當(dāng)螺距為2.0mm時(shí)，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(dāng)螺距為2.015mm時(shí)，如上圖右，當(dāng)應(yīng)力為130MPa時(shí)，圓角半徑0.58mm（2ρ0）的疲勞壽命比圓角半徑0.29mm（ρ0）時(shí)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(dá)110MPa。

也就是說，根部半徑從0.29mm，分別增加到0.58mm和0.87mm時(shí)，螺栓連接的疲勞極限分別提高了67%和83%。

當(dāng)根部圓角半徑為0.29mm時(shí)，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(shí)，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(duì)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(shí)，疲勞壽命提高了162%。

當(dāng)螺距為2.0mm時(shí)，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(gè)螺紋處，并且裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致螺栓在同一螺紋處最終斷裂，而不會(huì)延伸到其他螺紋。

然而，當(dāng)螺距增加到2.015mm時(shí)，裂紋的擴(kuò)展行為發(fā)生了變化。初始裂紋在第6或第7個(gè)螺紋處產(chǎn)生，并在該螺紋處擴(kuò)展。隨后，裂紋依次在第5、第4……直到第1個(gè)螺紋處出現(xiàn)，最終導(dǎo)致螺栓失效。

下圖展示了疲勞測(cè)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。

有限元分析有助于進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)相同的加載條件下進(jìn)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。

當(dāng)螺距為2.0mm時(shí)，最危險(xiǎn)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(shí)，第2個(gè)螺紋處的平均應(yīng)力減少約6%，應(yīng)力幅值減少約38%。

當(dāng)螺距為2.015mm時(shí)，最危險(xiǎn)的部分位于第6和第7個(gè)螺紋附近。根部圓角半徑從0.29mm增大到0.58mm時(shí)，第6個(gè)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(dāng)螺距從2.015mm增加到2.033mm時(shí)，根部圓角半徑0.29mm和0.58mm的螺栓應(yīng)力分布式相同的。遠(yuǎn)離螺栓頭一側(cè)的最大應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

螺絲君經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)

L.S.ENGINEER  Experience and Summary

實(shí)驗(yàn)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。