CN113339389B - 一种自锁螺纹连接结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺纹连接结构技术领域，具体公开了一种自锁螺纹连接结构及其设计方法，自锁螺纹连接结构包括：第一连接件，具有内螺纹，内螺纹的导程为第一导程P1；第二连接件，具有外螺纹，外螺纹的导程为第二导程P2，|P1‑P2|＝△≠0；若P1＞P2，则外螺纹的相邻的两个牙中，相邻的两个螺旋面的间距为L1，P1/2≥L1≥P2/2；若P1＜P2，则内螺纹的相邻的两个牙中，相邻的两个螺旋面的间距为L2，且P2/2≥L2≥P1/2。内螺纹的导程不等于外螺纹的导程，当自锁螺纹连接结构在最大受力状态时，各圈螺纹的位移量不等，变形率相等，各圈螺纹受力均匀，实现更高的连接强度，使其承载力提高50％以上。本发明提供的自锁螺纹连接结构还能够产生较好的自锁作用。

Description

一种自锁螺纹连接结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及螺纹连接结构技术领域，尤其涉及一种自锁螺纹连接结构及其设计方法。

背景技术

在现有的技术中，螺钉(或螺栓)与螺母连接时，螺钉(或螺栓)的螺距与螺母的螺距相同，以保证顺利旋合。相同导程的螺钉(或螺栓)与螺母的配合，因导程相同，其在受载情况下，因每个牙的位移量相等，但每个螺纹对应的变形率不等，也就是每个螺纹的受力状态不同；最靠近受力位置处的第一圈螺纹，承载了大约60％的载荷；第二圈螺纹受到的载荷大约为30％左右；其余螺纹受到的载荷大约在10％左右；因此，通常螺纹的有效受力厚度为2.5倍螺距，这样当第一圈螺纹失效时，第二圈螺纹以及位于第二圈螺纹远离第一圈螺纹一侧的螺纹均未达到其极限受力状态，第二圈螺纹以及位于第二圈螺纹远离第一圈螺纹一侧的螺纹发挥的作用小，导致螺钉(或螺栓)与螺母受载能力差。另外，现有技术中的螺纹连接结构的自锁能力相对较差，常常需要采用双螺母结构，或者放松垫圈，点焊等方法防止自锁失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自锁螺纹连接结构及其设计方法，以提高其螺纹螺接部分各圈螺纹受力均匀性，实现螺纹连接结构更高的连接强度，同时提高其自锁能力。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种自锁螺纹连接结构，包括：

第一连接件，具有内螺纹，所述内螺纹的导程为第一导程P1；

第二连接件，具有与所述内螺纹螺接的外螺纹，所述外螺纹的导程为第二导程P2，且|P1-P2|＝△≠0；若所述P1＞P2，则所述内螺纹的牙的厚度为P1/2，所述外螺纹的相邻的两个牙中，相邻的两个螺旋面的间距为L1，且P1/2≥L1 ≥P2/2；若所述P1＜P2，则，所述外螺纹的牙的厚度为P2/2，所述内螺纹的相邻的两个牙中，相邻的两个螺旋面的间距为L2，且P2/2≥L2≥P1/2。

作为优选，当所述第一连接件受压应力，或所述第二连接件受拉应力时，所述P1＜P2。

作为优选，当所述第一连接件受拉应力，或所述第二连接件受压应力时，所述P1＞P2。

作为优选，所述△＝ε1*P1+ε2*P2，所述ε1为所述第一连接件的断裂伸长率，所述ε2为所述第二连接件的断裂伸长率。

作为优选，所述第一连接件和所述第二连接件均由塑料制成或均由金属制成；

作为优选，所述第一连接件由塑料制成，所述第二连接件由金属制成，所述△＝ε1*P1；或所述第二连接件由塑料制成，所述第一连接件由金属制成，所述△＝ε2*P2；

作为优选，所述第一连接件为螺母，所述第二连接件为螺栓。

作为优选，所述第一连接件为螺母，所述第二连接件为螺钉。

作为优选，所述第一连接件为螺母，所述第二连接件为螺杆。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种自锁螺纹连接结构设计方法，用于设计上述的自锁螺纹连接结构，所述自锁螺纹连接结构设计方法包括：

S1、确定第一连接件和第二连接件的材质；

S3、确定所述第一连接件的导程P1和所述第二连接件的导程P2中的一个；

S2、根据△＝|P1-P2|＝ε1*P1+ε2*P2，计算所述△以及所述第一连接件的导程P1和所述第二连接件的导程P2中的另一个。

本发明的有益效果：

本发明提供的自锁螺纹连接结构的内螺纹的导程不等于外螺纹的导程，当自锁螺纹连接结构受力后，各圈螺纹的位移量不等，变形率相等，从而使得自锁螺纹连接结构的各圈螺纹受力较均匀，充分利用各圈螺纹，实现自锁螺纹连接结构更高的连接强度，使其承载力提高50％以上。若P1＞P2，则P1/2≥L1 ≥P2/2或，若P1＜P2，则P2/2≥L2≥P1/2，在自锁螺纹连接结构空载情况下，位于最外侧的两对牙相互抵压接触，位于内侧的对牙受内部载荷，从而防止螺纹连接松动，达到自锁的目的。当自锁螺纹连接结构受力时，每对牙受力相等，内螺纹与外螺纹的牙相互抵接，内螺纹和外螺纹产生较大的摩擦力，螺纹之间产生自锁，且承载能力有大幅提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的当P1＞P2时，自锁螺纹连接结构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的当P1＞P2时，自锁螺纹连接结构的螺栓受拉应力时的结构示意图。

图中：

1、螺栓；

2、螺母；21、第一牙；22、第二牙；23、第三牙；24、第四牙。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

本发明中限定了一些方位词，在未作出相反说明的情况下，所使用的方位词如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”这些方位词是为了便于理解而采用的，因而不构成对本发明保护范围的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供了一种自锁螺纹连接结构，以提高其螺纹螺接部分各圈螺纹受力均匀性，充分利用螺纹部分，从而实现自锁螺纹连接结构更高的连接强度。

如图1所示，本实施例提供的自锁螺纹连接结构包括第一连接件和第二连接件，第一连接件具有内螺纹，第二连接件具有与所述内螺纹螺接的外螺纹，其中，所述第一连接件为螺母2，第二连接件为螺栓1、螺钉或螺杆，本实施例以第二连接件为螺栓1为例进行说明。

内螺纹的导程为第一导程P1，外螺纹的导程为第二导程P2，且|P1-P2|＝△≠0。若P1＞P2，则内螺纹的牙的厚度为P1/2，外螺纹的相邻的两个牙中，相邻的两个螺旋面的间距为L1，且P1/2≥L1≥P2/2；若P1＜P2，则，外螺纹的牙的厚度为P2/2，内螺纹的相邻的两个牙中，相邻的两个螺旋面的间距为L2，且P2/2≥L2≥P1/2。

本实施例提供的自锁螺纹连接结构的内螺纹的导程不等于外螺纹的导程，当自锁螺纹连接结构受力后，各圈螺纹的位移量不等，变形率相等，从而使得自锁螺纹连接结构的各圈螺纹受力较均匀，充分利用各圈螺纹，实现自锁螺纹连接结构更高的连接强度，使其承载力提高50％以上。若P1＞P2，则P1/2≥L1 ≥P2/2或，若P1＜P2，则P2/2≥L2≥P1/2，在自锁螺纹连接结构空载情况下，位于最外侧的两对牙相互抵压接触，位于内侧的对牙受内部载荷，从而防止螺纹连接松动，达到自锁的目的。当自锁螺纹连接结构受力时，每对牙受力相等，内螺纹与外螺纹的牙相互抵接，内螺纹和外螺纹产生较大的摩擦力，使得螺纹产生较好的自锁作用。

可以理解的是，当P1＞P2时，内螺纹的牙的厚度大于外螺纹相邻的两个牙的间距，内螺纹和外螺纹螺接后，内螺纹的牙会导致外螺纹的牙产生拉应力，而外螺纹的牙会对导致内螺纹的牙产生压应力(如图1箭头所示)。因此，在螺母2和螺栓1连接时并且受力时，为了避进一步增加外螺纹的拉应力和内螺纹的压应力，而导致螺纹的牙断裂，在螺母2受拉应力或螺栓1受压应力时，选择P1＞P2。当P1＞P2，螺栓1受压应力或螺母2受拉应力时，虽然螺栓1和螺母2之间因为导程差造成的自锁作用减弱，但是由于螺栓1或螺母2受外力作用而导致的螺纹之间的摩擦力增大，因此，此时螺栓1和螺母2仍具有较好的自锁作用。

相反的，当P1＞P2时，内螺纹的牙的厚度大于外螺纹相邻的两个牙的间距，内螺纹和外螺纹螺接后，内螺纹的牙会导致外螺纹的牙产生压应力，而外螺纹的牙会对导致内螺纹的牙产生拉应力。因此，在螺母2和螺栓1连接时并且受力时，为了避免进一步增加外螺纹的压应力和内螺纹的拉应力，而导致螺纹的牙断裂，在螺母2受压应力或螺栓1受拉应力时，选择P1＜P2。当P＜P2，螺栓1受拉应力或螺母2受压应力时，虽然螺栓1和螺母2之间因为导程差造成的自锁作用减弱，但是由于螺栓1或螺母2受外力作用而导致的螺纹之间的摩擦力增大，因此，此时螺栓1和螺母2仍具有较好的自锁作用。

本实施例提供的自锁螺纹连接结构根据螺栓1和螺母2的受力情况选择第一导程P1和第二导程P2，以进一步防止螺纹的牙发生断裂。

如图2所示，以N＝4为例进行说明，当螺栓1相对螺母2转动(如图2箭头所示)，且自锁螺纹连接结构的最大受力状态,此时：

每对牙的总变形均为△＝ε1*1*P1+ε2*1*P2；但总位移随着距离受力点位置不同，其自身位移分别为3*△；2*△；1*△；0*△；因此：

第一对牙(即最下侧的一对牙)总变形和位移之和为：ε1*1*P1+ε2*1*P2；

第二对牙(与第一对牙相邻的一对牙)总变形和位移之和为：ε1*2*P1+ ε2*2*P2；

第三对牙(与第二对牙相邻的另一对牙)总变形和位移之和为：ε1*3*P1+ ε2*3*P2；

第四对牙(与第三对牙相邻的另一对牙)总变形和位移之和为：ε1*4*P1+ ε2*4*P2。

即本实施例提供的自锁螺纹连接结构可以使螺纹连接的各个牙的形变率相同，而位移量不等，从而使得各个牙的受力相等，进而使得自锁螺纹连接结构在受载荷时，螺纹连接的各个牙均能够发挥作用。

本实施例提供的自锁螺纹连接结构的△值的大小与自锁螺纹连接结构承受的最大载荷下的变形量相关，即△＝ε1*P1+ε2*P2，ε1为螺母2的断裂伸长率，ε2为螺栓1的断裂伸长率。

螺母2由塑料制成，螺栓1由金属制成，此时，螺母2的刚度远小于螺栓 1的刚度，即螺母2的断裂伸长率远大于螺栓1的断裂伸长率，因此，ε2*P2 可以忽略不记，△＝ε1*P1。自锁螺纹连接结构的最大受力状态时：

螺母2的第一牙21(即螺母2最下侧的一对牙)总变形和位移之和为：ε 1*1*P1；

螺母2的第二牙22(即螺母2中与第一牙21相邻的牙)总变形和位移之和为：ε1*2*P1；

螺母2的第三牙23(即螺母2中与第二牙22相邻的另一牙)总变形和位移之和为：ε1*3*P1；

螺母2的第四牙24(即螺母2中与第三牙23相邻的另一牙)总变形和位移之和为：ε1*4*P1。

在其他可选地实施例中，螺栓1由塑料制成，螺母2由金属制成，ε1*P1 可以忽略不记，△＝ε2*P2。

螺纹牙型的结构，包括但不限于，三角形、圆弧形、抛物线形、梯形、矩形和其它非规则形状；本实施例以梯形螺纹为例，但所有不等齿距的螺纹连接均在本发明的保护范围内；滚珠丝杠类使用不等齿距的，也包含在本发明的保护范围内；

本实施例还提供了一种自锁螺纹连接结构设计方法，用于设计上述的自锁螺纹连接结构，自锁螺纹连接结构设计方法包括：

S1、确定螺母2和螺栓1的材质；

S3、确定螺母2的导程P1和螺栓1的导程P2中的一个；

S2、根据△＝|P1-P2|＝ε1*P1+ε2*P2，计算△以及螺母2的导程P1和螺栓1的导程P2中的另一个。

即△的确定是根据螺母2的导程P1和螺栓1的导程P2中的一个以及螺母 2和螺栓1的材质推导而出的。螺母2和螺栓1的材质是根据的螺母2和螺栓1 的常规设计方法初步确认的，其为现有技术，因此在此不再赘述。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自锁螺纹连接结构，其特征在于，包括：

第一连接件，具有内螺纹，所述内螺纹的导程为第一导程P1；

第二连接件，具有与所述内螺纹螺接的外螺纹，所述外螺纹的导程为第二导程P2，且|P1-P2|＝△≠0；若所述P1＞P2，则所述内螺纹的牙的厚度为P1/2，所述外螺纹的相邻的两个牙中，相邻的两个螺旋面的间距为L1，且P1/2≥L1≥P2/2；若所述P1＜P2，则，所述外螺纹的牙的厚度为P2/2，所述内螺纹的相邻的两个牙中，相邻的两个螺旋面的间距为L2，且P2/2≥L2≥P1/2。

2.根据权利要求1所述的自锁螺纹连接结构，其特征在于，当所述第一连接件受压应力，或所述第二连接件受拉应力时，所述P1＜P2。

3.根据权利要求1所述的自锁螺纹连接结构，其特征在于，当所述第一连接件受拉应力，或所述第二连接件受压应力时，所述P1＞P2。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的自锁螺纹连接结构，其特征在于，所述△＝ε1*P1+ε2*P2，所述ε1为所述第一连接件的断裂伸长率，所述ε2为所述第二连接件的断裂伸长率。

5.根据权利要求4所述的自锁螺纹连接结构，其特征在于，所述第一连接件和所述第二连接件均由塑料制成或均由金属制成。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的自锁螺纹连接结构，其特征在于，所述第一连接件由塑料制成，所述第二连接件由金属制成，所述△＝ε1*P1；或所述第二连接件由塑料制成，所述第一连接件由金属制成，所述△＝ε2*P2。

7.根据权利要求1所述的自锁螺纹连接结构，其特征在于，所述第一连接件为螺母(2)，所述第二连接件为螺栓(1)。

8.根据权利要求1所述的自锁螺纹连接结构，其特征在于，所述第一连接件为螺母(2)，所述第二连接件为螺钉。

9.根据权利要求1所述的自锁螺纹连接结构，其特征在于，所述第一连接件为螺母(2)，所述第二连接件为螺杆。

10.一种自锁螺纹连接结构设计方法，其特征在于，用于设计权利要求1-9任意一项所述的自锁螺纹连接结构，所述自锁螺纹连接结构设计方法包括：

S1、确定第一连接件和第二连接件的材质；

S3、确定所述第一连接件的导程P1和所述第二连接件的导程P2中的一个；

S2、根据△＝|P1-P2|＝ε1*P1+ε2*P2，计算所述△以及所述第一连接件的导程P1和所述第二连接件的导程P2中的另一个。

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