CN1673555A - 钢制螺栓组件 - Google Patents

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铃木守
宫川敏夫
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Abstract

是以提供一种钢制螺栓组件为目的,该钢制螺栓组件在制造上没有技术上的困难,制造成本廉价,通过简单的构成,提高抗疲劳强度。在阳螺纹的间距Pm小于阴螺纹的间距Pf的钢制螺栓组件中,其特征在于,将间距差ΔP(=Pf-Pm)设定在日本工业规格的JIS B 0205所规定的间距P的0.5~0.8%的范围内。

Description

钢制螺栓组件
技术领域
本发明涉及一种用于在作用有反复力(负荷)的土木构造物、建筑构造物、机械(工程机械、汽车、铁道车辆、压延机等)中的构造体、部件、零件的连接的钢制螺栓组件。
技术背景
在螺纹接头中,即使阳螺纹和阴螺纹在几何学上正确地嵌合吻合,也由于牵引应力作用在螺纹部的负荷分布是较大地集中在牵引应力侧,会产生一面从牵引应力负荷侧的螺纹牙开始引起塑性变形,一面破坏螺纹牙的问题。为了解决该问题,作为改善了抗疲劳特性的螺纹接头,在专利文献1(以往例1)以及专利文献(以往例2)中,对下述进行了公开,即,在牵引力方向,在螺栓头部侧,前端细地成型与阴螺纹嵌合的阳螺纹,向牵引力方向降低阳螺纹和阴螺纹的接触面积,使施加在螺纹牙上的负荷分担均等,据此,谋求提高抗疲劳寿命。在专利文献3(以往例3)中,公开了通过改善螺纹牙的形状,通过缓和沟底部的应力集中,谋求提高抗疲劳寿命。在专利文献4(以往例4)中,公开了使与阳螺纹嵌合的阴螺纹的螺纹牙的齿侧面角的一方或两方小于阳螺纹的齿侧面角,使各螺纹牙的负荷分担均等化,据此,谋求提高抗疲劳特性。在专利文献5(以往例5)中,公开了强力螺栓、螺母以及垫片的组件,该组件通过用多元曲线形成螺纹沟底部的形状,降低在啮合端螺纹底产生的应力集中,提高了耐延迟破坏特性、耐疲劳特性。
再有,在非专利文献1(以往例6)中,公开了使阳螺纹的间距小于阴螺纹的间距,若其间距差在0.3%左右,则可以改善抗疲劳强度。
[专利文献1]特开昭52-79163号公报
[专利文献2]特开昭52-131060号公报
[专利文献3]特开昭53-29780号公报
[专利文献4]特开昭58-160613号公报
[专利文献5]特开2003-4016号公报
[非专利文献1]用于有关高强度螺栓的紧固性能的标准化的调查研究报告书(第1报),日本螺纹研究协会,1978
但是,在牵引力方向,在螺栓头部侧,前端细地成型与以往例1,2的阴螺纹嵌合的阳螺纹的螺纹接头,存在制造成本高的问题,和为了固定螺母的最恰当的嵌合位置,基本没有相对于紧固长度的变化的余地的问题。另外,通过以往例3的螺纹牙形状的改善,缓和螺纹沟底部的应力集中的螺纹接头,存在因为齿侧面角与米制螺纹或标准螺纹不同,制造成本提高的问题。使与以往例4的阳螺纹嵌合的阴螺纹的螺纹牙的齿侧面角的一方或两方小于阳螺纹的齿侧面角,使各螺纹牙的负荷分担均等化的螺纹接头,由于需要高度的制造技术,在制造管理·品质管理上也需要大量的时间,所以存在制造成本升高的问题。通过用多元曲线形成以往例5的螺纹沟底部的形状,降低在啮合端螺纹底产生的应力集中的螺纹接头,由于需要高度的制造技术,在制造管理·品质管理上也需要大量的时间,所以存在制造成本升高的问题。
再有,使以往例6的阳螺纹的间距小于阴螺纹的间距,若其间距差在0.3%左右,虽然有改善效果,但是在实际的螺栓组件中,由于阳螺纹和阴螺纹的公差,该程度的间距差被吸收的情况很多,存在实际上所获得的抗疲劳强度的改善效果相当小的问题。
本发明为了解决上述以往技术中具有的课题,是以提供一种钢制螺栓组件为目的,该钢制螺栓组件在制造上没有技术上的困难,制造成本廉价,通过简单的构成,提高抗疲劳强度。
发明内容
第1发明是牵引变动应力作用在阳螺纹侧的钢制螺栓组件,其特征在于,将阳螺纹的间距Pm和阴螺纹的间距Pf的间距差ΔP(=Pf-Pm)设定在日本工业规格的JIS B 0205所规定的间距P(下称JIS间距P)的0.5~0.8%的范围内。
第2发明是在本第1发明的钢制螺栓组件中,其特征在于,上述阳螺纹的间距Pm或阴螺纹的间距Pf中的任意一方与JIS间距P一致。
第3发明是在本第1或第2发明的任一个发明的钢制螺栓组件中,其特征在于,上述螺栓组件的强度是比JIS B 1051所规定的强度区分12.9高的强度。
第4发明是在本第1-第3发明的任一个发明的钢制螺栓组件中,其特征在于,上述螺栓组件中的阳螺纹是在对螺栓进行热处理后滚轧成型的。
发明效果
将阳螺纹的间距Pm和阴螺纹的间距Pf的间距差ΔP(=Pf-Pm)设定在JIS B 0205所规定的间距P(下称JIS间距)的0.5~0.8%的范围内,通过这样的构成,由于使向钢制螺栓组件作用牵引力时的阳螺纹各螺纹牙的负荷分担大致均等化,可防止产生局部的应力集中,很大地提高抗疲劳强度,在提高延迟破坏特性上也有效。另外,也可以进行紧固长度的调整。若间距差ΔP大于0.8%,则阳螺纹和阴螺纹的嵌合困难,若间距差ΔP小于0.5%,则不能发挥充分的效果。
使阳螺纹、阴螺纹的任意一方的间距为JIS间距,将另一方的螺纹的间距相对于一方的JIS间距,使间距差ΔP变化而成型,根据这样的构成,因为可以使用JIS间距,所以可降低制造成本。
因为仅仅改变模具,即可制造,所以在制造上没有技术上的困难,可以使制造成本廉价。
因为不论螺纹的形式怎样,均可应用,所以应用范围广泛。
可以应用于埋入螺栓组件,也可以应用于强力螺栓组件。
通过在热处理后滚轧螺纹,可以向螺纹沟底部施加压缩残留应力,提高抗疲劳强度。
附图说明
图1(a)、(b)、(c)、(d)是表示本发明的钢制螺栓组件的牵引力作用时的变化的图。
图2是表示阳螺纹的沟底的应力度的评价点的图。
图3是表示牵引力作用于阳螺纹的螺纹间距和阴螺纹的螺纹间距为相等的情况时的阳螺纹的各螺纹部的负荷分担的状态的图。
图4是表示牵引力作用在间距差为0.5%的情况的本发明的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的负荷分担的图。
图5是表示牵引力作用于阳螺纹的螺纹间距和阴螺纹的螺纹间距为相等的情况时的阳螺纹的各螺纹部的沟底的应力度的图。
图6是表示牵引力作用在间距差为0.3%的情况的本发明的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的沟底应力度的图。
图7是表示牵引力作用在间距差为0.5%的情况的本发明的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的沟底应力度的图。
图8是表示牵引力作用在间距差为0.8%的情况的本发明的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的沟底应力度的图。
图9是按各个间距差,表示与第1螺纹部的沟底应力度的螺纹部平均应力度相应的线的图。
具体实施方式
通过图说明本发明的实施方式。图1(a)、(b)、(c)、(d)是表示牵引力作用在本发明的使阳螺纹的螺纹间距Pm小于阴螺纹的螺纹间距Pf的钢制螺栓组件上时的、作用在各螺纹牙上的负荷的分担状态。
步骤1:图1(a)是表示设定螺栓和螺母时(螺栓张力=0)的状态。从螺栓头侧开始向螺纹端侧依次为第1~第6螺纹部。在该状态下,第6螺纹部的螺栓和螺母的螺纹齿侧面在螺栓头侧接触,第1螺纹部~第5螺纹部的螺栓和螺母的螺纹面在螺栓头侧为非接触,螺栓头侧的间隙从第5螺纹部向第1螺纹部逐渐增大。反之,第1螺纹部~第5螺纹部的螺栓和螺母的螺纹齿侧面在螺纹端侧接触,从第5螺纹部向第1螺纹部的接触压力增大。
另外,在图中,为了在视觉上表示接触压力的大小,而将阳螺纹的牙的一部分和阴螺纹的牙的一部分重合进行描绘,该重合越大,表示接触压力越大,但在实际中,阳螺纹的牙和阴螺纹的牙不会像图那样重合。在下面的步骤2~4中也是同样。
步骤2:图1(b)是表示牵引力向箭头方向作用在螺栓组件上,螺栓张力逐渐增大的状态。随着螺栓张力的增大,阳螺纹各螺纹部依照从第6螺纹部向第1螺纹部的顺序开始分担负荷。在该时期,负荷分担在第6螺纹部最大,随着趋近螺栓头侧而减小。在牵引力的作用初期,第1螺纹部或第2螺纹部的螺栓和螺母的螺栓头侧的螺纹齿侧面依然是非接触。
步骤3:图1(c)是表示作用在螺栓组件上的牵引力进一步增大的状态。第1螺纹部~第6螺纹部所有的螺纹部分担负荷,负荷分担在第6螺纹部最大,越趋近第1螺纹部越小。
步骤4:图1(d)是表示作用在螺栓组件上的牵引力进一步增大的状态。从第6螺纹部向第1螺纹部的螺纹的沟底开始屈服,随着沟底的塑性形变的增大,应力被再分配,阳螺纹的各螺纹部的负荷分担均等化。
在公称直径M22的钢制螺栓组件中,没有间距差的一般的螺栓组件的情况和具有间距差的本发明的螺栓组件的情况的螺栓的各螺纹部的负荷分担的状态表示如下。作为螺栓材料,使用屈服点为1300N/mm2,塑性硬化率为0.5%的钢材,作为螺母材料,使用屈服点为900N/mm2,塑性硬化率为0.5%的钢材。另外,阳螺纹的形状采用在特公平6-89768号公报(强力螺栓·螺母·垫片的组件)中所记载的发明。
图3是表示牵引力作用于阳螺纹的螺纹间距Pm和阴螺纹的螺纹间距Pf为相等的没有间距差的一般的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的负荷分担力的状态。在图中的图例的记号N为作用的牵引力。在该情况下,牵引力作用时的负荷分担在第1螺纹部最大,从第1螺纹部向第9螺纹部逐渐减小。另外,从螺栓头侧向螺纹端侧为第1螺纹部、第2螺纹部、....、第9螺纹部。
图4是表示牵引力作用在间距差ΔP为0.5%的情况下的本发明的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的负荷分担的状态。在该情况下,牵引力作用时的负荷分担在第9螺纹部最大,从第9螺纹部向第1螺纹部减小。
接着,表示在公称直径M22的钢制螺栓组件中,没有间距差的一般的螺栓组件的情况和具有间距差的本发明的螺栓组件的情况的螺栓的各螺纹部沟底的应力状态。图2是表示螺栓螺纹部的沟底的应力度的评价点。
图5是表示牵引力作用于阳螺纹的螺纹间距Pm和阴螺纹的螺纹间距Pf为相等的没有间距差的一般的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的沟底的应力度(下称沟底应力度)的状态。纵轴是各螺纹部的沟底的应力度,横轴是螺纹部有效截面的平均应力度(下称螺纹部平均应力度)。在这里所采用的阳螺纹形状的沟底的应力集中系数为1.5左右。因此,若使阳螺纹的各螺纹部的负荷分担均一化,则如图5所示,螺纹部平均应力度和各螺纹部的沟底应力度的关系,与由螺纹部平均应力度乘以系数1.5的直线所示的基准线大致一致。图5所示的是,表示与各螺纹部的沟底的应力度的螺纹部平均应力度相应的状态的线,较大地离开上述基准线,牵引力作用时的第1螺纹部的沟底应力度最大,从第1螺纹部的沟底向第9螺纹部的沟底减小。
图6是表示牵引力作用在间距差ΔP为0.3%的情况的本发明的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的沟底应力度的变化。与阳螺纹和阴螺纹没有间距差的图5相比,与各螺纹部的沟底应力度的螺纹部平均应力度相应的线接近基准线,特别是在螺纹部平均应力度为200N/mm2之前,各螺纹部的沟底应力度的线大致与基准线重合,表示各螺纹部的负荷分担均一化。另外,在本分析中,是以公差为0进行计算。实际上因为存在公差,所以由于这种程度的间距差,在提高抗疲劳强度方面效果小。
图7是表示牵引力作用在间距差ΔP为0.5%的情况的本发明的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的沟底应力度的变化。与图6的情况相比,与各螺纹部的沟底应力度的螺纹部平均应力度相应的线,即使是在螺纹部平均应力度大的情况下(400N/mm2),也进一步逐渐接近基准线。各螺纹部的负荷分担在螺纹部平均应力度的整个区域进一步均一化,同时,特别是对提高抗疲劳强度有效的第1螺纹部的沟底应力度与没有间距差的情况或与ΔP=0.3%的情况相比,大幅降低。
图8是表示在进一步增大间距差ΔP的情况下,牵引力作用在间距差ΔP为0.8%的情况的本发明的螺栓组件上时的阳螺纹的各螺纹部的沟底应力度的变化。与图7的情况相比,与各螺纹部的沟底应力度的螺纹部平均应力度相应的线,即使是在螺纹部平均应力度大的情况下(600N/mm2),也进一步逐渐接近基准线,各螺纹部的负荷分担在螺纹部平均应力度的整个区域进一步均一化。另外,第1螺纹部的沟底应力度进一步降低,可以遍及螺纹部平均应力度的广大范围,改善抗疲劳强度。
图9是按各个间距差ΔP,表示与第1螺纹部的沟底的应力度的螺纹部平均应力度相应的线。间距差ΔP越大,第1螺纹部的沟底应力度越接近基准线,可以明确在螺纹部平均应力度的广大范围内,提高抗疲劳强度的效果大。
表1是表示本发明的钢制螺栓组件和以往的螺栓组件的疲劳试验的结果。疲劳试验按下述方法实施,使用500KN以及1000KN的伺服千斤顶试验机,反复负荷为正弦波,载荷速度为300转/分。表中,螺纹形状栏的JIS为米制标准螺纹。以往的螺栓组件都是阳螺纹和阴螺纹的间距为JIS间距。本发明的螺栓组件是,相对于将阴螺纹的间距固定为JIS间距的情况,和将阳螺纹的间距固定为JIS间距P的情况的两种水平,分别使间距差ΔP以3的水平变化。另外,前滚轧是在热处理前滚轧阳螺纹,后滚轧是在热处理后滚轧阳螺纹。应力比是最小应力度和最大应力度的比。试验结果是全振幅的值。表中的网格部的试验体表示在螺栓头下部切断后的物体,其他是在螺母内第1螺纹部切断。
[表1]
表1:本发明的螺栓和以往的螺栓的疲劳试验结果                                  (单位N/mm2)
                 以往                                本发明
试验负荷 螺栓强度 螺纹强度 基本设定   特开昭52-79163发明         阳螺纹间距变更(ΔP)     阴螺纹间距变更(ΔP)
       螺栓   螺母   0.3%   0.5%      0.8% 0.3% 0.5%     0.8%
前滚轧 后滚轧            前滚轧 后滚轧          前滚轧 后滚轧
应力比一定5/8   10T  JIS  71     93   140   86   81   105   107   141   78   102   105     140
  14T  SHTB  127     140   172   136   130   172   170   170   129   171   175     175
平均应力一定0.7×牵引强度   10T  JIS  84     111   123   103   95   116   114   122   93   113   114     122
  14T  SHTB  108     131   147   117   115   148   150   150   113   146   149     145
注:
1.疲劳试验方法
使用500KN以及1000KN的伺服千斤顶试验机实施。反复负荷为正弦波。载荷速度为300转/分。
2.基本设定为螺栓、螺母均为螺纹间距JIS间距P。
3.前滚轧是在热处理前滚轧阳螺纹,后滚轧是在热处理后滚轧阳螺纹。
4.在变更阳螺纹间距的情况下,阴螺纹间距为JIS间距P。
5.在变更阴螺纹间距的情况下,阳螺纹间距为JIS间距P。
6.应力比=最小应力度/最大应力度
7.试验结果为全振幅的值。
8.着色部的试验体为在螺栓头部切断,其他的在螺母内第1螺纹部切断。
从表1所示的疲劳试验结果来看即可明白,本发明的钢制螺栓组件具有与在专利文献1中所记载的发明同样的提高抗疲劳强度的效果,特别是与没有进行螺纹加工的以往的螺栓组件相比,大幅地提高了抗疲劳强度。另外,本发明的钢制螺栓组件因为在阳螺纹部的抗疲劳强度提高很大,所以在本次的疲劳试验中,钢制螺栓组件的抗疲劳强度是由螺栓头下部的抗疲劳强度所决定的。因此,若将本发明的钢制螺栓组件的头下部形状与例如特公平6-89768号公报所记载的发明那样的可缓和应力集中的形状组合,可以进一步提高抗疲劳强度。
本发明的钢制螺栓组件不仅仅可以应用在一般的米制螺纹中,也可以应用在米制梯形螺纹或管用平行螺纹等中。
另外,本发明的钢制螺栓组件,也可以应用在埋入螺栓或植入螺栓中。

Claims (4)

1.一种抗疲劳强度优异的钢制螺栓组件,是牵引变动应力作用在阳螺纹侧的钢制螺栓组件,其特征在于,将阳螺纹的间距Pm和阴螺纹的间距Pf的间距差ΔP(=Pf-Pm)设定在日本工业规格的JIS B 0205所规定的间距P(下称JIS间距P)的0.5~0.8%的范围内。
2.如权利要求1所述的钢制螺栓组件,其特征在于,上述阳螺纹的间距Pm或阴螺纹的间距Pf中的任意一方与JIS间距P一致。
3.如权利要求1或2中的任一项所述的钢制螺栓组件,其特征在于,上述螺栓组件的强度是比JIS B 1051所规定的强度区分12.9高的强度。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的钢制螺栓组件,其特征在于,上述螺栓组件的阳螺纹是在螺栓的热处理后滚轧成型的。
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