圆弧螺纹综合性能研究与分析

众所周知，螺纹是一种重要的、常用的结构要素，常用于结构联结、密封联结、传动、读数等多种场合。

根据功能不同，螺纹的形状也会有很大差异螺纹按截面形状可分为：三角形、梯形、圆弧形等多种，也可按中径与轴线夹角进行分类，分为:圆柱螺纹和圆锥螺纹。

圆弧螺纹

圆柱螺纹常见有：米制螺纹、统一螺纹、55°非密封管螺纹、圆弧螺纹、惠氏螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹以及一些特行圆柱螺纹，如轮胎气门嘴螺纹、缝纫机专用螺纹、自行车专用螺纹、气瓶专用螺纹等。

圆弧类螺纹应用,也比较广泛，常用于滚珠丝杠、灯泡、橡皮管等地方，应用场景不同、功能需求不同，圆弧的尺寸和要求也会有所不同。

滚珠丝杠

今天,螺丝君跟大家一起讨论的是紧固件中的圆弧螺纹，圆弧螺纹又称圆螺纹，其显著特征是：牙型角为30°，螺纹顶和螺纹底都是圆弧状。

目前,紧固用圆弧螺纹常用的参考标准是:

DIN 405-1 General purpose knuckle threads-part 1:Profiles and nominal sizes；

DIN 405-2 General purpose knuckle threads-part 2:Tolerances；

DIN 405-3 General purpose knuckle threads-part 3:Gauges for external and internal thread;types of gauges,profiles,tolerances.

其中:

DIN 405-1，描述的是基本尺寸与牙型，

DIN 405-2，描述的是公差与配合，

DIN 405-3，描述的是外螺纹和内螺纹量规、量规类型、螺纹牙型。

圆弧螺纹紧固件

圆弧螺纹丝锥

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圆弧螺纹的标记

DIN 标准规定，用Rd来特指圆弧螺纹（牙型角为30°，螺纹顶和螺纹底都是圆弧状）。

圆弧螺纹的螺纹标记和GB/T 197中的螺纹标记表达方式基本相同，螺纹公称直径和螺距中间用X号隔开，例如：

Rd 40 X 1/6

Rd–圆弧螺纹

40–大径40mm

1/6–螺距1/6英寸，即螺距=25.4/6=4.233mm

含公差带的螺纹标记表达方式也基本相同，例如：

外螺纹：

Rd 40 X 1/6 -7h 6h

Rd–圆弧螺纹

40–大径40mm

1/6–螺距1/6英寸

7h–中径公差带

6h–大径公差带

如果外螺纹的中径公差带和大径公差带相同，都为6h，可表达为Rd 40 X 1/6 -6h。

内螺纹：

Rd 40 X 1/6 -7H 6H

Rd–圆弧螺纹

40–大径40mm

1/6–螺距1/6英寸

7H–中径公差带

6H–小径公差带

如果内螺纹的中径公差带和小径公差带相同，都为6H，可表达为Rd 40 X 1/6 -6H。

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圆弧螺纹的基本牙型

圆弧螺纹基本牙型，如下图：（因目前没有对应的圆弧螺纹国标，故大量引用了DIN标中的英文截图进行参考。

今天，螺丝君仅讨论单线圆弧螺纹部分，多线圆弧螺纹，可同样参考DIN 405-1、DIN 405-2和DIN 405-3。）

圆弧螺纹基本牙型

没有侧隙的螺纹牙型

存在侧隙的螺纹牙型

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圆弧螺纹与普通螺纹的性能对比与分析

3.1 旋合长度与螺距

DIN 405-2对旋合长度进行了规定，仅规定了中等旋合长度组N和长旋合长度组L，普通螺纹旋合长度分组有：短旋合长度组S、中等旋合长度组N和长旋合长度组L，圆弧螺纹旋合长度分组少了短旋合长度组S。

与普通螺纹相比，圆弧螺纹对螺距分类比较简单，详见下图。

3.2 牙纹载荷分布均匀性

在同等条件下，对DIN 405圆弧螺纹和GB/T 197普通螺纹加载，提取各圈螺牙的承载力占比，查看各圈螺牙载荷分布占比。

通过对比，可以看出，相比普通螺纹，圆弧螺纹前2圈螺牙的载荷分布占比稍微占优，圆弧螺纹在载荷分布均匀性方面与普通螺纹接近。

3.3 疲劳性能和静强度

在众多螺栓参数中，能够影响螺栓疲劳寿命的因素有很多，其中谈到最多的就是牙纹，尤其是牙底的圆弧尺寸。为了改善螺栓的疲劳寿命，航空提出了MJ/MR螺纹，其牙底圆弧半径范围为0.1511P～0.18042P，大于普通螺纹的牙底圆弧半径0.125P，在小规格螺纹上，具有更高的抗疲劳性能。

圆弧螺纹因其自身圆弧的特征，让其具有更大的牙底圆弧半径，见下图。

从理论上来说，圆弧螺纹应具有更好的疲劳特性，连接副的静承载性能也应比普通螺纹更好，安全裕度更大。

如何定量？还有待进一步验证。不过有一点，不管是哪种螺纹，螺纹副的薄弱点都在牙底位置，如何改善牙底抗疲劳特性是螺纹紧固件的重要任务。

3.4 蠕变和应力松弛特性

蠕变示意图

典型的应力松弛曲线

通过对圆弧螺纹紧固件的不同初始应力条件下的蠕变应变测试，检验圆弧螺纹的蠕变和应力松弛的行为特征。

不同初始应力条件下圆弧螺纹的蠕变应变-时间曲线

圆弧螺纹应力松弛速率与初始应力关系曲线

结果显示：

1. 圆弧螺纹的应力松弛和蠕变行为均变现出典型的双阶段特征，应力与时间关系符合广义的Maxwell模型。

2. 施加初始预应力的大小对加载初期蠕变应变和应力松弛率的数值影响较为显著，在屈服强度90%左右的初始应力作用下，圆弧螺纹的松弛和蠕变参数都接近或达到了最大值，在小于屈服强度60%左右的初始应力作用下，圆弧螺纹表现出非常优异的抗松弛性能。

3.5 防松性能

基于有限元方法，对圆弧螺纹和普通螺纹的连接副在承受横向位移循环载荷下，螺纹连接副的防松性能进行了分析。

结果显示：螺纹连接副在螺母发生松动时，圆弧螺纹连接副的残余预紧力下降可分为快速下降和平稳阶段两个阶段，且在平稳阶段预紧力下降速度较为缓慢。

而普通螺纹连接副残余预紧力的变化趋势呈线型，没有明显的阶梯性，且圆弧螺纹连接副残余预紧力下降速度始终低于普通螺纹连接副。

所以，理论上圆弧螺纹连接副的综合防松效果要优于普遍螺纹连接副，还有待实际测试的进一步验证。

圆弧螺纹连接副

普通螺纹连接副

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螺丝君的总结

在工业和日常生活中，因为结构简单、连接可靠、拆装方便、成本低廉等特性，螺纹类零部件得到了广泛的使用。作为紧固件的重要指标之一，螺纹是紧固件设计选型中的重要一环。

通过上述对圆弧螺纹的牙型尺寸公差、载荷均匀性、疲劳性能和静强度、蠕变和应力松弛特性、防松性能等方面进行分析和评估，发现圆弧螺纹是一款综合性能非常优异的螺纹，甚至在某些方面优于普通螺纹。在某些特定的需求和工况下，应能替代普通螺纹。

目前，圆弧螺纹紧固件在国内应用很少，也没有国家或行业标准，其功能还有待我们螺丝君进一步开发与验证。