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文章出處：螺絲百科 網責任編輯： 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，為了更好地適應多樣化的應用場景和特定需求，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計。相比之下，UNJ與MJ螺紋則具有更大幅度的圓滑根部設計，這種設計增強了螺紋的疲勞強度。
02
試驗設置
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），而內螺紋（螺母）通常不需要優(yōu)化根部半徑，因為內螺紋的設計輪廓已經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：螺母側和螺栓頭側分別位于設備的兩個不同的上下框架中，下側框架固定在機器上，上側框架承受循環(huán)載荷。
最后，統(tǒng)一試驗參數。為了消除緊固扭矩的影響，試驗中被試件的緊固扭矩被設置為0。下表顯示了實驗中設置的載荷條件。S-N曲線是根據五個應力幅值水平下的實驗結果獲得的，疲勞極限設置為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力，裂紋通常集中在第1或第2個螺紋處，并且裂紋擴展導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構。有限元網格示例如圖：
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。夾緊體的螺栓頭側固定，軸向力F = 30 ± 14.1 kN施加在螺栓頭上。螺栓根部的應力幅值和名義應力幅值分別為213 MPa和100 MPa。
6.1 相同螺距下的螺栓根部應力
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個螺紋處的平均應力減少約6%，應力幅值減少約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個螺紋處的平均應力減少約8%，應力幅值減少約26%。
以上結果與上文中斷裂表面觀察結果一致。
6.2 不同螺距的根部應力
下圖比較了不同根部圓角半徑，不同螺距下的平均應力和應力幅值。
當螺距從2.015mm增加到2.033mm時，根部圓角半徑0.29mm和0.58mm的螺栓應力分布式相同的。遠離螺栓頭一側的最大應力幅值和平均應力與實驗結果一致。
螺絲君經驗與總結
L.S.ENGINEER Experience and Summary
實驗結果表明，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。
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