距所述连接螺纹截面的所述第一端0,1至0,3。

6.根据权利要求1所述的方法，所述螺钉或螺杆具有可拧入所述构件内且与所述构件连接起来的复合螺纹截面，所述复合螺纹截面具有旋拧导入用的第一端和第二端，从而使处在临近所述第一端段中的螺距从所述第一端上的数值p₀开始降低了大约数值δp，且处在中段时低于p₀-δp，而处在比邻所述第二端段中则又会提高到高于数值p₀-δp。

7.根据权利要求6所述的方法，当将所述复合截面的长度标定为1时，第一和/或第二段的长度为0,07和0,35之间，优选为0,1和0,3，更优选为0,15和0,25之间。

8.根据权利要求6或7所述的方法，在所述中段的螺距变化小于±0,5δp，优选变化小于±0,3δp。

9.根据权利要求2至8中的任一项所述的方法，所述第一端和第二端上的螺距与所述复合螺距截面中螺距总变量相互偏差小于50％，优选小于30％，更优选为小于10％。

10.利用螺钉或螺杆把第一部件固定在第二部件上的方法，其特征为：所述螺钉或螺杆具有沿所述螺钉或螺杆的纵向变化的螺距，并测量所述螺距的变量，从而在把所述螺钉或螺杆固定入所述第二部件时生成的应力分配要比使用恒定螺距和同样固定压力的螺钉更均匀。

11.根据权利要求10所述的方法，在所述第二部件中形成螺纹，通过在所述螺钉或螺杆上旋刻螺纹，将所述第一部件固定在所述第二部件上。

12.根据权利要求10或11所述的方法，所述第一部件和/或第二部件的材质是轻金属，特别是含铝或镁的金属。

13.带螺纹的螺钉或螺杆的用途，所述螺钉或螺杆的螺距可沿所述螺钉或螺杆的轴向变化，从而降低所述螺钉或螺杆与构件之间因所述构件的载荷而生成的连接应力中的最大值。

14.设计具有可变螺距的螺钉或螺杆的方法，包括下述步骤：

查知构件内部的应力分配，为此要确定受载荷时所用的螺钉；以及

确定螺距的变量，其中，在把所述螺钉或螺杆拧入所述构件时在所述构件中产生的自应力至少应适于降低所述螺钉或螺杆与所述构件之间在所述构件受载荷时出现的连接应力中的最大值。

15.计算机程序，在数据处理装置中执行所述计算机程序时，则根据如权利要求14所述的方法实施。

16.具有螺纹的螺钉或螺杆，所述螺钉或螺杆的螺距可沿所述螺钉或螺杆的轴向变化，所述螺距的变化量适于当向构件中拧入所述螺钉或螺杆时，在所述构件中能产生自应力分配，所述自应力分配至少适于降低所述螺钉或螺杆与所述构件之间在所述构件受载荷时出现的连接应力中的最大值。

17.如权利要求16所述的螺钉或螺杆，具有当将所述螺钉或螺杆拧入构件内时能与所述构件连接起来的复合螺纹截面，所述复合螺纹截面具有旋拧导入用的第一端和第二端，在所述复合螺纹截面靠近所述第二端的半段表现出第一局部极值。

18.如权利要求17所述的螺钉或螺杆，当将所述复合螺纹截面的长度标定为1时，所述第一局部极值处在距所述第一端0,6至0,9的区间内，优选为距所述第一端0,7至0,85。

19.如权利要求17或18所述的螺钉或螺杆，其中所述螺距具有第二局部极值，所述第二局部极值位于所述复合螺纹截面临近所述第一端的半段，并且所述第二局部极值具有与所述第一局部极值的曲率相悖的曲率。

20.螺钉或螺杆，当将复合螺纹截面的长度标定为1时，第二局部极值处在距所述复合螺纹截面的第一端0,05至0,4的区间内，优选为距所述复合螺纹截面的第一端0,1至0,3。

21.如权利要求16所述的螺钉或螺杆，具有当将所述螺钉或螺杆拧入构件内时能与所述构件连接起来的复合螺纹截面，所述复合螺纹截面具有旋拧导入用的第一端和第二端，处在临近所述第一端段中的螺距从所述第一端上的数值p₀降低了数值δp左右，处在中段的保持在p₀-δp以下，处在比邻所述第二端段中时又会提高到高于数值p₀-δp。

22.根据权利要求21所述的螺钉或螺杆，当将所述复合螺纹的长度标定为1时，所述第一段或/和第二段的长度为0,07至0,35，优选为0,1至0,3，更优选为0,15至0,25。

23.根据权利要求21或22所述的螺钉或螺杆，在中段的螺距变化小于±0,5δp，优选为变化小于±0,3δp。

24.根据权利要求17至23中的任一项所述的螺钉或螺杆，在所述第一端和第二端上的螺距相互偏差小于所述复合螺纹截面中的螺距总变量的50％，优选为小于30％，更优选为小于10％。

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