1.    螺紋孔螺栓連接

螺紋孔螺栓連接是十分常見的連接形式，當安裝空間不足或不便布置螺母時，這種連接形式就成為了首選方案。

2.    螺紋孔螺栓連接的不足

一般情況下這種連接形式可以滿足常見的應用需求，但部分應用中這種連接形式存在一定先天不足。

例如：

1，用于密封面時，這種連接形式的面壓分布均勻性較差，可能導致泄漏。

2，孔口部位變形較大，用于輕金屬時更加明顯（輕金屬彈性模量和屈服強度普遍偏低）。

與通孔螺栓連接不同，螺紋孔螺栓連接的“變形體”體積較小，帶來的影響就是螺紋孔孔口的變形、應力都比較高，而且這部分材料承受了拉伸力，造成局部材料變形。

當螺紋孔螺栓連接用于密封應用時，被連接件之間通常存在密封墊，密封墊剛度低，孔口局部變形更加明顯。這也造成密封墊的面壓分布不均，嚴重時引起泄漏。

3.    改善方法

可以通過在螺紋孔處設計沉孔來改善這些問題，這種方法成本極低且占用空間較少。

在《內燃機設計》（楊連生）中是這樣表述的：

機體上氣缸蓋螺栓孔的上端應有深度約為0.3d₁的沉孔（d₁為螺紋外徑），以避免氣缸體頂面的局部變形。

可見，在螺紋孔處設計沉孔是作者強烈推薦的設計方案。

使用CAE來分析沉孔的效果。

案例描述：

部件材料：鋼

螺栓規格：M14

螺栓軸向預緊力：60000N

摩擦系數：全部按0.15

螺紋部位采用：螺紋接觸幾何修正

模型：線性，未考慮材料屈服。

螺栓預緊力加載后可以觀察到，螺紋孔周圍的面壓高于遠離螺紋孔的部位。在沒有設計沉孔的部件上，孔口周圍面壓集中度很高，而在具有沉孔設計的部件上，孔口周圍的面壓分布均勻性有很大改善。

無沉孔的部件最大面壓達到239.33MPa，有沉孔的部件最大面壓僅68.11MPa。

從上至下設置一個路徑，沿路徑輸出部件上的等效應力值。

將無沉孔和有沉孔的等效應力值繪制于同一個圖表中。可見，無沉孔的部件孔口應力梯度很高，應力集中效應顯著，有沉孔設計的部件上應力集中問題得到了明顯改善。

在螺栓預緊力的作用下，無沉孔的部件孔口變形也更大。

沉孔除了改善面壓分布和孔口變形，在載荷作用下，部件接合面的張開間隙也更小。

本例中在部件端部施加了10000N的靜載。

載荷如下圖所示：

接合面張開間隙對比：

無沉孔部件接合面張開間隙達到了0.0106mm，有沉孔部件接合面張開間隙僅0.0043mm 。

4.    總結

在需要密封或者連接輕金屬材料時，在螺紋孔上端設計沉孔可以顯著改善接合面的面壓均勻性及孔口變形。

這符合VDI2230中描述的“變形體”理論，設計沉孔實際上就是將變形體的起點移動到遠離接合面的位置。這使得“變形體”在接合面上的截面積增加了。因此，面壓和變形均得到了改善。

推薦沉孔的深度為0.3d₁~1d₁，沉孔直徑為1.2d₁~1.5d₁ ，并且應該根據具體情況靈活調整。

參考文獻：

[1] 楊連生，內燃機設計[M]. 北京：中國農業機械出版社，1981

[2] VDI 2230-2015 Systematic calculation of highly stressed bolted joints