CN117052768A - 一种圆弧螺纹连接副 - Google Patents

Abstract

本发明属于螺纹形状设计领域，具体涉及一种圆弧螺纹连接副。该圆弧螺纹连接副的内螺纹直线段具有与内螺纹过渡圆弧相切的第二切点，内圆弧螺纹上所述第二切点的连线距离连接副轴线的距离L₁、外圆弧螺纹上所述第一切点的连线距离连接副轴线的距离L₂满足：L₁≥L₂；所述内螺纹过渡圆弧的半径R₂、外螺纹牙底圆弧的半径r₂满足：R₂≤r₂。本发明通过内螺纹过渡圆弧消除了内螺纹直线段与内螺纹牙顶产生的尖端结构，通过第一切点连线、第二切点连线、内螺纹过渡圆弧、外螺纹牙底圆弧半径的相对位置设计，避免内螺纹牙顶和外螺纹牙底先接触，使内外螺纹接触时两螺纹直线部分优先接触，从而增大接触面积，降低螺纹接触区域的应力集中现象。

Description

一种圆弧螺纹连接副

技术领域

本发明属于螺纹形状设计领域，具体涉及一种圆弧螺纹连接副。

背景技术

螺纹连接是工业中常见的连接方式，广泛用于风力发电、船舶制造、汽车制造、航空航天、机械产品等领域，但在工程实际中螺栓的失效、断裂屡见不鲜，其中，疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。

紧固件的疲劳断裂65％发生在被联接件与螺母接触面附近的螺纹根部，这是因为螺栓根部应力分布不均匀、应力集中导致的。特别地，在交变载荷的作用下，当螺纹根部应力超过一定数值将产生局部初始裂纹，随着循环次数的增加其裂纹不断扩展，最终发生疲劳断裂，因此，改善螺纹根部受力不均、减少应力集中是提高螺栓疲劳强度的重要方法。

普通螺纹是最广泛使用的螺纹结构，使用面最广、使用的历史最长，但因为普通螺纹牙底圆角偏小，牙底的应力集中突出，抗疲劳能力较差。

MJ螺纹是一种较高疲劳强度的螺纹，具有尺寸精度高，外螺纹牙底为大圆弧状，螺纹小径大等特点。MJ螺纹的直径、螺距系列、牙形角与普通螺纹相同，不同之处是：MJ螺纹是在普通螺纹(M牙形)的基础上，将外螺纹牙底圆弧半径加大，其牙底为连续光滑的曲线，圆弧控制在0.1501P～0.18042P的范围内，使其牙底削平高度由H/4增大到(5/16)H，其精度比普通螺纹高，抗疲劳性能好于普通螺纹。

授权公告号为CN209818480U的中国实用新型专利公开了一种高强度圆弧螺纹连接副，其包括相互配合的外圆弧螺纹和内圆弧螺纹，外圆弧螺纹的牙型线由上牙顶圆弧、直线段、下牙底圆弧、直线段依次连接组成，上牙顶圆弧的半径和下牙底圆弧的半径相等，直线段分别与上牙顶圆弧、下牙底圆弧相切。内圆弧螺纹的牙型线由上半圆弧、切向直线段、牙顶、依次连接组成，牙顶为平面，切向直线段与上半圆弧相切。

以上圆弧螺纹连接副的两种典型设计参数为：(1)螺距6.35mm、外螺纹大径41.5mm、外螺纹中径39mm、外螺纹小径36.5mm、外螺纹牙高2.5mm、上下牙底圆弧半径1.5mm，内圆弧螺纹小径37.5mm、内螺纹牙高2.2mm、内螺纹牙底圆弧半径为2.2mm。(2)螺距8.5mm、外螺纹大径48.3mm、外螺纹中径45mm、外螺纹小径41.7mm、外螺纹牙高3.3mm、上下牙底圆弧半径2.0mm、内圆弧螺纹小径43.5mm、内螺纹牙高2.8mm、内螺纹牙底圆弧半径为2.8mm。

在以上设计参数之下，会使得内螺纹牙顶处的尖端结构靠近外螺纹牙底圆弧，在内外螺纹承载啮合时，内螺纹牙顶尖端结构与外螺纹圆弧先接触，在外圆弧螺纹牙底产生明显的高应力集中现象，降低螺纹连接副产品的疲劳性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆弧螺纹连接副，以解决内外螺纹接触时内螺纹尖端造成的高应力集中问题。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种圆弧螺纹连接副，包括相互配合的外圆弧螺纹、内圆弧螺纹，所述外圆弧螺纹的牙型线包括依次交替连接的外螺纹直线段、外螺纹牙底圆弧，外螺纹直线段具有与外螺纹牙底圆弧相切的第一切点，所述内圆弧螺纹的牙型线包括依次交替连接的内螺纹直线段、内螺纹过渡圆弧、内螺纹牙顶，所述内螺纹直线段具有与内螺纹过渡圆弧相切的第二切点，内圆弧螺纹上所述第二切点的连线距离连接副轴线的距离L₁、外圆弧螺纹上所述第一切点的连线距离连接副轴线的距离L₂满足：L₁≥L₂；

所述内螺纹过渡圆弧的半径R₂、外螺纹牙底圆弧的半径r₂满足：R₂≤r₂。

本发明提供的圆弧螺纹连接副，通过内螺纹过渡圆弧消除了内螺纹直线段与内螺纹牙顶产生的尖端结构，通过第一切点连线、第二切点连线、内螺纹过渡圆弧、外螺纹牙底圆弧半径的相对位置设计，避免内螺纹牙顶和外螺纹牙底先接触，使内外螺纹接触时两螺纹直线部分优先接触，从而增大接触面积，降低螺纹接触区域的应力集中现象。

优选地，外圆弧螺纹牙型角α₁与内圆弧螺纹牙型角α₂满足：α₁＝α₂＝60°；r₂-2δ≤R₂≤r₂，其中，δ为内、外圆弧螺纹配合后内螺纹小径与外螺纹小径的单侧间隙。采用上述设计方式，内、外螺纹加工过程简单，通用性好，可有效避免内外螺纹接触时因内螺纹尖端造成大的应力集中情况。

进一步优选地，0＜δ＜r₂/2。通过进一步优化单侧间隙为δ的取值，有助于提高内外螺纹的咬合率，从而进一步提高螺纹副的接触面积，进一步降低应力集中现象。

优选地，所述外圆弧螺纹螺距P₁、圆弧螺纹螺距P₂满足：5mm≤P₁≤d/6，P₁＝P₂，其中d为外螺纹大径。内外螺纹螺距均采用大螺距，可以使内圆弧螺纹牙底和外螺纹牙底采用大圆弧结构，可以有效降低内外螺纹牙底的应力集中现象。

进一步优选地，外螺纹牙高h_w满足：h_w＝(0.26-0.61)P₁。按该方式设计外螺纹牙高h_w，可有效提高圆弧螺纹连接副的抗疲劳性能。

更优选地，内外螺纹咬合率λ满足：其中h_w为外螺纹牙高，δ为内、外圆弧螺纹配合后内螺纹小径与外螺纹小径的单侧间隙。采用以上咬合率设计，可进一步优化承载性能和抗疲劳性能。

优选地，外圆弧螺纹的牙顶圆弧半径r₁、牙底圆弧半径r₂满足：r₁≥1mm；r₂≥1mm；其中h_w为外螺纹牙高。采用以上大圆弧设计，可进一步提高圆弧螺纹连接副的抗疲劳性能。

进一步优选地，外圆弧螺纹的牙顶圆弧半径r₁、牙底圆弧半径r₂相等。r₁＝r₂时，加工过程更加简便。

优选地，内螺纹牙高h_n、外螺纹牙高h_w满足：h_n＝(0.8-1.2)h_w。内螺纹牙高h_n、外螺纹牙高h_w满足该关系时，内外螺纹的啮合性能更可靠。

附图说明

图1为现有技术中普通圆弧螺纹内外螺纹接触状态示意图；

图2为本发明外螺纹牙型结构示意图；

图3为本发明内螺纹牙型结构示意图；

图4为本发明内外螺纹切点位置示意图；

图5为本发明内外螺纹接触示意图；

图6为本发明内螺纹过渡圆弧半径设计示意图；

图7为本发明内外螺纹关键参数设计示意图；

图8为本发明实施例1的圆弧螺纹副的轮廓曲线图；

图9为普通圆弧螺纹连接副内螺纹尖端结构的应力集中情况模拟结果；

图10为本发明的圆弧螺纹连接副的应力集中情况模拟结果；

其中，1-外螺纹牙顶圆弧；2-第一外螺纹直线段；3-外螺纹牙底圆弧；4-第二外螺纹直线段；5-内螺纹牙底圆弧；6-第一内螺纹直线段；7-第一内螺纹过渡圆弧；8-内螺纹牙顶；9-第二内螺纹过渡圆弧；10-第二内螺纹直线段。

具体实施方式

现有圆弧螺纹连接副在承载过程中，如图1所示，内圆弧螺纹的内螺纹牙顶与直线段形成尖端结构，该尖端结构会产生明显的高应力集中而降低螺纹连接副产品的疲劳性能。

本发明采用过渡圆弧设计、调整切点位置等方式，使内外螺纹直线段优先接触，增大接触面积，避免产生较强的应力集中现象。

下面结合附图为本发明的具体实施过程进行进一步说明。

如图2所示，外圆弧螺纹在过连接副轴线截面上的轮廓线，即外圆弧螺纹牙型线由外螺纹牙顶圆弧1、第一外螺纹直线段2、外螺纹牙底圆弧3、第二外螺纹直线段4依次交替连接而成，外螺纹直线段与外螺纹牙顶圆弧和外螺纹牙底圆弧均相切。

图2示出了外圆弧螺纹牙型结构，包括外圆弧螺纹螺距P₁、牙型角α₁、牙顶圆弧半径r₁、牙底圆弧半径r₂、螺纹牙高h_w、外螺纹大径d、外螺纹小径d₁、外螺纹中径d₂、外螺纹中径处的齿宽S_w。

内圆弧螺纹在过连接副轴线截面上的轮廓线，即内圆弧螺纹牙型线由内螺纹牙底圆弧5、第一内螺纹直线段6、第一内螺纹过渡圆弧7、内螺纹牙顶8、第二内螺纹过渡圆弧9和第二内螺纹直线段10依次交替连接而成，内螺纹直线段与内螺纹牙底圆弧和内螺纹过渡圆弧均相切。

内圆弧牙顶可以为曲线结构或直线结构，优选为直线结构以便于加工。

图3的内圆弧螺纹牙型结构示出了内螺纹螺距P₂、内螺纹牙型角α₂、内螺纹牙底圆弧半径R₁、过渡圆弧半径R₂、内螺纹牙高h_n、内螺纹大径D、内螺纹小径D₁。

外圆弧螺纹牙型角为α₁等于内圆弧螺纹牙型角α₂，即α₁＝α₂＝60°；

内圆弧螺纹过渡圆弧半径R₂小于或等于外圆弧螺纹牙底圆弧r₂，即R₂≤r₂。

外圆弧螺纹上，外螺纹直线段与外螺纹牙底圆弧相切，两者的交点形成第一切点。内圆弧螺纹上，内螺纹直线段与内螺纹过渡圆弧相切，两者的交点形成第二切点。如图4所示，内圆弧螺纹的第二切点连线(AA’)距离连接副轴线的距离L₁大于或等于外圆弧螺纹的第一切点连线(BB’)距离连接副轴线的距离L₁，即L₁≥L₂。

如图2所示，外螺纹直线段与牙底圆弧的切点距离外螺纹小径所在直线的距离为l_B，则

则：因此：/>

如图4和图5所示，当L₁≥L₂且内螺纹牙顶过渡圆弧半径R₂≤r₂时，内外螺纹啮合时，过渡圆弧和外螺纹牙底圆弧处不会优先接触。另外，内螺纹直线段与内螺纹牙底圆弧的切点连线距离连接副轴线的距离大于外螺纹直线段与外螺纹牙顶圆弧的切点连线距连接副轴线的距离，即可保证内螺纹牙底圆弧与外螺纹牙顶圆弧不发生提前接触。

内圆弧螺纹过渡圆弧半径R₂等于外圆弧螺纹牙底圆弧r₂，内螺纹直线段与内螺纹牙顶过渡圆弧的切点到连接副轴线的距离等于外螺纹直线段与螺纹牙底圆弧的切点到连接副的轴线的距离，即L₁＝L₂，为本技术方案的优选型。

外圆弧螺纹螺距5mm≤P₁≤d/6，内圆弧螺纹等螺距段螺距P₂，并且P₁＝P₂；外圆弧螺纹牙顶圆弧半径r₁≥1mm；外圆弧螺纹牙底圆弧半径r₂≥1mm。

如图2所示，外螺纹牙高h_w＝(0.3-0.7)H，H为原始三角形的高，即h_w＝(0.26-0.61)P₁。进一步地，外螺纹小径d₁＝d-2h_w。

如图6所示，当过渡圆弧过小时，过渡圆弧不会与内螺纹牙顶结构接触，当过渡圆弧与内螺纹牙顶结构和内螺纹直线段均相切时，过渡圆弧半径R₂取得最小值，当过渡圆弧半径R₂大于外螺纹牙底圆弧半径r₂时，内螺纹过渡圆弧段会与外螺纹牙底圆弧段优先接触，同样会造成螺纹牙底产生的高应力集中现象。

如图7所示，当过渡圆弧与直线段与牙顶同时相切时，此时A’到牙顶的距离

l_A+δ≥l_B因此则有：R₂≥r₂-2δ；

故r₂-2δ≤R₂≤r₂。

图7中，所述内螺纹小径与外螺纹小径的单侧间隙为δ，即δ＝(D₁-d₁)/2；进一步地，0＜δ＜r₂/2。

所述内螺纹牙高h_n＝(0.8-1.2)h_w，内螺纹小径D₁＝d₁+2δ，内螺纹大径D＝D₁+2h_n。

进一步地，内螺纹小径与外螺纹小径的单侧间隙为δ与内螺纹牙高h_n之和大于外螺纹牙高h_w，即δ+h_n＞h_w。

按照上述方法设计得到的圆弧螺纹连接副的具体实施例和通用实例与普通圆弧螺纹连接副的参数对比如下表1所示。

表1两种圆弧螺纹牙参数对比

图8示出了实施例1的圆弧螺纹副的轮廓曲线。普通圆弧螺纹连接副和以上具体实例1的圆弧螺纹副的应力集中情况模拟图分别如图9和图10所示。由图可以看出，利用本发明方式获得的圆弧螺纹副能有效降低应力集中现象，从而有利于提高圆弧螺纹副的承载能力及抗疲劳性能。

Claims (9)

1.一种圆弧螺纹连接副，包括相互配合的外圆弧螺纹、内圆弧螺纹，所述外圆弧螺纹的牙型线包括依次交替连接的外螺纹直线段、外螺纹牙底圆弧，外螺纹直线段具有与外螺纹牙底圆弧相切的第一切点，其特征在于，所述内圆弧螺纹的牙型线包括依次交替连接的内螺纹直线段、内螺纹过渡圆弧、内螺纹牙顶，所述内螺纹直线段具有与内螺纹过渡圆弧相切的第二切点，内圆弧螺纹上所述第二切点的连线距离连接副轴线的距离L₁、外圆弧螺纹上所述第一切点的连线距离连接副轴线的距离L₂满足：L₁≥L₂；

所述内螺纹过渡圆弧的半径R₂、外螺纹牙底圆弧的半径r₂满足：R₂≤r₂。

2.如权利要求1所述的圆弧螺纹连接副，其特征在于，外圆弧螺纹牙型角α₁与内圆弧螺纹牙型角α₂满足：α₁＝α₂＝60°；r₂-2δ≤R₂≤r₂，其中，δ为内、外圆弧螺纹配合后内螺纹小径与外螺纹小径的单侧间隙。

3.如权利要求2所述的圆弧螺纹连接副，其特征在于，0＜δ＜r₂/2。

4.如权利要求1所述的圆弧螺纹连接副，其特征在于，所述外圆弧螺纹螺距P₁、圆弧螺纹螺距P₂满足：5mm≤P₁≤d/6，P₁＝P₂，其中d为外螺纹大径。

5.如权利要求4所述的圆弧螺纹连接副，其特征在于，外螺纹牙高h_w满足：h_w＝(0.26-0.61)P₁。

6.如权利要求5所述的圆弧螺纹连接副，其特征在于，内外螺纹咬合率λ满足：其中h_w为外螺纹牙高，δ为内、外圆弧螺纹配合后内螺纹小径与外螺纹小径的单侧间隙。

7.如权利要求1所述的圆弧螺纹连接副，其特征在于，外圆弧螺纹的牙顶圆弧半径r₁、牙底圆弧半径r₂满足：r₁≥1mm；r₂≥1mm；其中h_w为外螺纹牙高。

8.如权利要求7所述的圆弧螺纹连接副，其特征在于，外圆弧螺纹的牙顶圆弧半径r₁、牙底圆弧半径r₂相等。

9.如权利要求1～8中任一项所述的圆弧螺纹连接副，其特征在于，内螺纹牙高h_n、外螺纹牙高h_w满足：h_n＝(0.8-1.2)h_w。