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[摘 要]碟簧垫圈的使用及其摩擦阻力引起的内耗，使螺栓连接中被连接件获得在加载和卸载过程分离的特性。同时，连接元件的随动性下降，发生变形滞后于受力的非同步现象，形成交变载荷作用下的动态刚度。本文对传统弹性元件在螺栓连接中的作用机理做一个重要的修正，对机械工程设计有重要的导向作用。
[关键词]碟簧；垫圈螺栓；疲劳强度
中图分类号：TH131.3文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0309-01
螺栓联接是一个超静定系统，其中各零件所受载荷的分配情况取决于系统中零件的相对刚度。由于目前紧固件的减少远远超过其制造加工所带来的成本增加的经济效应。尤其对于承受重载的重要螺栓联接，更是一个值得注意的问题。螺纹连接件是紧固件中最重要的类型，螺纹连接的可靠性是非常重要的，其结构简单，安装方便，应用十分广泛。螺栓承受变化的载荷和冲击载荷，采用弹性螺栓对加工工艺的改进和优化，从而改善锚杆应力条件，适应不同的连接件结构，材料特性以及复杂应力的要求。
一.弹性螺栓的基本形式及材料
近年来，随着航空航天技术的高速发展，对外合作交流的增多，国外不少新的连接结构及成型、强化等理论已被引进并应用，紧固件连接技术发展迅速。但由于国内加工条件，技术水平的限制，很多新的紧固件的应用还不广泛，也最要到海外收购。直到最近几年，专业生产的不断加强，新材料，新工艺的使用不断，紧固件制造水平才是大幅度提高，其新的紧固件设计和应用可以更加广泛和多样化。弹性螺栓是一种减少杆疲劳螺栓，约为线芯截面积90%的杆部的规划面积，螺杆的灵活性大，可以提高锚杆应力状态，提高疲劳性能。不仅弹性螺栓降低温度对螺栓强度的影响，也适用于承受大的交变载荷，振动大的位置。虽然弹性螺栓紧固件的大小，结构簡单，但其冶金质量，疲劳性能是不容忽视的。合理选材是我们设计可靠性高的连接螺栓的主要措施之一。
二.使用碟簧垫圈提高螺栓连接疲劳强度的方法
2.1 改变螺母及螺栓的结构。
提高系统的柔度普通螺母柔性差，与螺栓联接处各圈螺纹上的载荷分布很不均匀，应力集中严重尤其对于受压螺母，载荷按双曲余弦的规律分布，容易导致最后几圈螺纹失效。为改善螺纹受力状况，可采取改变螺母结构来提高其柔性，螺母下端切出锥度，加工简便，能使疲劳强度提高15%左右；但是效果最好，可使螺栓联接的疲劳强度提高60%。在提高系统的柔性上，还可在联接中加弹性元件，如钢丝螺套、弹性垫圈等；也可将螺栓光杆部分的直径减小，增大螺栓的柔性。若从螺纹本身着手，可将螺母制成螺纹由上至下柔度逐渐增大的形式，将下部螺纹的牙底削弱，可使螺纹受载均匀，这种方法对大型螺母是可行的（见图1）。（1）12角螺钉头部的径向尺寸小，但减少侧安装的有效宽度。安装时能可靠的抓地力和施加力的重要时刻，装拆方便，采用12角套筒扳手有安装空间也小，这样才能使发动机结构紧凑，有效地降低了重量。（2）螺栓的前额箍在枪枪托，金属流线合理，疲劳强度高。不仅头部端面减重孔可以减轻重量，在枪托套使工艺额也极为有利的。（3）12角螺钉头部的径向尺寸小，降低了螺栓受附加弯曲应力是有利的，从而可以提高螺纹接头的疲劳强度很大。虽然我们在螺栓的前额支撑面对光杆轴线做设计要求：击败数量依赖，但是当制造和安装，还可能造成螺栓头和螺杆不垂直，使偏心弯矩，附加弯曲应力对螺栓疲劳破坏的初始裂纹形成的重要影响。小螺栓头的外径可以减小附加弯曲应力，降低了轴向最大拉应力大，提高螺栓连接相应的疲劳强度。
图1
2.2 重新设计螺栓头与螺栓杆的过渡部分
降低应力集中系数过渡部分的圆角半径R对应力集中的影响很大。因此，实际应用时取类似于轴上的过渡部分，螺栓头与螺栓杆的过渡可以采取多种形式。（1）弹性螺栓光杆直径的减小，降低了线程结束，光杆处的剖面的变化，有效地缓解了线程的结束处的应力集中，从而提高螺栓的静强度和疲劳强度。（2）降低温度对疲劳强度影响的发动机以减轻重量，提高推力比，往往可以利用大量的铝，镁合金等轻材料。螺栓连接装置的材料是不同的，当两种材料的线膨胀系数差异特别大，能产生很坏的热膨胀，使螺栓载荷的增加，产生疲劳损伤。如果使用弹性螺栓，螺栓的弹性增加，产生了减少在弹性范围内的结果在不同的通货膨胀的负荷变化，从而引起轴承计算第一螺母区，两个扣的地方能够适应安全，提高了螺杆有效点强度。因为在圆角冷滚压轴承和地方的光杆开关的前额区域的应力突变区，这里也是一个螺栓的薄弱环节，除了增加切换角适当，但也必须进行热处理的圆角加工后，加强途径增强切换发生疲劳强度的表面。⑵弹性螺栓头下轴承表面质量要求高的地区，可以减少螺栓预紧时，由于局部应力的增加所造成的失真，降低了偏心荷载偏心加载螺栓承受。
2.3 尽可能消除螺栓的弯曲应力
尽可能消除螺栓的弯曲应力由于两个联接表面的平行度，孔轴线与联接面的垂直度，以及联接件的刚性等原因，螺栓会受到弯曲载荷的作用，致使螺栓弯曲偏转。当偏转角度为30～45度时（见图2），疲劳强度可降低15～20%，因此危害较大。这时一般采用球面垫圈与锥面垫圈配合使用，以消除弯曲载荷（见图3）。通过对某大型RTM模具的应用表明，这种方法能有效地消除弯曲应力。提高螺栓联接的疲劳强度，除了以上方法外，还可用喷丸、辊压强化，在过渡圆角表层引入残余压应力；以及进行化学处理，如氮化、渗碳等。另外，选择合适的螺纹牙型，降低联接件的表面粗糙度值对提高联接疲劳强度均有利。对于重要的螺栓联接，综合考虑各种影响因素，选择合适的结构，可以更有效地提高其疲劳强度。
图2 图3
三.结论
弹性螺栓是一种外形降低，并能提高疲劳强度的有效螺栓结构。使用弹性螺栓可以降低温度和振动对螺栓强度的影响，适用于连接两个材料的线膨胀系数差异大的地方，还适用于承受大的交变载荷，振动大现货。普通结构的螺栓联接系统，由于螺栓、螺母固有的间题，如截面突变、刚性较大等，应力集中非常严重。结合本文来看，为了提高螺栓连接疲劳强度，可以通过改变螺母及螺栓的结构、重新设计螺栓头与螺栓杆的过渡部分、尽可能消除螺栓的弯曲应力着手。最后，希望通过改进技术，可以让弹性螺栓具有更广阔的发展前景。
参考文献
[1] 孙少江.机械零件疲劳强度的影响因素论析[J].科协论坛（下半月）. 2011.（09）.
[2] 刘国栋，梁益龙，任涛.统计极值法的两种数据采集方式对预测疲劳强度的影响[J].兵器材料科学与工程.2012.（01）.
[3] 王志平，葛茂忠.激光冲击处理对曲轴疲劳强度的影响[J].机械设计与制造.2011.（08）.
[4] 王涛，王圣文，潘玉斌，魏建军，马倬勋.桥式起重机主梁裂纹分析与加固[J].山东冶金.2011.（06）.
[5] 王国安，卢柳林，蒙秋红，邓金虎.装载机轮边减速支撑轴失效原因分析[J].工程机械.2011.（06）.
[关键词]碟簧；垫圈螺栓；疲劳强度
中图分类号：TH131.3文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0309-01
螺栓联接是一个超静定系统，其中各零件所受载荷的分配情况取决于系统中零件的相对刚度。由于目前紧固件的减少远远超过其制造加工所带来的成本增加的经济效应。尤其对于承受重载的重要螺栓联接，更是一个值得注意的问题。螺纹连接件是紧固件中最重要的类型，螺纹连接的可靠性是非常重要的，其结构简单，安装方便，应用十分广泛。螺栓承受变化的载荷和冲击载荷，采用弹性螺栓对加工工艺的改进和优化，从而改善锚杆应力条件，适应不同的连接件结构，材料特性以及复杂应力的要求。
一.弹性螺栓的基本形式及材料
近年来，随着航空航天技术的高速发展，对外合作交流的增多，国外不少新的连接结构及成型、强化等理论已被引进并应用，紧固件连接技术发展迅速。但由于国内加工条件，技术水平的限制，很多新的紧固件的应用还不广泛，也最要到海外收购。直到最近几年，专业生产的不断加强，新材料，新工艺的使用不断，紧固件制造水平才是大幅度提高，其新的紧固件设计和应用可以更加广泛和多样化。弹性螺栓是一种减少杆疲劳螺栓，约为线芯截面积90%的杆部的规划面积，螺杆的灵活性大，可以提高锚杆应力状态，提高疲劳性能。不仅弹性螺栓降低温度对螺栓强度的影响，也适用于承受大的交变载荷，振动大的位置。虽然弹性螺栓紧固件的大小，结构簡单，但其冶金质量，疲劳性能是不容忽视的。合理选材是我们设计可靠性高的连接螺栓的主要措施之一。
二.使用碟簧垫圈提高螺栓连接疲劳强度的方法
2.1 改变螺母及螺栓的结构。
提高系统的柔度普通螺母柔性差，与螺栓联接处各圈螺纹上的载荷分布很不均匀，应力集中严重尤其对于受压螺母，载荷按双曲余弦的规律分布，容易导致最后几圈螺纹失效。为改善螺纹受力状况，可采取改变螺母结构来提高其柔性，螺母下端切出锥度，加工简便，能使疲劳强度提高15%左右；但是效果最好，可使螺栓联接的疲劳强度提高60%。在提高系统的柔性上，还可在联接中加弹性元件，如钢丝螺套、弹性垫圈等；也可将螺栓光杆部分的直径减小，增大螺栓的柔性。若从螺纹本身着手，可将螺母制成螺纹由上至下柔度逐渐增大的形式，将下部螺纹的牙底削弱，可使螺纹受载均匀，这种方法对大型螺母是可行的（见图1）。（1）12角螺钉头部的径向尺寸小，但减少侧安装的有效宽度。安装时能可靠的抓地力和施加力的重要时刻，装拆方便，采用12角套筒扳手有安装空间也小，这样才能使发动机结构紧凑，有效地降低了重量。（2）螺栓的前额箍在枪枪托，金属流线合理，疲劳强度高。不仅头部端面减重孔可以减轻重量，在枪托套使工艺额也极为有利的。（3）12角螺钉头部的径向尺寸小，降低了螺栓受附加弯曲应力是有利的，从而可以提高螺纹接头的疲劳强度很大。虽然我们在螺栓的前额支撑面对光杆轴线做设计要求：击败数量依赖，但是当制造和安装，还可能造成螺栓头和螺杆不垂直，使偏心弯矩，附加弯曲应力对螺栓疲劳破坏的初始裂纹形成的重要影响。小螺栓头的外径可以减小附加弯曲应力，降低了轴向最大拉应力大，提高螺栓连接相应的疲劳强度。
图1
2.2 重新设计螺栓头与螺栓杆的过渡部分
降低应力集中系数过渡部分的圆角半径R对应力集中的影响很大。因此，实际应用时取类似于轴上的过渡部分，螺栓头与螺栓杆的过渡可以采取多种形式。（1）弹性螺栓光杆直径的减小，降低了线程结束，光杆处的剖面的变化，有效地缓解了线程的结束处的应力集中，从而提高螺栓的静强度和疲劳强度。（2）降低温度对疲劳强度影响的发动机以减轻重量，提高推力比，往往可以利用大量的铝，镁合金等轻材料。螺栓连接装置的材料是不同的，当两种材料的线膨胀系数差异特别大，能产生很坏的热膨胀，使螺栓载荷的增加，产生疲劳损伤。如果使用弹性螺栓，螺栓的弹性增加，产生了减少在弹性范围内的结果在不同的通货膨胀的负荷变化，从而引起轴承计算第一螺母区，两个扣的地方能够适应安全，提高了螺杆有效点强度。因为在圆角冷滚压轴承和地方的光杆开关的前额区域的应力突变区，这里也是一个螺栓的薄弱环节，除了增加切换角适当，但也必须进行热处理的圆角加工后，加强途径增强切换发生疲劳强度的表面。⑵弹性螺栓头下轴承表面质量要求高的地区，可以减少螺栓预紧时，由于局部应力的增加所造成的失真，降低了偏心荷载偏心加载螺栓承受。
2.3 尽可能消除螺栓的弯曲应力
尽可能消除螺栓的弯曲应力由于两个联接表面的平行度，孔轴线与联接面的垂直度，以及联接件的刚性等原因，螺栓会受到弯曲载荷的作用，致使螺栓弯曲偏转。当偏转角度为30～45度时（见图2），疲劳强度可降低15～20%，因此危害较大。这时一般采用球面垫圈与锥面垫圈配合使用，以消除弯曲载荷（见图3）。通过对某大型RTM模具的应用表明，这种方法能有效地消除弯曲应力。提高螺栓联接的疲劳强度，除了以上方法外，还可用喷丸、辊压强化，在过渡圆角表层引入残余压应力；以及进行化学处理，如氮化、渗碳等。另外，选择合适的螺纹牙型，降低联接件的表面粗糙度值对提高联接疲劳强度均有利。对于重要的螺栓联接，综合考虑各种影响因素，选择合适的结构，可以更有效地提高其疲劳强度。
图2 图3
三.结论
弹性螺栓是一种外形降低，并能提高疲劳强度的有效螺栓结构。使用弹性螺栓可以降低温度和振动对螺栓强度的影响，适用于连接两个材料的线膨胀系数差异大的地方，还适用于承受大的交变载荷，振动大现货。普通结构的螺栓联接系统，由于螺栓、螺母固有的间题，如截面突变、刚性较大等，应力集中非常严重。结合本文来看，为了提高螺栓连接疲劳强度，可以通过改变螺母及螺栓的结构、重新设计螺栓头与螺栓杆的过渡部分、尽可能消除螺栓的弯曲应力着手。最后，希望通过改进技术，可以让弹性螺栓具有更广阔的发展前景。
参考文献
[1] 孙少江.机械零件疲劳强度的影响因素论析[J].科协论坛（下半月）. 2011.（09）.
[2] 刘国栋，梁益龙，任涛.统计极值法的两种数据采集方式对预测疲劳强度的影响[J].兵器材料科学与工程.2012.（01）.
[3] 王志平，葛茂忠.激光冲击处理对曲轴疲劳强度的影响[J].机械设计与制造.2011.（08）.
[4] 王涛，王圣文，潘玉斌，魏建军，马倬勋.桥式起重机主梁裂纹分析与加固[J].山东冶金.2011.（06）.
[5] 王国安，卢柳林，蒙秋红，邓金虎.装载机轮边减速支撑轴失效原因分析[J].工程机械.2011.（06）.