八牙以上的螺纹几乎不承受载荷为何铝合金螺纹还需要较大啮合长度
概述
螺纹啮合长度对螺栓连接可靠性来说非常重要，特别对于一些非标的螺栓螺母连接中，例如螺栓拧入到铝合金内螺纹孔中，经常出现拉脱滑牙的情况。
在机械设计中介绍到螺纹承受载荷主要集中在第一牙上，第八牙以后几乎不承受载荷。指出，采用螺纹亚述过多的加厚螺母，并不能提高螺纹的连接强度。
图1
在许多公司的设计要求或VDI2230标准中螺纹的啮合长度是需要根据螺栓的强度来计算确定，在铝合金内螺纹孔的连接中，对于8.8级的螺栓一般都是需要满足2.0d的最小啮合长度，对于10.9级的螺栓一般要求2.5d的啮合长度。假设一个M10的10.9级螺栓，2.5d=25mm，有（25/1.5=16.7）16.7牙的啮合长度，远远超出了机械设计的8牙以后不承受载荷，加厚螺母不能提高连接强度的说明。这是什么原因呢？
分析
主要分析认为，机械设计中8牙以后不承受载荷是主要与螺栓螺纹连接中不允许螺纹的变形有关，由于螺纹各圈承受的载荷不均匀，第一圈螺纹承受的载荷最大，很容易达到甚至超过材料屈服的情况。在这种情况下，如果材料不允许屈服，螺纹最大承受的载荷就是第一圈能够承受的载荷。
在VDI2230标准的螺纹最小啮合长度计算中，考虑了螺母在预紧力作用下的向外膨胀，考虑了螺纹的弯曲作用系数等因素来计算螺纹的最小啮合长度，所以，计算结果是与材料的强度相关，材料强度越低，螺纹啮合长度越长。
如果螺纹允许一定的屈服塑性变形，第一牙承受超过材料屈服的应力以后，产生微小的塑性变形，这样第二牙就能承受较大的载荷，从这个意义上说，增加螺纹的啮合长度是有益的，螺纹啮合长度越长，能够承受的载荷越大。
VDI2230标准中的最小啮合长度是根据螺栓的强度来进行计算的，也就是说螺栓拉伸到断裂（请注意此处是按照拉伸到断裂，什么原因呢？主要是由于有些螺栓是采用拉伸的方法来预紧，例如采用张拉法，液压拉伸器方法预紧，这种情况下仅仅承受拉力载荷，没有螺纹的扭转剪切载荷），螺纹（不管是螺栓还是内螺纹孔螺纹）不应该出现滑牙脱扣情况。
由此可见，VDI2230计算是考虑最恶劣情况下的最小螺纹啮合长度。这也是螺栓接头设计的一个主要原则，就是进行超拧时，最理想的失效形式的螺栓的断裂，而不是螺纹的滑牙，被连接件的压溃等。
如果一个接头仅仅需要很小的扭矩，那么这个螺纹最小啮合长度是不是就可以减小一些呢？答案是肯定的。VDI2230计算例题中也说明了这一点（如图2），如果仅仅是扭矩法可以把最大可能的预紧力除以1.2，同时，扭矩法拧紧时候螺栓的利用率一般最大允许0.9倍的屈服强度。
图2
实例分析
以一个铝合金接头为例来进行相关的分析，例如一个铝合金ADC12材料螺纹孔，螺纹啮合长度只有12mm，螺纹规格为M10x1.25。
计算分析
通过计算可知满足8.8级螺栓扭矩法拧紧的最小啮合长度为15.6mm，注意即使扭矩法拧紧，此处还是以螺栓的抗拉强度来进行计算，螺栓可能最大的抗拉强度是最小标准要求抗拉强度的1.2倍，见表1.实际扭矩法拧紧时候螺栓的最大预紧力是按照屈服强度来进行计算的，所以这种计算方法（按照抗拉强度计算）也就是保证一定的安全余量。
8.8级螺栓扭矩法拧紧最大预紧力为32KN。
表1 M10x1.25扭矩法拧紧最小啮合长度
螺纹规格M10×1.25
螺纹公称直径d10.000 mm
螺纹螺距P1.250 mm
螺纹高度H1.083 mm
螺纹中泾d29.188 mm
螺纹小径d18.647 mm
螺纹圆弧小径d38.466 mm
应力直径d08.827 mm
螺纹应力截面积AS61.199 mm2
螺母对边宽度s16.000 mm
外螺纹大径dmax9.972 mm
外螺纹大径dmin9.760 mm
外螺纹中径d2max9.160 mm
外螺纹中径d2min9.042 mm
外螺纹小径d3max8.438 mm
外螺纹小径d3min8.272 mm
外螺纹最小应力截面积Asmin58.861 mm2
外螺纹最大应力截面积Asmax60.807 mm2
外螺纹根径公称应力截面积Asr56.297 mm2
内螺纹小径Dmin10mm
内螺纹中径D2max9.348 mm
内螺纹中径D2min9.188 mm
内螺纹小径D1max8.912 mm
内螺纹小径D1min8.647 mm
螺栓性能等级8.8 级
螺栓最小抗拉强度min800.000 Mpa
螺栓最大抗拉强度max950.000 MPa
内螺纹类型ESV
s/d1.600
C11.000
螺栓抗拉强度Rms800.000 Mpa
螺母抗拉强度Rmm240.000 MPa
螺母剪切强度与抗拉强度比0.520
螺栓剪切强度与抗拉强度比0.620
螺母剪切强度124.800 MPa
螺栓剪切强度496.000 MPa
Rmm/Rms0.300
τmm/τms0.252
ASGM/ASGS1.349
强度比Rs0.405
C20.897
C31.055
螺栓最大预紧力Fmmiax43.604 KN
螺栓最小预紧力Fmmin36.719 KN
ASGM430.177 mm2
ASGS318.829 mm2
螺栓最大预紧力Fmzul43604.0 N
螺母最小啮合长度15.649 mm
表2 8.8级螺栓扭矩法拧紧最大预紧力
螺纹规格MM10×1.25
螺纹公称直径d10mm
螺纹螺距P1.25mm
螺纹高度H1.083 mm
螺纹中泾d29.188 mm
螺纹小径d18.647 mm
螺纹圆弧小径d38.466 mm
应力直径d08.827 mm
螺纹应力截面积AS61.199 mm2
螺栓头端面外径Dwmin19.6mm
螺栓孔直径DB11mm
螺栓头摩擦直径DKM15.3mm
螺纹最小摩擦系数μGmin0.1
端面最小摩擦系数μKmin0.1
螺纹最大摩擦系数μGmax0.16
端面最大摩擦系数μKmax0.16
螺栓性能等级8.8级
最小屈服强度Rp0.2640Mpa
最大预紧力FMmax32389.9 N
最大拧紧扭矩Mamax48.5 Nm
拧紧扭矩MA42.2 Nm
最小拧紧扭矩Mamin35.9 Nm
最小预紧力FMmin15751.4 N
实验验证
通过试验发现螺纹啮合长度12mm时候，预紧力最大在36KN可以手工拧出（如图3），不会出现滑牙脱扣的情况。参照螺栓的保证载荷，最小拉力载荷，螺母的保证载荷可以得出，即使在36KN时候能够满足保证载荷测试要求，实际拧紧的最大预紧力不能超过这个载荷，且需要考虑一定的安全系数，此处按照系数推荐至少1.2，也就是拧紧时候最大预紧力不能超过30KN为宜。
试验结果30KN接近扭矩法拧紧计算值，但是螺纹啮合长度比计算出的要小，主要原因是实际零件螺纹保证载荷测试时候，零件强度会比标准最小抗拉强度要高引起的，同时，标准计算最小啮合长度也是考虑最安全的情况，相对保守。
图3
总结
1、八牙以后螺纹几乎不承受载荷主要是按照螺纹不发生塑性变形来考虑的，对于塑性材料允许产生微小塑性变形情况下，螺纹啮合长度越长，承受载荷会越大。
2、螺纹最小啮合长度计算按照VDI2230标准计算结果是相对保守的，只要满足VDI2230的计算结果实际一般不会存在问题。
3、如果仅仅扭矩法拧紧可以考虑螺纹啮合长度适当降低，按照扭矩法拧紧最大预紧力计算螺纹最小啮合长度，但是推荐考虑1.2倍的安全系数。如果按照扭矩法拧紧最大预紧力设计最小螺纹啮合长度，需要注意的是在进行接头拧紧试验时候，失效形式往往会是螺纹孔的滑牙脱扣。
对于机械设计中八牙以后几乎不承受载荷的分析，大家有更好的观点欢迎留言讨论。
螺纹啮合长度对螺栓连接可靠性来说非常重要，特别对于一些非标的螺栓螺母连接中，例如螺栓拧入到铝合金内螺纹孔中，经常出现拉脱滑牙的情况。
在机械设计中介绍到螺纹承受载荷主要集中在第一牙上，第八牙以后几乎不承受载荷。指出，采用螺纹亚述过多的加厚螺母，并不能提高螺纹的连接强度。
图1
在许多公司的设计要求或VDI2230标准中螺纹的啮合长度是需要根据螺栓的强度来计算确定，在铝合金内螺纹孔的连接中，对于8.8级的螺栓一般都是需要满足2.0d的最小啮合长度，对于10.9级的螺栓一般要求2.5d的啮合长度。假设一个M10的10.9级螺栓，2.5d=25mm，有（25/1.5=16.7）16.7牙的啮合长度，远远超出了机械设计的8牙以后不承受载荷，加厚螺母不能提高连接强度的说明。这是什么原因呢？
分析
主要分析认为，机械设计中8牙以后不承受载荷是主要与螺栓螺纹连接中不允许螺纹的变形有关，由于螺纹各圈承受的载荷不均匀，第一圈螺纹承受的载荷最大，很容易达到甚至超过材料屈服的情况。在这种情况下，如果材料不允许屈服，螺纹最大承受的载荷就是第一圈能够承受的载荷。
在VDI2230标准的螺纹最小啮合长度计算中，考虑了螺母在预紧力作用下的向外膨胀，考虑了螺纹的弯曲作用系数等因素来计算螺纹的最小啮合长度，所以，计算结果是与材料的强度相关，材料强度越低，螺纹啮合长度越长。
如果螺纹允许一定的屈服塑性变形，第一牙承受超过材料屈服的应力以后，产生微小的塑性变形，这样第二牙就能承受较大的载荷，从这个意义上说，增加螺纹的啮合长度是有益的，螺纹啮合长度越长，能够承受的载荷越大。
VDI2230标准中的最小啮合长度是根据螺栓的强度来进行计算的，也就是说螺栓拉伸到断裂（请注意此处是按照拉伸到断裂，什么原因呢？主要是由于有些螺栓是采用拉伸的方法来预紧，例如采用张拉法，液压拉伸器方法预紧，这种情况下仅仅承受拉力载荷，没有螺纹的扭转剪切载荷），螺纹（不管是螺栓还是内螺纹孔螺纹）不应该出现滑牙脱扣情况。
由此可见，VDI2230计算是考虑最恶劣情况下的最小螺纹啮合长度。这也是螺栓接头设计的一个主要原则，就是进行超拧时，最理想的失效形式的螺栓的断裂，而不是螺纹的滑牙，被连接件的压溃等。
如果一个接头仅仅需要很小的扭矩，那么这个螺纹最小啮合长度是不是就可以减小一些呢？答案是肯定的。VDI2230计算例题中也说明了这一点（如图2），如果仅仅是扭矩法可以把最大可能的预紧力除以1.2，同时，扭矩法拧紧时候螺栓的利用率一般最大允许0.9倍的屈服强度。
图2
实例分析
以一个铝合金接头为例来进行相关的分析，例如一个铝合金ADC12材料螺纹孔，螺纹啮合长度只有12mm，螺纹规格为M10x1.25。
计算分析
通过计算可知满足8.8级螺栓扭矩法拧紧的最小啮合长度为15.6mm，注意即使扭矩法拧紧，此处还是以螺栓的抗拉强度来进行计算，螺栓可能最大的抗拉强度是最小标准要求抗拉强度的1.2倍，见表1.实际扭矩法拧紧时候螺栓的最大预紧力是按照屈服强度来进行计算的，所以这种计算方法（按照抗拉强度计算）也就是保证一定的安全余量。
8.8级螺栓扭矩法拧紧最大预紧力为32KN。
表1 M10x1.25扭矩法拧紧最小啮合长度
螺纹规格M10×1.25
螺纹公称直径d10.000 mm
螺纹螺距P1.250 mm
螺纹高度H1.083 mm
螺纹中泾d29.188 mm
螺纹小径d18.647 mm
螺纹圆弧小径d38.466 mm
应力直径d08.827 mm
螺纹应力截面积AS61.199 mm2
螺母对边宽度s16.000 mm
外螺纹大径dmax9.972 mm
外螺纹大径dmin9.760 mm
外螺纹中径d2max9.160 mm
外螺纹中径d2min9.042 mm
外螺纹小径d3max8.438 mm
外螺纹小径d3min8.272 mm
外螺纹最小应力截面积Asmin58.861 mm2
外螺纹最大应力截面积Asmax60.807 mm2
外螺纹根径公称应力截面积Asr56.297 mm2
内螺纹小径Dmin10mm
内螺纹中径D2max9.348 mm
内螺纹中径D2min9.188 mm
内螺纹小径D1max8.912 mm
内螺纹小径D1min8.647 mm
螺栓性能等级8.8 级
螺栓最小抗拉强度min800.000 Mpa
螺栓最大抗拉强度max950.000 MPa
内螺纹类型ESV
s/d1.600
C11.000
螺栓抗拉强度Rms800.000 Mpa
螺母抗拉强度Rmm240.000 MPa
螺母剪切强度与抗拉强度比0.520
螺栓剪切强度与抗拉强度比0.620
螺母剪切强度124.800 MPa
螺栓剪切强度496.000 MPa
Rmm/Rms0.300
τmm/τms0.252
ASGM/ASGS1.349
强度比Rs0.405
C20.897
C31.055
螺栓最大预紧力Fmmiax43.604 KN
螺栓最小预紧力Fmmin36.719 KN
ASGM430.177 mm2
ASGS318.829 mm2
螺栓最大预紧力Fmzul43604.0 N
螺母最小啮合长度15.649 mm
表2 8.8级螺栓扭矩法拧紧最大预紧力
螺纹规格MM10×1.25
螺纹公称直径d10mm
螺纹螺距P1.25mm
螺纹高度H1.083 mm
螺纹中泾d29.188 mm
螺纹小径d18.647 mm
螺纹圆弧小径d38.466 mm
应力直径d08.827 mm
螺纹应力截面积AS61.199 mm2
螺栓头端面外径Dwmin19.6mm
螺栓孔直径DB11mm
螺栓头摩擦直径DKM15.3mm
螺纹最小摩擦系数μGmin0.1
端面最小摩擦系数μKmin0.1
螺纹最大摩擦系数μGmax0.16
端面最大摩擦系数μKmax0.16
螺栓性能等级8.8级
最小屈服强度Rp0.2640Mpa
最大预紧力FMmax32389.9 N
最大拧紧扭矩Mamax48.5 Nm
拧紧扭矩MA42.2 Nm
最小拧紧扭矩Mamin35.9 Nm
最小预紧力FMmin15751.4 N
实验验证
通过试验发现螺纹啮合长度12mm时候，预紧力最大在36KN可以手工拧出（如图3），不会出现滑牙脱扣的情况。参照螺栓的保证载荷，最小拉力载荷，螺母的保证载荷可以得出，即使在36KN时候能够满足保证载荷测试要求，实际拧紧的最大预紧力不能超过这个载荷，且需要考虑一定的安全系数，此处按照系数推荐至少1.2，也就是拧紧时候最大预紧力不能超过30KN为宜。
试验结果30KN接近扭矩法拧紧计算值，但是螺纹啮合长度比计算出的要小，主要原因是实际零件螺纹保证载荷测试时候，零件强度会比标准最小抗拉强度要高引起的，同时，标准计算最小啮合长度也是考虑最安全的情况，相对保守。
图3
总结
1、八牙以后螺纹几乎不承受载荷主要是按照螺纹不发生塑性变形来考虑的，对于塑性材料允许产生微小塑性变形情况下，螺纹啮合长度越长，承受载荷会越大。
2、螺纹最小啮合长度计算按照VDI2230标准计算结果是相对保守的，只要满足VDI2230的计算结果实际一般不会存在问题。
3、如果仅仅扭矩法拧紧可以考虑螺纹啮合长度适当降低，按照扭矩法拧紧最大预紧力计算螺纹最小啮合长度，但是推荐考虑1.2倍的安全系数。如果按照扭矩法拧紧最大预紧力设计最小螺纹啮合长度，需要注意的是在进行接头拧紧试验时候，失效形式往往会是螺纹孔的滑牙脱扣。
对于机械设计中八牙以后几乎不承受载荷的分析，大家有更好的观点欢迎留言讨论。
图1
图2
图3
!举报
加载中