螺纹连接作为机械设计中应用最广泛的可拆卸连接方式，凭借结构简单、拆装便捷、传力可靠等优势，贯穿于航空航天、汽车制造、工程机械、通用设备等各个领域。螺栓、螺钉、螺柱作为螺纹连接的核心构件，其强度设计直接决定连接的承载能力与使用寿命，而防松设计则是避免连接失效、保障设备安全运行的关键。本文结合机械设计实践，详细探讨螺栓、螺钉、螺柱的强度设计要点与防松设计方法，为工程设计人员提供实用参考。
螺纹连接的强度失效主要表现为螺纹构件的断裂、塑性变形、螺纹滑牙等，其根本原因是强度设计未匹配实际工作载荷，或未充分考虑工况中的振动、冲击、温度变化等因素。螺栓、螺钉、螺柱的强度设计需遵循“载荷匹配、材料适配、结构优化”的原则，结合构件的受力特点，针对性开展设计计算。
螺栓作为最常用的螺纹连接构件，主要承受轴向拉伸载荷，部分场景下会伴随横向剪切载荷，其强度设计的核心是校核拉伸强度与剪切强度。首先需根据实际工作载荷，结合安全系数，计算螺栓所需的最小截面积。通常采用屈服强度作为强度极限，安全系数取值需根据工况严苛程度调整，静态载荷下取2-3，动态载荷或冲击载荷下取3-5。其次，螺栓的螺纹强度需重点校核，避免出现螺纹滑牙失效，螺纹的承载能力与螺纹牙型、螺距、螺纹长度密切相关，粗牙螺纹承载能力更强，细牙螺纹精度更高、抗振性更好，可根据设计需求选择。此外，螺栓头部与杆部的过渡圆角需合理设计，减少应力集中，避免在载荷作用下发生头部断裂。
螺钉与螺栓的结构差异主要在于头部形式，螺钉多采用内六角、十字槽等头部，无需配合螺母使用，直接与被连接件的螺纹孔配合，其强度设计重点与螺栓有所不同。螺钉不仅承受轴向拉伸载荷，还常承受一定的横向剪切载荷，因此需同时校核拉伸强度、剪切强度与挤压强度。由于螺钉直接与被连接件螺纹孔配合，被连接件的螺纹强度往往低于螺钉，需重点校核被连接件螺纹孔的承载能力，必要时可在螺纹孔处加装螺纹套，提升螺纹强度。此外，螺钉的旋入深度需合理设计，一般旋入深度不小于1.5倍螺钉直径，对于铸铁等脆性材料，旋入深度需适当增加，避免螺纹孔损坏。
螺柱主要用于被连接件之一较厚、无法加工通孔的场景，一端旋入被连接件螺纹孔，另一端配合螺母紧固，其强度设计需兼顾两端螺纹的承载能力。螺柱的拉伸强度校核与螺栓类似，需根据轴向载荷计算最小截面积，同时需校核旋入端螺纹的强度，避免旋入端螺纹滑牙或被连接件螺纹孔损坏。对于长期承受动态载荷的螺柱，需采用细牙螺纹，增加螺纹的接触面积，提升抗疲劳强度，同时杆部需设计适当的长度，减少应力集中，提升疲劳寿命。
在螺纹连接设计中，防松设计与强度设计同等重要，多数螺纹连接失效并非源于强度不足，而是由于振动、冲击等工况导致螺纹松动，进而引发连接失效。螺纹连接的松动本质是螺纹副之间的相对转动，因此防松设计的核心是阻止螺纹副之间的相对转动，常用的防松方法可分为摩擦防松、机械防松、永久防松三类，可根据工况需求选择合适的防松方式。
摩擦防松是最常用的防松方式，通过增大螺纹副之间的摩擦力，阻止相对转动，具有结构简单、拆装便捷的优势，适用于静态载荷或轻微动态载荷场景。常用的摩擦防松方法包括加装弹簧垫圈、锁紧垫圈、双螺母锁紧等。弹簧垫圈通过拧紧螺母时产生的弹性变形，使螺纹副之间产生预紧力，维持摩擦力，同时弹簧垫圈的切口可起到防松作用，但弹簧垫圈在长期振动下易失效，不适用于强振动工况。锁紧垫圈则通过垫圈的特殊结构，如齿形垫圈、波形垫圈，增大与被连接件之间的摩擦力，防松效果优于弹簧垫圈，适用于中轻度振动载荷。双螺母锁紧通过两个螺母的相互拧紧，使螺纹副之间产生额外的预紧力，阻止相对转动，防松效果可靠，但会增加结构尺寸，适用于对防松要求较高的静态载荷场景。
机械防松通过采用专门的防松构件，限制螺纹副之间的相对转动，防松效果可靠，适用于强振动、冲击载荷等严苛工况。常用的机械防松方法包括开口销与槽形螺母配合、止动垫圈、防松销等。开口销与槽形螺母配合，通过开口销穿过螺母槽与螺栓杆上的销孔，限制螺母的转动，防松效果极佳，适用于高速旋转、强振动的场景，如汽车发动机、工程机械等。止动垫圈通过将垫圈的一侧边弯折至螺母侧面，另一侧贴紧被连接件，限制螺母的转动，结构简单、防松可靠，适用于各种工况。防松销则直接穿过螺栓与螺母的销孔，彻底阻止螺纹副相对转动，防松效果最可靠，但拆装不便，适用于长期固定、无需频繁拆装的连接场景。
永久防松通过改变螺纹副的结构或采用粘接、铆接等方式，使螺纹副成为不可拆卸连接，防松效果绝对可靠，但无法重复拆装，适用于无需拆卸的固定连接。常用的永久防松方法包括螺纹涂胶、冲点防松、铆接防松等。螺纹涂胶是在螺纹表面涂抹专用防松胶，固化后使螺纹副粘接为一体，防松效果好，同时具有一定的密封性能，适用于各种工况，尤其适用于无法采用机械防松的场景。冲点防松通过在螺母与螺栓杆的连接处冲点，使螺纹副产生塑性变形，限制相对转动，结构简单，但会损伤螺纹，无法重复使用，适用于一次性连接。