本發(fā)明涉及一種螺栓及其制造方法，具體地，涉及一種可以優(yōu)化螺紋受力分布并能提高其抗剪能力、延長其使用壽命的螺栓及制造螺栓的方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對于工業(yè)設(shè)備的要求也越來越高。越來越多的工業(yè)設(shè)備，被要求在諸如高速、及高壓等環(huán)境比較苛刻的條件下使用。在這樣的工作環(huán)境下，例如發(fā)動機的渦輪轉(zhuǎn)子、葉片以及機車車輛的懸掛零部件等一些比較關(guān)鍵性的動力設(shè)備，經(jīng)常會遇到疲勞失效問題。

在工業(yè)設(shè)備聯(lián)接的形式中，緊固件是量大面廣的基礎(chǔ)性元件之一，是各產(chǎn)業(yè)必不可少的重量零件和聯(lián)接件，廣泛用于各種機械設(shè)備。緊固件最重要的作用之一是傳遞載荷，但由于各種原因，經(jīng)常發(fā)生緊固件失效斷裂情況，從而使得大型設(shè)備發(fā)生嚴重事故，帶來財產(chǎn)和人員損失。尤其是作為聯(lián)接件的螺栓，在變化的動載荷的作用下，極易發(fā)生疲勞斷裂，導致聯(lián)接失效。

圖1A是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的標準螺栓與標準螺母的嚙合圖，圖1B是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的標準螺栓與標準螺母嚙合時各扣螺紋的受力分布圖。

在使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的螺栓和螺母20連接其他設(shè)備時，螺栓的螺栓桿10與螺母20的螺紋嚙合形式如圖1A所示，工作時螺栓桿10發(fā)生拉伸變形，螺紋處發(fā)生壓縮變形，從而導致螺栓桿上的螺紋各扣上的載荷分布不均勻，螺栓桿10與螺母20進行螺紋結(jié)合的前幾扣螺紋(例如，圖1A中所示的第一扣T₁、第二扣T₂、第三扣T₃、第四扣T₄等)的根部所承受的應(yīng)力比后面螺紋所承受的應(yīng)力要大很多，如圖1B所示。具體地，螺紋的第一扣T₁所承受的拉力約為總拉力的35％，第二扣T₂所承受的拉力約為總拉力的25％，第三扣T₃所承受的拉力約為總拉力的15％，即，螺紋的前三扣(T₁、T₂和T₃)所承受的拉力為螺栓所承受的總拉力的75％，且從螺紋的第六扣T₆開始，其所承受的拉力較小且較為均勻。更有統(tǒng)計表明，在所有斷裂的螺栓中，約65％左右是在螺母支撐面算起的第一、二扣螺紋T₁、T₂處疲勞斷裂。

在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)提出了多種方法來提高螺栓連接抗疲勞性能，例如，采用高強度材料制造的柔性螺栓方案、采用柔性螺栓和彈性設(shè)備組合成螺栓聯(lián)接裝置的方案或采用由螺帽和螺紋體組成的可控力矩螺栓方案等。然而，上述這些方法通常不能滿足在所聯(lián)接設(shè)備承受頻繁波動載荷下所需的抗疲勞性能、抗拉強度以及疲勞壽命等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

提供本發(fā)明內(nèi)容以介紹發(fā)明構(gòu)思的選擇，以下在具體實施方式中以簡化形式進一步描述該發(fā)明構(gòu)思。本發(fā)明內(nèi)容并不意在確定所要求保護的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不意在用于幫助確定所要求保護的主題的范圍。

在一個總的方面，本發(fā)明提供一種螺栓，所述螺栓包括螺帽和螺栓桿，所述螺栓桿包括定位桿、柔性桿和螺紋部，所述定位桿連接在所述螺帽的一端，所述柔性桿分別與所述定位桿和所述螺紋部相連接。其中，所述柔性桿上形成有抗剪臺。其中，所述螺紋部包括標準螺紋和過渡螺紋，所述過渡螺紋形成在所述柔性桿與所述標準螺紋之間，且所述過渡螺紋的螺紋高度小于所述標準螺紋的螺紋高度。

所述過渡螺紋可以以螺紋的牙頂被部分地去除的形式形成。

所述過渡螺紋的螺紋高度可朝向所述標準螺紋的方向逐漸增大。

所述過渡螺紋的螺牙線可呈斜直線或曲線形狀。

所述螺牙線相對于所述螺栓的軸線形成錐形角，其中，所述錐形角的角度范圍可為1°-10°。

所述錐形角的角度范圍可為3°-5°。

所述過渡螺紋可包括4-5扣螺紋。

所述柔性桿直徑可小于所述定位桿的直徑，所述抗剪臺的直徑可等于所述定位桿的直徑。

所述定位桿的直徑可為螺栓孔的直徑的0.95倍，所述柔性桿的直徑可為螺栓公稱直徑的0.85倍，所述抗剪臺的直徑可為螺栓孔的直徑的0.95倍。

所述定位桿的長度可為20mm，所述抗剪臺的長度可為8mm-10mm。

所述抗剪臺可設(shè)置在所述螺栓所連接的兩個或更多個被連接件相結(jié)合的結(jié)合面處。

在另一個總的方面，本發(fā)明提供一種制造根據(jù)本發(fā)明的螺栓的方法，所述方法包括：形成定位桿、柔性桿、柔性桿上的抗剪臺以及與螺紋部相對應(yīng)的胚徑，形成螺帽，采用滾絲工藝在所述胚徑上形成標準螺紋和過渡螺紋，其中，在滾絲工藝中，標準螺紋和過渡螺紋均以螺紋部的螺牙底徑為基準線一次形成。

所述胚徑可包括圓柱形狀的胚徑和變直徑的圓柱形狀的胚徑。

根據(jù)本發(fā)明的螺栓可以優(yōu)化螺紋的受力分布(尤其是前三扣螺紋受力分布)，并可與螺母的螺紋進行有效地配合，而且制造過程簡單，成本較低。

附圖說明

通過下面結(jié)合附圖對實施例進行詳細地描述，本發(fā)明的這些和/或其他方面將會變得明顯并更易于理解，在附圖中：

圖1A是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的標準螺栓與標準螺母結(jié)合時螺紋嚙合的示意圖；

圖1B是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的標準螺栓與標準螺母嚙合時各扣螺紋的受力分布圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3A是使用根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺栓進行緊固時的狀態(tài)的示意圖；

圖3B是圖3A中的A部分的放大圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺紋部的截面圖；

圖5A是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺紋部與標準螺母嚙合的示意圖；

圖5B是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺紋部與標準螺母嚙合時各扣螺紋的受力分布圖；

圖6A是示出制造根據(jù)本發(fā)明的螺栓過程中的螺栓結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖6B是圖6A中的B部分的放大圖；

圖6C是示出根據(jù)本發(fā)明的制造方法所制造的螺栓的示意圖。

在所有的附圖和具體實施方式中，相同的標號指示相同的元件。附圖可不按照比例繪制，為了清楚、說明及簡潔起見，附圖中的元件的相對尺寸、比例和描繪可被夸大。

具體實施方式

現(xiàn)在對本發(fā)明的實施例進行詳細的描述。其中，相同的標號始終表示相同部件。本發(fā)明中的各個示例僅是作為對本發(fā)明的說明，而非出于限制本發(fā)明的目的而提供。實際上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中做出各種修改和變化。例如，作為一個實施例的一部分而被顯示或被描述的特征可供另一實施例使用，從而產(chǎn)生又一實施例。因而，只要其落入權(quán)利要求及其等價物的范圍內(nèi)，則本發(fā)明意圖包含這種修改和變化。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺栓1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3A是使用根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺栓進行緊固時的狀態(tài)的示意圖，圖3B是圖3A中的A部分的放大圖，圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺紋部的截面圖，圖5A是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺紋部與標準螺母嚙合的示意圖，圖5B是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺紋部與標準螺母嚙合時各扣螺紋的受力分布圖。下面參照圖1-圖5B詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺栓1的結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺栓1包括螺帽11和螺栓桿12。螺栓桿12包括定位桿121、柔性桿122和螺紋部124。其中，定位桿121連接在螺帽11的一端，柔性桿122分別與定位桿121和螺紋部124相連接。此外，柔性桿122上形成有抗剪臺123，螺紋部124包括過渡螺紋1242和標準螺紋1241，過渡螺紋1242與柔性桿122相鄰地布置。

下面詳細介紹螺栓桿12的各部分的形狀和結(jié)構(gòu)。

定位桿121的直徑d₁與螺栓孔(被連接件2中用于使用螺栓進行連接所形成的孔)的直徑d大致相等，如圖3A所示。優(yōu)選地，定位桿121的直徑d₁約為螺栓孔的直徑d的0.95倍，或者，定位桿121與螺栓孔之間的間隙L₁小于0.5mm(M16以上螺栓)或小于0.25mm(M16及以下螺栓)，以使定位桿121對整個螺栓-螺母結(jié)合結(jié)構(gòu)起到較好的定位作用。

柔性桿122的直徑d₂小于定位桿121的直徑d₁，這是因為在承受同等應(yīng)力的情況下，螺栓桿的直徑越小，整個螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力也越小，并且抗疲勞強度性能也越好。然而，雖然柔性桿122的直徑d₂越小，螺栓1的抗疲勞強度性能也越好，但如果柔性桿122的直徑d₂小于標準螺紋的最小直徑(約為螺栓公稱直徑d₀(未示出)的0.85倍)時，則柔性桿122的剛性過低，會減小整個螺栓-螺母結(jié)合結(jié)構(gòu)所能承受的最大拉力值，從而降低螺栓1的緊固性能。因此，為了能夠在降低載荷因子以使螺栓1整體受力更均勻的同時又不減小螺栓1的所能承受的最大拉力值，柔性桿122的直徑d₂可大約是螺栓公稱直徑d₀的0.85倍(即，d₂＝0.85d₀)。

此外，由于使用螺栓1進行緊固的被連接件2在受到不可抗力導致的極限受力時，會發(fā)生橫向的滑移，從而導致螺栓桿12在被連接件2的結(jié)合面處受到較強的剪應(yīng)力，如果螺栓1無法承受此時的剪應(yīng)力，則會損壞螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)，進而會導致被連接件2的失效。為了避免這種情況的發(fā)生，螺栓桿12的位于所述結(jié)合面處的直徑應(yīng)盡可能地大，從而其提高抗剪能力。因此，為了在保證抗疲勞強度性能的同時提高抗剪能力，可在根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺栓桿12上形成抗剪臺123，且由于通常所述結(jié)合面對應(yīng)于柔性桿122的中間位置，因此，在柔性桿122的與所述結(jié)合面相對應(yīng)的位置處(通常為柔性桿122的中間位置)設(shè)置具有預定長度的抗剪臺123，如圖2和圖3所示。

由于抗剪臺123的直徑越大，螺栓的抗剪能力和抗拉能力越好，因此抗剪臺123的直徑d₃與螺栓孔的直徑d大致相等。具體地，抗剪臺123的直徑d₃可被設(shè)置為約為螺栓孔的直徑d的0.95倍，或者，抗剪臺123與螺栓孔之間的間隙L₂小于0.5mm(M16以上螺栓)或小于0.25mm(M16及以下螺栓)。由于螺桿抗剪能力＝螺桿抗剪面積*螺桿抗剪強度，因此在保證螺栓1具有較好的抗疲勞性能(即，保證柔性桿122的性能)的情況下，將抗剪臺123的長度設(shè)置在8-10mm之間。這樣，根據(jù)本發(fā)明的螺栓1通過設(shè)置柔性桿122以及形成在柔性桿122上的抗剪臺123，能夠同時提高螺栓1的抗疲勞性能、抗剪能力和抗拉能力。

此外，為了防止螺栓桿12在受外應(yīng)力時出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，定位桿121與柔性桿122之間可采取諸如R25的圓角進行圓滑過渡，抗剪臺123與柔性桿122之間可采取諸如R10、R20或R40等的圓角進行圓滑過渡。

為了保證螺紋在嚙合時所需的有效嚙合長度，并使螺紋中的每一扣受力均勻，減少現(xiàn)有技術(shù)中存在的螺紋前幾扣(特別是首扣)因受拉力過大而易疲勞斷裂的現(xiàn)象的發(fā)生，根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺紋部124包括標準螺紋1241和過渡螺紋1242(詳見圖4)，過渡螺紋1242可以以螺紋的牙頂被部分地去除的形式形成，如圖3B所示。具體地，標準螺紋1241和過渡螺紋1242具有相同的螺牙底徑ds(如圖2中所示)，且過渡螺紋1242中的每一個螺紋高度H小于標準螺紋1241的螺紋高度H₀，如圖3B所示。

過渡螺紋1242優(yōu)選為螺紋部124的前4～5扣，且螺紋高度H朝向標準螺紋1241的方向傾斜角度逐漸增大。在這種情況下，過渡螺紋1242的螺牙線S相對于螺栓1的軸線O可具有斜直線或曲線等的形狀。例如，螺牙線S可具有二次對數(shù)函數(shù)曲線、拋物線、二項式曲線等形狀。這里，螺牙線S指的是在過渡螺紋1242的截面(即，圖4中所示出的截面)上連接其每個螺紋的牙頂形成的一條虛擬的邊S。螺牙線S與螺栓1的軸線O形成錐形角1243，當螺牙線S為曲線時，錐形角1243指的是連接螺牙線S的兩個端點所形成的直線與軸線O所形成的夾角。錐形角1243的角度可隨著螺栓1所受拉力的增加而增大，從而更好地分布螺栓的受力，錐形角1243可根據(jù)需要設(shè)計為1°-10°的范圍。優(yōu)選地，錐形角1243的角度設(shè)計為3°-5°。例如，在螺栓的預緊力為75％的屈服軸力的情況下，錐形角1243的最優(yōu)角度約為3°。

此外，螺紋部124的長度優(yōu)選為螺栓公稱直徑的2-3倍(即，2d₀-3d₀)。在這種情況下，首先，根據(jù)本發(fā)明的螺紋部124與具有標準螺紋的螺母4嚙合受力時，由于過渡螺紋1242的螺紋高度H比標準螺紋1241的螺紋高度低，因此，過渡螺紋1242的接觸面積Fw小于標準螺紋1241的接觸面積Fw₀，如圖3B所示。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺紋部124在與標準螺母4嚙合受力時可減小過渡螺紋1242所承受的拉力，且當螺紋部124在受到拉力時，原本由其前幾扣螺紋所承受的拉力會被部分地轉(zhuǎn)移到其后幾扣螺紋上，從而使得螺紋部124整體的受力變得均勻，如圖5A和圖5B所示，同時也將應(yīng)力集中的因素最小化。因此，根據(jù)本發(fā)明的螺紋部124可有效地防止螺紋因前三扣(特別是首扣)受力過大而引起的易疲勞斷裂的現(xiàn)象的發(fā)生，從而有效地提高了螺栓的使用壽命。

此外，根據(jù)本發(fā)明的螺栓的螺紋部124不僅可與螺母的螺紋進行有效的配合，而且還可與基體盲孔內(nèi)的螺紋進行有效的配合。

當根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺栓1與標準螺母4作為緊固件使用時，與被連接件2的結(jié)合結(jié)構(gòu)如圖3A所示，螺帽11和標準螺母4與被連接件2之間可分別設(shè)有墊圈3，以保護被連接件2的表面不受螺母損傷，同時分散標準螺母4對被連接件2的壓力。

圖6A是示出制造根據(jù)本發(fā)明的螺栓1過程中的螺栓結(jié)構(gòu)的示意圖，圖6B是圖6A中的B部分的放大圖，圖6C是示出根據(jù)本發(fā)明的制造方法所制造的螺栓1的示意圖。下面將參照圖6A-圖6C詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的螺栓1的制造方法。

在制造根據(jù)本發(fā)明的螺栓1時，首先，根據(jù)螺栓桿12的各部分的長度和形狀采用車削工藝制造出螺栓桿12的定位桿部分(包括將要制造的螺帽11和定位桿121)、柔性桿122、抗剪臺123，并制造出螺紋部124的胚徑5，如圖6A所示。參照圖6B，螺紋部124的胚徑5包括標準螺紋1241的胚徑51和過渡螺紋1242的胚徑52。其中，可根據(jù)將要形成的過渡螺紋1242的形狀來制造胚徑52的形狀。因此，胚徑52呈變直徑的圓柱形狀。其中，胚徑52的形狀與將要形成的螺牙線S的形狀一致。

然后，采用鍛造工藝將定位桿121部分的左側(cè)部分形成為螺帽(諸如六角頭)11，如圖6A所示。由于在鍛造工藝中定位桿121需承受較大的抗彎矩能力，因此定位桿121的長度應(yīng)至少為20mm，本發(fā)明優(yōu)選為20mm。

接著，采用滾絲工藝以螺紋部124的螺牙底徑ds為基準線對熱處理后的胚徑5進行滾絲處理，從而形成根據(jù)本發(fā)明的實施例的螺紋部124，如圖6C所示。此外，由于在本發(fā)明中，僅使用形成標準螺紋1241的滾絲輪即可一次完成本發(fā)明中的螺紋部124，且不再需要對執(zhí)行完滾絲工藝后的螺紋部124進行任何的處理，因此制造后的螺栓1可保持順暢的金屬流線，因此且根據(jù)本發(fā)明的制造工序簡單、成本較低。

如上所述，與現(xiàn)有技術(shù)的螺栓的制造過程相比，根據(jù)本發(fā)明的螺栓的制造方法解決了錐形螺紋加工困難的難題，而且既能保證金屬流線順暢及表面壓應(yīng)力狀態(tài)，又不增加作業(yè)工序，并能降低生產(chǎn)成本。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的螺栓能夠使螺紋各扣之間受力分配更為均勻，有效防止了螺紋嚙合時因前三扣(特別是首扣)受力過大而導致的疲勞斷裂的現(xiàn)象的發(fā)生，增加了螺栓的使用可靠性，并且降低了過渡螺紋的加工難度和加工成本。

雖然已示出和描述了本發(fā)明的一些實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定其范圍的本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以對這些實施例進行改變。