(12)发明专利
(10)授权公告号 CN 111853023 B(45)授权公告日 2022.03.11
(21)申请号 202010698977.0(22)申请日 2020.07.20
(65)同一申请的已公布的文献号
申请公布号 CN 111853023 A(43)申请公布日 2020.10.30
(73)专利权人 中船动力研究院有限公司地址 201306 上海市浦东新区临港新城新
元南路600号1号厂房408室(72)发明人 王奎 屠丹红
(74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司
11332
代理人 胡彬(51)Int.Cl.
F16B 33/02(2006.01)G06F 30/17(2020.01)
(54)发明名称
一种螺纹设计方法及螺纹连接结构(57)摘要
尤其涉及一本发明涉及螺纹连接技术领域，
种螺纹设计方法及螺纹连接结构。该螺纹设计方法包括以下步骤：S1：建立第一连接件和第二连接件在采用原始螺纹连接时的有限元模型；S2：获取内螺纹和外螺纹中任一个中的配合位置处的各螺纹牙的位移；S3：根据各螺纹牙的位移，增大所述螺纹牙对应的螺距，且相邻的两个螺纹牙的位移之差越大，螺距的增值越大；S4：根据调整后的螺距生成配合位置处的螺纹。该螺纹设计方法中，根据各螺纹牙的位移情况，调整各螺纹牙对应的螺距，生成变螺距螺纹，从而使各螺纹牙的载荷分布更均匀，有利于提高螺纹连接结构的强度。
G06F 30/23(2020.01)
(56)对比文件
JP 2007-321858 A,2007.12.13CN 101737393 A,2010.06.16US 1922689 A,1933.08.15CN 201650980 U,2010.11.24CN 1673555 A,2005.09.28CN 106438657 A,2017.02.22CN 101796312 A,2010.08.04CN 103322007 A,2013.09.25
审查员 王晴
权利要求书1页 说明书5页 附图2页
CN 111853023 BCN 111853023 B
权 利 要 求 书
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1.一种螺纹设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立第一连接件(1)和第二连接件(2)在采用原始螺纹连接时的有限元模型；S2：获取内螺纹和外螺纹中任一个中的配合位置处的各螺纹牙的位移；S3：根据各螺纹牙的位移，增大所述螺纹牙对应的螺距，且相邻的两个螺纹牙的位移之差越大，螺距的增值越大；
S4：根据调整后的螺距生成配合位置处的螺纹；步骤S3包括：
计算各螺纹牙调整后的螺距Pn：若n≤k，则P′δ(Sn‑Sn+1)；n＝Pn+若n＞k，则P′δ(Sn‑Sn‑1)；n＝Pn+其中，Sn为由所述内螺纹和所述外螺纹的旋入端起第n个螺纹牙的位移，P′n为由所述内螺纹和所述外螺纹的旋入端起第n个螺纹牙与第n+1个螺纹牙间调整后的螺距，Pn为由所述内螺纹和所述外螺纹的旋入端起第n个螺纹牙与第n+1个螺纹牙间的原始螺距，k为位移最小的螺纹牙的序号，δ为设定的变螺距系数。
2.如权利要求1所述的螺纹设计方法，其特征在于，步骤S2中，所述螺纹牙的位移为所述螺纹牙的轴向最大位移。
3.如权利要求1所述的螺纹设计方法，其特征在于，所述变螺距系数的取值范围为：
其中，ΔS为原始螺纹的螺纹配合间隙。4.如权利要求1所述的螺纹设计方法，其特征在于，若n＝k，则变螺距系数为零，P′k＝Pk。
5.如权利要求1‑4中任一项所述的螺纹设计方法，其特征在于，在步骤S4中，生成的螺纹的螺纹牙的形状及尺寸与原始螺纹牙的形状及尺寸相同。
6.如权利要求1‑4中任一项所述的螺纹设计方法，其特征在于，在步骤S4中，内螺纹和外螺纹二者中任一个的配合位置处按照调整后的螺距生成的螺纹，二者中的另一个采用原始螺纹。
7.如权利要求1‑4中任一项所述的螺纹设计方法，其特征在于，所述原始螺纹为等螺距螺纹。
8.如权利要求1‑4中任一项所述的螺纹设计方法，其特征在于，所述螺纹设计方法还包括：
S5：重复步骤S1‑S4，直至配合位置处的各螺纹牙的位移的最大值和最小值之差不大于预设差值。
9.一种螺纹连接结构，其特征在于，包括：第一连接件(1)，所述第一连接件(1)上设置有螺纹孔；第二连接件(2)，所述第二连接件(2)上设置有螺柱，所述螺柱与所述螺纹孔螺纹连接；所述螺柱或所述螺纹孔二者中的一个在配合位置处的螺纹采用如权利要求1‑8中任一项所述的螺纹设计方法生成。
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说 明 书
一种螺纹设计方法及螺纹连接结构
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技术领域
[0001]本发明涉及螺纹连接技术领域，尤其涉及一种螺纹设计方法及螺纹连接结构。背景技术
[0002]机械结构中，很多需要连接的两部件使用螺栓进行连接紧固，螺栓连接的可靠性至关重要，但是在螺纹连接中存在螺纹牙受力不均的问题，一般前几牙承担了大部分载荷，导致前几牙的应力与其他螺纹牙相比大很多，前几牙的强度失效会导致螺栓连接的失效，从而降低了螺栓的承载能力。[0003]因此，亟需一种螺纹设计方法及螺纹连接结构，以解决螺纹牙载荷分布不均的问题。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提出一种螺纹设计方法及螺纹连接结构，能够解决螺纹牙载荷分布不均的问题，从而提高螺栓的承载能力。[0005]为达此目的，本发明采用以下技术方案：[0006]一种螺纹设计方法，包括以下步骤：[0007]S1：建立第一连接件和第二连接件在采用原始螺纹连接时的有限元模型；[0008]S2：获取内螺纹和外螺纹中任一个中的配合位置处的各螺纹牙的位移；[0009]S3：根据各螺纹牙的位移，增大所述螺纹牙对应的螺距，且相邻的两个螺纹牙的位移之差越大，螺距的增值越大；[0010]S4：根据调整后的螺距生成配合位置处的螺纹。[0011]其中，步骤S2中，所述螺纹牙的位移为所述螺纹牙的轴向最大位移。[0012]其中，步骤S3包括：
[0013]计算各螺纹牙调整后的螺距P：n[0014]若n≤k，则P'n＝Pn+δ(Sn‑Sn+1)；[0015]若n＞k，则P'n＝Pn+δ(Sn‑Sn‑1)；[0016]其中，Sn为由所述内螺纹和所述外螺纹的旋入端起第n个螺纹牙的位移，P'n为由所述内螺纹和所述外螺纹的旋入端起第n个螺纹牙与第n+1个螺纹牙间调整后的螺距，Pn为由所述内螺纹和所述外螺纹的旋入端起第n个螺纹牙与第n+1个螺纹牙间的原始螺距，k为位移最小的螺纹牙的序号，δ为设定的变螺距系数。[0017]其中，所述变螺距系数的取值范围为：
[0018][0019][0020][0021]
其中，ΔS为原始螺纹的螺纹配合间隙。
其中，若n＝k，则变螺距系数为零，P'k＝Pk。其中，在步骤S4中，生成的螺纹的螺纹牙的形状及尺寸与原始螺纹牙的形状及尺
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说 明 书
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寸相同。
[0022]其中，在步骤S4中，内螺纹和外螺纹二者中任一个的配合位置处按照调整后的螺距生成的螺纹，二者中的另一个采用原始螺纹。[0023]其中，所述原始螺纹为等螺距螺纹。[0024]其中，所述螺纹设计方法还包括：[0025]S5：重复步骤S1‑S4，直至配合位置处的各螺纹牙的位移的最大值和最小值之差不大于预设差值。
[0026]一种螺纹连接结构，包括：[0027]第一连接件，所述第一连接件上设置有螺纹孔；[0028]第二连接件，所述第二连接件上设置有螺柱，所述螺柱与所述螺纹孔螺纹连接；[0029]所述螺柱或所述螺纹孔二者中的一个在配合位置处的螺纹采用上述的螺纹设计方法生成。
[0030]有益效果：本发明提供了一种螺纹设计方法及螺纹连接结构。该螺纹设计方法中，根据各螺纹牙的位移情况，调整各螺纹牙对应的螺距，生成变螺距螺纹，从而使各螺纹牙的载荷分布更均匀，有利于提高螺纹连接结构的强度。附图说明
[0031]图1是本发明提供的螺纹连接结构的结构示意图；[0032]图2是本发明提供的螺纹设计方法的流程图；
[0033]图3是本发明提供的第一连接件中各螺纹牙在受力前后的结构示意图。[0034]其中：[0035]1、第一连接件；2、第二连接件。
具体实施方式
[0036]下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。[0037]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
[0038]除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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；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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0039]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
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说 明 书
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特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征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。
[0040]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。[0041]如图1所示，本实施例提供了一种螺纹连接结构，包括第一连接件1和第二连接件2，第一连接件1上设置有螺纹孔，第二连接件2上设置有螺柱，螺柱与螺纹孔螺纹配合。[0042]为避免螺柱在与螺纹孔配合时，螺纹牙因受力不均导致连接失效，本实施例还提供了一种螺纹设计方法，根据螺纹牙的实际受力情况，调整螺纹牙的螺距，从而使多个螺纹牙的载荷分布更均匀，以避免螺纹连接失效。[0043]具体地，如图2所示，螺纹设计方法包括：[0044]S1：建立第一连接件1和第二连接件2在采用原始螺纹连接时的有限元模型。本实施例中，原始螺纹为标准的等螺距纹螺，原始螺纹的具体参数可以按照螺纹连接结构的具体使用工况选择。
[0045]在其他实施例中，原始螺纹也可以为非标准螺纹，包括但不限于变螺距纹螺。[0046]S2：获取内螺纹和外螺纹中任一个中的配合位置处的各螺纹牙的位移。[0047]设计螺纹时，可以选择螺柱和螺纹孔二者中的一个的螺纹进行设计，另一个的螺纹采用原始螺纹，以保证设计后螺柱和螺纹孔的顺利配合。[0048]螺柱和螺纹孔实际配合时，外螺纹和内螺纹可能仅部分配合，因此，本实施例中，仅对螺柱和螺纹孔二者中的一个在配合位置处的螺纹进行设计。[0049]根据实际载荷工况，对螺柱施加螺纹连接力F，通过对三维模型按照实际载荷工况进行有限元分析计算，可以得到配合位置处内螺纹的各个螺纹牙的变形情况。如图3所示，以螺柱由下方向上旋入螺纹孔为例，各螺纹牙将产生向下位移，以靠近旋入端的第一个螺纹牙为例，第一个螺纹牙将由第一位置a移动至第二位置a＇。[0050]为方便加工设计后的螺柱或螺纹孔，在选取螺柱或螺纹孔进行优化设计时，可以根据螺柱和螺纹孔的加工难度等因素，选取较易加工的螺纹进行分析和改进设计。本实施例中，以螺纹孔中与螺杆配合部分的螺纹为例进行分析和设计。[0051]为方便理解本实施例提供的螺纹设计方法，本实施例提供了一示例，该示例中螺纹连接结构为M80螺栓结构，原始螺纹为等螺距，且螺距为6mm，螺纹孔与螺栓配合位置处的螺纹牙数为15。
[0052]以螺纹孔中最靠近旋入端的螺纹牙为1号螺纹牙，按照螺柱的旋入方向依次排列至15号螺纹牙，通过对该示例对应三维模型进行有限元分析，可以得到1‑15号螺纹牙的位移值如表1所示。[0053]表1
[0054]
螺纹牙变形/mm螺纹牙变形/mm1
0.129190.0942
0.121910
0.09253
0.116211
0.0917
5
4
0.1111120.09165
0.1065130.0926
0.1025140.09347
0.0991150.09818
0.0962//
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其中，每个螺纹牙的位移为螺纹牙的轴向最大位移。具体地，每个螺纹牙的位移为
螺纹牙的尖端的轴向位移。[0056]S3：根据各螺纹牙的位移，增大螺纹牙对应的螺距，且相邻的两个螺纹牙的位移之差越大，螺距的增值越大。
[0057]由表1中的数据可知，螺纹孔和螺柱在采用原始螺纹进行连接时，沿螺柱旋入方向，多个螺纹牙的变形具有先减小再增大的趋势。可以理解的是，螺纹牙的位移量越大，螺纹牙受到的应力相对较大。
[0058]为使各个螺纹牙的载荷分布更均匀，可以相应增大承载载荷较大的相邻两个螺纹牙之间的螺距，以使螺柱与螺纹孔配合时，减小对应位置处的螺纹牙的载荷，降低螺纹牙的最大应力，提高螺栓连接结构的承载能力。
[0059]为使螺距的调整与实际受力情况匹配，各螺纹牙调整后的螺距Pn可以采用下述公式计算：
[0060]若n≤k，则P'n＝Pn+δ(Sn‑Sn+1)；[0061]若n＞k，则P'n＝Pn+δ(Sn‑Sn‑1)；[0062]其中，Sn为由内螺纹和外螺纹的旋入端起第n个螺纹牙的位移，P'n为由内螺纹和外螺纹的旋入端起第n个螺纹牙与第n+1个螺纹牙间调整后的螺距，Pn为内螺纹由内螺纹和外螺纹的旋入端起第n个螺纹牙与第n+1个螺纹牙间的原始螺距，k为位移最小的螺纹牙的序号，δ为设定的变螺距系数。
[0063]通过上述公式计算每个螺纹牙调整后的螺距，可以使调整后的螺距与螺纹牙的位移量对应，有利于多个螺纹牙的载荷分布更均匀。[0064]本实施例中，位移最小的螺纹牙的螺距不变，即若n＝k，则变螺距系数为零，P'k＝Pk。
[0065]通过设定位移最小的螺纹牙的螺距不变，以位移最小的螺纹牙为基准，调整其他螺纹牙对应的螺距，位移最小的螺纹牙两侧的螺纹牙对应的螺距相应增大，且增大的幅度与位移相匹配。
[0066]为避免调整后的螺距增加较大，导致内螺纹与螺柱无法顺利配合，变螺距系数的取值范围为：
[0067]
为原始螺纹的一种非强制性国家标准；MAX其中，ΔS为原始螺纹的螺纹配合间隙，
{|Sn‑Sn+1|}为数列|Sn‑Sn+1|的最大值。[0069]表2
[0068][0070]
螺纹牙12345678
螺距/mm6.02886.02286.02046.01846.0166.01366.01166.0088螺纹牙9101112131415/螺距/mm6.0066.00326.000466.00166.00566.0188/
[0071]本实施例中，根据螺纹连接结构的配合尺寸等参数，可以选取变螺距系数δ为4，得到修改后的各螺纹牙对应的螺距如表2所示。[0072]S4：根据调整后的螺距生成配合位置处的螺纹。
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在步骤S4中，生成的螺纹的螺纹牙的形状及尺寸与原始螺纹牙的形状及尺寸相
同，即相比原始螺纹，调整后的螺纹仅螺距发生变化。承载载荷较大的螺纹牙对应的螺距的增大幅度大于承载载荷较小的螺纹牙对应的螺距的增大幅度，可以使原始螺纹中承受载荷较小的螺纹牙先与螺柱接触并承受载荷，原始螺纹中承受载荷较大的螺纹牙后与螺柱接触，从而达到分散压力的目的。[0074]可选地，螺纹设计方法还包括：[0075]S5：重复步骤S1‑S4，直至配合位置处的各螺纹牙的位移均不大于预设位移。[0076]通过重复步骤S1‑S4，多次优化螺纹设计，使得螺纹的载荷分布更均匀，减小配合的螺纹处各螺纹牙的位移差值。
[0077]以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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说 明 书 附 图
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图2
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说 明 书 附 图
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图3
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