CN103591104B - 一种切顶螺纹 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种切顶螺纹，该设计将标准螺杆上与螺母啮合的部分螺牙切除一定高度形成特定轮廓，尤其是四分之一椭圆形轮廓，其轮廓外形及位置通过三个参数定义：切顶起始牙底、切顶终止牙底和起点切后高度比；切顶起始牙底为四分之一椭圆轮廓起点所在的螺牙底编号；切顶终止牙底为四分之一椭圆轮廓终点所在的螺牙底编号；起点切后高度比为四分之一椭圆轮廓起点所在高度与螺牙高度的比值；四分之一椭圆轮廓终点所在高度为螺牙高度；四分之一椭圆轮廓中心位于完整螺纹大径上。本发明显著特点是可以大大降低标准螺杆上啮合的前几个螺牙承载力与螺牙根部应力，改善螺牙承载力均匀性，提高标准螺杆疲劳寿命，且易于加工，通用性强，适用于任意尺寸和规格的标准螺杆。

Description

一种切顶螺纹

技术领域

本发明涉及一种新型螺纹设计，特别涉及一种降低标准螺杆上啮合螺牙承载力与螺牙根部应力、改善螺牙承载力均匀性、提高标准螺杆疲劳寿命且易于加工的通用螺纹设计。

背景技术

本专利旨在解决标准螺纹设计中标准螺杆上的前几个啮合螺牙根部应力集中问题，比如但不限于，标准的M140螺栓，螺母上的螺牙个数为40个，标准螺杆轴向拉力约为370吨，数值计算表明，标准螺杆上前4个啮合的螺牙承受了35%的轴向拉力，其根部应力远超过其余螺牙根部应力，且第1个螺牙根部应力已超过材料屈服强度，轴向载荷分布十分不均，这些导致标准螺杆上的螺牙根部存在严重的应力集中现象，严重影响标准螺杆的强度及疲劳寿命。

现有技术中，如CN1752467A，CN102588410A，或者CN102619839A中虽然公开了一定程度上解决该问题的方案，但是不仅加工难度大，而且效果也不理想，尤其不能实现整个螺牙螺母拟合面的轴向上应力的均匀分布，对于提高的螺杆的强度及疲劳寿命最终影响不大。

发明内容

为了解决标准螺杆上的螺牙根部的应力集中问题，需要提高轴向载荷的分布均匀性，尤其是降低标准螺杆上前几个啮合螺牙上的载荷，使得后续螺牙上的载荷提高，进而降低前几个螺牙根部应力，提高标准螺杆整体强度和疲劳寿命。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种切顶螺纹设计方案，加工简单，通用性强，只需切除标准螺杆（1）上部分螺纹的部分材料形成一特定形状的轮廓，尤其是直线或曲线，曲线尤其是四分之一椭圆形（2）或二分之一的抛物线型，其内容包括：

一种切顶螺纹，其形状以标准螺杆（1）的螺纹为基础，将所述标准螺杆（1）上与螺母啮合部分的螺牙，从切顶起始牙底（3）到切顶终止牙底（4）之间切除一定高度后形成一特定形状的轮廓，所形成的轮廓使得在沿着从所述切顶起始牙底（3）到所述切顶终止牙底（4）的方向上，所述切顶螺纹的螺牙高度逐渐顺序地恢复，亦即逐渐顺序地增加；

所述切顶起始牙底相比所述切顶终止牙底更远离所述标准螺杆（1）自由端；

其中所述的特定形状是曲线或直线；

所述特定形状的轮廓的外形及位置通过切顶起始牙底（3）位置、切顶终止牙底（4）位置，以及起点切后高度比定义这三个参数来定义；

其中所述切顶起始牙底（3）位置为所述轮廓的起点（5）所在的螺牙底编号；

所述切顶终止牙底（4）位置为所述轮廓的终点（7）所在的螺牙底编号；

所述起点切后高度比为所述轮廓起点（5）所在高度与所述标准螺杆的螺牙高度的比值；

所述的曲线是四分之一的椭圆或二分之一的抛物线；

当所述特定形状是直线时，并且所述起点切后高度比是0.80-0.40；

所述特定形状是四分之一的椭圆时，所述起点切后高度比等于四分之一椭圆轮廓起点（5）与切顶起始牙底（3）的连线长度与所述标准螺杆的螺牙高度的比值，该比值大于0且小于1；四分之一椭圆轮廓终点（7）所在高度为所述标准螺杆（1）的螺牙高度；四分之一椭圆轮廓中心（6）与四分之一椭圆轮廓终点（7）都位于完整螺纹大径上；所述四分之一椭圆形轮廓（2）为完整椭圆的四分之一，其所在平面通过所述标准螺杆（1）轴线，其长轴为四分之一椭圆轮廓终点（7）与四分之一椭圆轮廓中心（6）的连线，其短轴为四分之一椭圆轮廓起点（5）与四分之一椭圆轮廓中心（6）的连线；其中所述起点切后高度比是0.773-0.392；这个数值是申请人经过细致的建模计算，以及精心设计的实验确定的，付出了大量且卓绝的劳动，能够最大程度的降低螺牙根部应力，而且在整个螺牙螺母拟合面的轴向上应力可以最大程度的均匀分布，从而整体了提高了螺杆的强度，能确保其使用寿命至少延长为以前的3倍。

当所述特定形状是二分之一的抛物线时，所述起点切后高度比等于二分之一抛物线轮廓起点（5）与切顶起始牙底（3）的连线长度与所述标准螺杆的螺牙高度的比值，该比值大于0且小于1；二分之一抛物线轮廓终点（7）所在高度为所述标准螺杆（1）的螺牙高度；二分之一抛物线轮廓终点（7）位于完整螺纹大径上；所述二分之一抛物线形轮廓（2）为抛物线沿对称轴分割后的二分之一，该轮廓的起点即所述抛物线的顶点；该轮廓所在平面通过所述标准螺杆（1）轴线；其中所述起点切后高度比是0.786-0.396；这个数值也是申请人经过细致的建模计算，以及精心设计的实验确定的，付出了大量且卓绝的劳动，能够最大程度的降低螺牙根部应力，而且在整个螺牙螺母拟合面的轴向上应力可以最大程度的均匀分布，从而整体了提高了螺杆的强度，同样在此时能确保其使用寿命至少延长为以前的3倍。

四分之一椭圆形轮廓（2）外形及位置通过参数切顶起始牙底（3）、切顶终止牙底（4）和起点切后高度比定义；切顶起始牙底（3）为四分之一椭圆轮廓起点（5）所在的螺牙底编号；切顶终止牙底（4）为四分之一椭圆轮廓终点（7）所在的螺牙底编号；起点切后高度比为四分之一椭圆轮廓起点（5）所在高度与螺牙高度的比值；四分之一椭圆轮廓终点（7）所在高度为螺牙高度；四分之一椭圆轮廓中心（6）与四分之一椭圆轮廓终点（7）都位于完整螺纹大径上；

所述四分之一椭圆形轮廓（2）为完整椭圆的四分之一，其所在平面通过标准螺杆（1）轴线，其长轴为四分之一椭圆轮廓终点（7）与四分之一椭圆轮廓中心（6）的连线，其短轴为四分之一椭圆轮廓起点（5）与四分之一椭圆轮廓中心（6）的连线。

所述切顶起始牙底（3）为螺牙底底部中点，切顶起始牙底（3）与切顶终止牙底（4）相比，更远离标准螺杆（1）自由端。

所述切顶终止牙底（4）为螺牙底底部中点，切顶终止牙底（4）与切顶起始牙底（3）相比，更靠近标准螺杆（1）自由端。

所述标准螺杆（1）的尺寸和规格可以任意选择，不受限制。

上述技术方案所提供的椭圆切顶螺纹，降低了标准螺杆（1）上啮合部分的部分螺牙高度，进而减小了这部分螺牙与螺母上螺牙的接触面积，而啮合的前几个螺牙高度降低的最多，因此其上承载的轴向载荷的降低幅度最大，从而降低了螺牙根部应力，提高了标准螺杆（1）的强度及疲劳寿命，另外易于加工，通用性强，适用于任意尺寸和规格的标准螺杆（1）。所选择的特定线型有助于在整个螺牙螺母拟合面的轴向上应力可以最大程度的均匀分布，从而整体了提高了螺杆的强度和使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的椭圆切顶螺纹沿标准螺杆轴线的半剖视图。

其中：1-标准螺杆、2-四分之一椭圆形轮廓、3-切顶起始牙底、4-切顶终止牙底、5-四分之一椭圆轮廓起点、6-四分之一椭圆轮廓中心、7-四分之一椭圆轮廓终点

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以下实施例中以椭圆切顶为例进行说明，但本领域技术人员可以理解，除了椭圆这种曲线形式之外，其他适当形状的曲线或直线均有可能。但是发明人经过建立模型计算，以及多次实际试验对比发现，采用椭圆线形和抛物线型是最优的方案，不仅可以最大程度的降低螺牙根部应力，而且在整个螺牙螺母拟合面的轴向上应力可以最大程度的均匀分布，从而整体了提高了螺杆的强度和使用寿命。

以下实施例中以椭圆切顶为例进行说明，但本领域技术人员可以理解，抛物线切顶、或者直线切顶，或者其他线型的切顶都可以如此类似的实施，或者根据发明内容部分的限定对照本实施例进行实施，并且有能力实施。

图1示出了本实施例的椭圆切顶螺纹沿标准螺杆轴线的半剖视图，参照图示，本实施例的椭圆切顶螺纹实施过程如下：

实施准备工作：首先，在获得标准螺杆（1）和与之配合的螺母后，在无先验知识的情况下，通过试验或测试获得螺母完全拧紧在标准螺杆（1）上的位置，则螺母远离标准螺杆（1）自由端的牙底位置即为切顶起始牙底（3），而切顶终止牙底（4）位置不超过螺母靠近标准螺杆（1）自由端的牙底位置；也就是说，切顶起始牙底（3）是和螺母相啮合部分的、最远离标准螺杆（1）自由端的牙底位置，而切顶终止牙底（4）位置是指和螺母相啮合部分的、不超过所述螺母靠近所述标准螺杆（1）自由端的牙底位置。其次，确定参数切顶终止牙底（4）和起点切后高度比。

实施过程：利用数控车床或其他加工手段，在标准螺杆（1）上的切顶起始牙底（3）和切顶终止牙底（4）之间加工出四分之一椭圆形轮廓（2），加工顺序可以从切顶起始牙底（3）到切顶终止牙底（4），也可以从切顶终止牙底（4）到切顶起始牙底（3），加工出的四分之一椭圆形轮廓（2）需满足如下特征：

切顶起始牙底（3）为四分之一椭圆轮廓起点（5）所在的螺牙底编号；切顶终止牙底（4）为四分之一椭圆轮廓终点（7）所在的螺牙底编号；起点切后高度比为四分之一椭圆轮廓起点（5）所在高度与螺牙高度的比值；四分之一椭圆轮廓终点（7）所在高度为螺牙高度；四分之一椭圆轮廓中心（6）与四分之一椭圆轮廓终点（7）都位于完整螺纹大径上。

四分之一椭圆形轮廓（2）为完整椭圆的四分之一，其所在平面通过标准螺杆（1）轴线，其长轴为四分之一椭圆轮廓终点（7）与四分之一椭圆轮廓中心（6）的连线，其短轴为四分之一椭圆轮廓起点（5）与四分之一椭圆轮廓中心（6）的连线。

切顶起始牙底（3）为螺牙底底部中点，切顶起始牙底（3）与切顶终止牙底（4）相比，更远离标准螺杆（1）自由端。

切顶终止牙底（4）为螺牙底底部中点，切顶终止牙底（4）与切顶起始牙底（3）相比，更靠近标准螺杆（1）自由端。

起点切后高度比等于四分之一椭圆轮廓起点（5）与切顶起始牙底（3）的连线长度与螺牙高度的比值，该值大于0且小于1。优选的，起点切后高度比是0.773-0.392；这个数值是申请人经过细致的建模计算，以及精心设计的实验确定的，付出了大量且卓绝的、富有创新性的劳动，能够最大程度的降低螺牙根部应力，而且在整个螺牙螺母拟合面的轴向上应力可以最大程度的均匀分布，从而整体了提高了螺杆的强度，能确保其使用寿命至少延长为以前的3倍。

标准螺杆（1）的尺寸和规格可以任意选择，不受限制。

在标准螺杆（1）上加工出满足上述特征的四分之一椭圆形轮廓（2）后即可配合螺母使用。

由以上实施例可以看出，本发明实施例中的椭圆切顶螺纹，其加工过程比较简单，只需在标准螺杆（1）上加工出四分之一椭圆形轮廓（2）即可，且适用于任意尺寸和规格的标准螺杆（1），更重要的是，椭圆切顶螺纹降低了标准螺杆（1）上啮合部分的部分螺牙高度，进而减小了这部分螺牙与螺母上螺牙的接触面积，而啮合的前几个螺牙高度降低的最多，因此其上承载的轴向载荷的降低幅度最大，从而降低了螺牙根部应力，以特定选择的轮廓形状有助于应力的均匀分布，提高了标准螺杆（1）的强度及疲劳寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种切顶螺纹，其形状以标准螺杆(1)的螺纹为基础，将所述标准螺杆(1)上与螺母啮合部分的螺牙，从切顶起始牙底(3)到切顶终止牙底(4)之间切除一定高度后形成一特定形状的轮廓，所形成的轮廓使得在沿着从所述切顶起始牙底(3)到所述切顶终止牙底(4)的方向上，所述切顶螺纹的螺牙高度逐渐顺序地恢复，亦即逐渐顺序地增加；

所述切顶起始牙底相比所述切顶终止牙底更远离所述标准螺杆(1)自由端；

所述特定形状的轮廓的外形及位置通过以下三个参数定义：切顶起始牙底(3)位置、切顶终止牙底(4)位置，以及起点切后高度比；其中所述切顶起始牙底(3)位置为所述轮廓的起点(5)所在的螺牙底编号；所述切顶终止牙底(4)位置为所述轮廓的终点(7)所在的螺牙底编号；所述起点切后高度比为所述轮廓起点(5)所在高度与所述标准螺杆的螺牙高度的比值；

其特征在于，所述的特定形状是四分之一的椭圆或二分之一的抛物线；

当所述特定形状是四分之一的椭圆时，所述起点切后高度比是0.773-0.392；而当所述特定形状是二分之一的抛物线时，所述起点切后高度比是0.786-0.396。

2.根据权利要求1所述的切顶螺纹，其中所述特定形状是四分之一的椭圆，并且所述起点切后高度比等于四分之一椭圆轮廓起点(5)与切顶起始牙底(3)的连线长度与所述标准螺杆的螺牙高度的比值，该比值大于0且小于1；四分之一椭圆轮廓终点(7)所在高度为所述标准螺杆(1)的螺牙高度；四分之一椭圆轮廓中心(6)与四分之一椭圆轮廓终点(7)都位于完整螺纹大径上。

3.根据权利要求2所述的切顶螺纹，其特征在于：所述四分之一椭圆形轮廓(2)为完整椭圆的四分之一，其所在平面通过所述标准螺杆(1)轴线，其长轴为四分之一椭圆轮廓终点(7)与四分之一椭圆轮廓中心(6)的连线，其短轴为四分之一椭圆轮廓起点(5)与四分之一椭圆轮廓中心(6)的连线。

4.根据权利要求1所述的切顶螺纹，其中所述特定形状是二分之一的抛物线，并且所述起点切后高度比等于二分之一抛物线轮廓起点(5)与切顶起始牙底(3)的连线长度与所述标准螺杆的螺牙高度的比值，该比值大于0且小于1；二分之一抛物线轮廓终点(7)所在高度为所述标准螺杆(1)的螺牙高度；二分之一抛物线轮廓终点(7)位于完整螺纹大径上。

5.根据权利要求4所述的切顶螺纹，其特征在于：所述二分之一抛物线形轮廓(2)为抛物线沿对称轴分割后的二分之一，该轮廓的起点即所述抛物线的顶点；该轮廓所在平面通过所述标准螺杆(1)轴线。

6.根据权利要求1所述的切顶螺纹，其特征在于：所述切顶起始牙底(3)为螺牙底底部中点，切顶起始牙底(3)与切顶终止牙底(4)相比，更远离标准螺杆(1)自由端；所述切顶终止牙底(4)为螺牙底底部中点，切顶终止牙底(4)与切顶起始牙底(3)相比，更靠近标准螺杆(1)自由端。

7.根据权利要求1所述的切顶螺纹，其特征在于：所述标准螺杆(1)的尺寸和规格可以任意选择，不受限制。