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文章出處：螺絲百科 網(wǎng)責(zé)任編輯： 法士威精密零件 閱讀量： 發(fā)表時間：2025-11-26
螺紋形狀對螺栓疲勞強度有著顯著影響。通過優(yōu)化螺紋根部半徑，疲勞強度可以從60MPa提升到110MPa，甚至使壽命翻倍。今天我們通過對比試驗與仿真分析，量化展示這種優(yōu)化措施的優(yōu)勢和準確性，揭示微小改動如何顯著提升螺紋性能。
01
60度螺紋及其變種
盡管60度螺紋因其適用性和標準化而被廣泛采用，然而，為了更好地適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場景和特定需求，60度螺紋衍生出了多種變種。其中，最具有代表性的當屬UN（Unified National）螺紋及其變種UNJ和UNR。這些螺紋的主要區(qū)別在于根部半徑的不同。
UN螺紋是標準英制螺紋，UNJ和UNR是其變種。M螺紋是標準公制螺紋，MJ是其變種。從根部半徑的大小來看，UNR與M螺紋相當，都采用了略微圓滑的根部設(shè)計。相比之下，UNJ與MJ螺紋則具有更大幅度的圓滑根部設(shè)計，這種設(shè)計增強了螺紋的疲勞強度。
02
試驗設(shè)置
選擇螺紋形狀時，較大的根部圓角在疲勞強度方面存在優(yōu)勢已成為共識。為了量化這種優(yōu)勢，可以通過對比試驗進行驗證。具體步驟如下：
首先，為了方便識別位置，對螺紋嚙合區(qū)域內(nèi)各螺牙進行編號，如下圖所示。
接著，準備不同螺栓，以區(qū)分不同根部半徑和不同螺距對螺栓性能的影響。具體包括三種不同根部圓角半徑的M16螺栓，分別為0.29mm、0.58mm和0.87mm，以及兩種不同螺距的螺栓，分別為2.0mm和2.015mm。所有配對螺母的高度均保持一致，均為16mm，且螺母的螺紋根部半徑未做修改，螺距為2.0mm。在實際應(yīng)用中，旨在增強疲勞強度的螺紋根部半徑優(yōu)化措施僅實施于外螺紋（螺栓），而內(nèi)螺紋（螺母）通常不需要優(yōu)化根部半徑，因為內(nèi)螺紋的設(shè)計輪廓已經(jīng)能夠提供足夠的強度和配合精度。
然后，準備疲勞試驗臺及夾具。試驗中的螺栓連接狀態(tài)如下圖展示：螺母側(cè)和螺栓頭側(cè)分別位于設(shè)備的兩個不同的上下框架中，下側(cè)框架固定在機器上，上側(cè)框架承受循環(huán)載荷。
最后，統(tǒng)一試驗參數(shù)。為了消除緊固扭矩的影響，試驗中被試件的緊固扭矩被設(shè)置為0。下表顯示了實驗中設(shè)置的載荷條件。S-N曲線是根據(jù)五個應(yīng)力幅值水平下的實驗結(jié)果獲得的，疲勞極限設(shè)置為2 × 106次循環(huán)。
03
根部圓角半徑對螺栓疲勞強度的影響
兩種螺距下的三種不同根部圓角半徑螺紋的疲勞試驗結(jié)果如下圖所示：
當螺距為2.0mm時，如上圖左，隨著根部圓角半徑的增大，螺栓連接的疲勞極限從60MPa增加到80MPa。圓角半徑0.87mm（3ρ0）的疲勞壽命分是圓角半徑0.58mm（2ρ0）和0.29mm（ρ0）的1.54倍和3倍。
當螺距為2.015mm時，如上圖右，當應(yīng)力為130MPa時，圓角半徑0.58mm（2ρ0）的疲勞壽命比圓角半徑0.29mm（ρ0）時提高了2倍。疲勞極限從60MPa提高到100MPa。根部半徑0.87mm的疲勞極限高達110MPa。
也就是說，根部半徑從0.29mm，分別增加到0.58mm和0.87mm時，螺栓連接的疲勞極限分別提高了67%和83%。
04
螺距-根部半徑對疲勞強度的影響
將不同螺距和不同根部半徑的疲勞壽命對比發(fā)現(xiàn)：
當根部圓角半徑為0.29mm時，隨著螺距從2.0mm增加到2.015mm，盡管疲勞極限保持不變，但疲勞壽命顯著提高。
螺距為2.0mm時，根部圓角半徑0.58mm（2ρ0）的螺栓疲勞壽命是0.29mm（ρ0）的兩倍，疲勞極限從60MPa提高到80MPa，增加了33%。
引入螺距2.015mm對比組，并將根部圓角半徑增大到0.58mm，疲勞極限提高了67%，應(yīng)力幅值為160MPa時，疲勞壽命提高了162%。
05
疲勞裂紋觀察
疲勞裂紋有助于進一步了解螺栓在疲勞試驗中的失效機制，下圖是疲勞實驗后從螺栓外表面觀察到的螺牙編號與裂紋形態(tài)示意圖。
當螺距為2.0mm時，即便不同圓角半徑和應(yīng)力，裂紋通常集中在第1或第2個螺紋處，并且裂紋擴展導(dǎo)致螺栓在同一螺紋處最終斷裂，而不會延伸到其他螺紋。
然而，當螺距增加到2.015mm時，裂紋的擴展行為發(fā)生了變化。初始裂紋在第6或第7個螺紋處產(chǎn)生，并在該螺紋處擴展。隨后，裂紋依次在第5、第4……直到第1個螺紋處出現(xiàn)，最終導(dǎo)致螺栓失效。
下圖展示了疲勞測試后螺栓螺紋表面和螺母截面的示例：
在相同螺距2.015mm的情況下，圓角半徑0.29mm和0.58mm的螺紋表面狀態(tài)幾乎相同。通過增大螺紋根部圓角半徑，沒有看到螺紋剝落現(xiàn)象。
06
有限元分析
有限元分析有助于進一步驗證試驗結(jié)構(gòu)。有限元網(wǎng)格示例如圖：
有限元模型的彈塑性分析在與實驗相同的加載條件下進行。夾緊體的螺栓頭側(cè)固定，軸向力F = 30 ± 14.1 kN施加在螺栓頭上。螺栓根部的應(yīng)力幅值和名義應(yīng)力幅值分別為213 MPa和100 MPa。
6.1 相同螺距下的螺栓根部應(yīng)力
當螺距為2.0mm時，最危險的部分位于第2螺紋。將根部圓角半徑從0.29mm增大到 0.58mm時，第2個螺紋處的平均應(yīng)力減少約6%，應(yīng)力幅值減少約38%。
當螺距為2.015mm時，最危險的部分位于第6和第7個螺紋附近。根部圓角半徑從0.29mm增大到0.58mm時，第6個螺紋處的平均應(yīng)力減少約8%，應(yīng)力幅值減少約26%。
以上結(jié)果與上文中斷裂表面觀察結(jié)果一致。
6.2 不同螺距的根部應(yīng)力
下圖比較了不同根部圓角半徑，不同螺距下的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值。
當螺距從2.015mm增加到2.033mm時，根部圓角半徑0.29mm和0.58mm的螺栓應(yīng)力分布式相同的。遠離螺栓頭一側(cè)的最大應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力與實驗結(jié)果一致。
螺絲君經(jīng)驗與總結(jié)
L.S.ENGINEER Experience and Summary
實驗結(jié)果表明，通過增大螺栓根部圓角半徑，疲勞極限可提高超過30%，壽命提升1.5倍到3倍。優(yōu)化螺距可以控制螺紋裂紋失效位置。在優(yōu)化螺距和圓角半徑的情況下，疲勞壽命可提高162%。
由此可見，增大螺栓根部圓角半徑并優(yōu)化合適的螺距可以有效地提高螺栓螺母連接的疲勞壽命和疲勞極限。
緊固件，是作緊固連接用且應(yīng)用廣泛的一類機械零件。緊固件，使用行業(yè)廣泛，包括能源、電子、電器、機械、化工、冶金、模具、液壓...
2019-04-23
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