【緊固件小課堂】螺紋緊固件的松脫機理

幾乎每個復雜程度的工程產品都使用螺紋緊固件。與大多數其他連接方法相比，螺紋緊固件的一個關鍵優(yōu)勢是它們可以拆卸和重復使用。這一特征通常是螺紋緊固件優(yōu)于其他連接方法使用的原因，并且它們通常在保持產品的結構完整性方面發(fā)揮著至關重要的作用。然而，它們也是機械和其他組件問題的一個重要來源。這些問題的原因是由于它們存在自松機理。這種自松機理一直是一個問題，在過去的150年里，設計者們一直在設計防止這種情況發(fā)生的方法。

螺紋緊固件的許多常見類型的鎖定方法都是在100多年前發(fā)明的，然而直到近些年導致自松的主要機制才被理解。有許多機制可以導致螺紋緊固件松動， 這些可以分為旋轉和非旋轉松動。

旋轉和非旋轉松動

在絕大多數應用中，螺紋緊固件被擰緊，預緊力被施加到連接中。松動可被理解為緊固過程完成后預緊力的后續(xù)損失。這可以通過兩種方式發(fā)生：

1)旋轉松開，通常被稱為自松開，是指緊固件在外部載荷的作用下旋轉。

2)非旋轉松動，是指內螺紋和外螺紋之間沒有發(fā)生相對運動，但發(fā)生預載損失。

由于非旋轉松動引起的緊固件松動

由于緊固件本身或連接件在組裝后變形，可能發(fā)生非旋轉松動。這是這些界面的部分塑性坍塌的結果。

（表面粗糙接觸放大顯示）

當兩個表面相互接觸時，每個表面承受支撐面載荷。因為實際接觸面積遠遠小于表面面積，即使在中等載荷下，也要持續(xù)承受非常高的局部應力，該應力大于材料的屈服強度。

這會導致緊固操作完成后表面部分塌陷嗎，這種塌陷通常被稱為嵌入。

由于嵌入而損失的夾緊力的量取決于螺栓和連接件的剛度、連接中存在的接觸面數量、表面粗糙度和所施加的支撐面應力。

在中等的表面應力條件下，在接頭擰緊后前幾秒鐘，嵌入通常會導致約1% 至5% 的夾緊力損失。當接頭隨后受到施加的動態(tài)載荷時，由于接頭接觸面上發(fā)生的壓力變化，夾緊力可能會發(fā)生進一步的減小。

如果表面承載應力保持在連接件材料的壓縮屈服強度以下，則可以計算出嵌入損失的量，并且在連接設計中去補償該損失量。

Junker的緊固件自松理論

1969年Gerhard Junker通過了工程測試的結果來支持他關于螺紋緊固件為什么會自動松動的理論。他的關鍵發(fā)現是，一旦在配合螺紋之間以及緊固件的支撐表面和夾緊材料之間發(fā)生相對運動，預加載緊固件就會由于旋轉而松動。同時還發(fā)現橫向動態(tài)載荷比軸向動態(tài)載荷產生更嚴重的松動。其原因是軸向載荷下的徑向移動明顯小于橫向載荷下的徑向移動。

螺栓連接的橫向運動

Junker表明，當配合螺紋和緊固件支撐面之間發(fā)生相對運動時，預加載緊固件就會自松。當作用在接頭上的橫向力大于螺栓預緊力產生的摩擦力時，就會發(fā)生這種情況。

對于較小的橫向位移，螺紋側面和支撐接觸面之間可能發(fā)生相對運動，一旦螺紋間隙被克服，螺栓將受到彎曲力的影響，如果橫向滑動持續(xù)，螺栓頭下支撐面滑動將會發(fā)生。

一旦開始，螺紋處和螺栓頭下將暫時沒有摩擦。由于預緊力作用在螺紋螺旋角上而產生的自松扭矩，使得螺母和螺栓之間產生了對應的旋轉。在反復的橫向運動下，該機制可以引起緊固件完全松開。

為了研究松動的原因，Junker開發(fā)了一種測試機器，如下圖所示，它將量化緊固件設計的抗松動有效性。

Junker緊固件試驗機

滾珠軸承用于消除移動和固定板之間的摩擦影響。當從夾緊螺母的移動板施加橫向運動時，稱重傳感器會連續(xù)監(jiān)測螺栓載荷。

與普通振動測試標準相比，可以在測試期間測量預載的損失，并繪制預載與循環(huán)周期的圖表。

Junker機器的原理是由凸輪產生的橫向位移導致緊固件的搖擺，以克服緊固件的摩擦力而產生松脫。

Junker測試機截圖

Junker振動測試松動曲線

通過Junker測試，可以比較各種緊固件防松設計的性能。在過去的二十年里，已經完成了大量的現有的緊固件防松設計研究，對它們的抗松動性進行了比較。

為了進行有效的比較，使用相同的振動振幅是至關重要的，因為這對結果有很大影響。下圖顯示了一個典型的彈簧墊圈測試結果。

在測試中顯示在螺栓頭下放置一個螺旋彈簧墊圈，反而以加速了松動。也有其他人證明，使用這種墊圈與使用沒有任何鎖緊裝置的螺栓具有相似的性能。

許多大型OEM意識到這些發(fā)現，已經不再在內部標準中指定此類墊圈。

許多用于螺紋緊固件的鎖緊裝置是基于防止螺紋之間的相對運動 (例如尼龍鎖緊螺母) 或支撐面和連接件的相對運動 (例如各種類型的 “鎖定” 墊圈)。

然而，Junker和其他后來的研究人員都指出了防止接頭橫向運動的重要性是，合適的螺栓連接設計，使得螺栓的夾緊力足夠，通過連接板的摩擦防止橫向運動，這樣才不會松動。

在設計階段，可通過選擇合適緊固件尺寸和強度來實現，以便預緊力可以產生足夠的摩擦力，以抵抗外部載荷引起的接頭移動。

法士威結論

螺紋緊固件松動最根本的原因是接頭的移動，特別是螺栓螺紋和支撐面的橫向滑動。如果可以從螺栓上獲得足夠的預緊力以防止接頭移動，則不需要鎖緊裝置，因為摩擦會將零件固定在一起。

螺紋緊固件設計的主要問題是，當包括摩擦條件的變化時，能確保預緊力足以將零件牢固地固定在一起。

該圖表顯示了摩擦變化對螺栓預緊力的影響。

通常，應根據最大摩擦系數下產生的最小預緊力來設計接頭，使用預緊力平均值進行設計將導致許多螺栓松動。

同時還需要考慮嵌入造成的預緊力損失，為了保持嵌入量的限制，需要確保被夾緊材料可承受的最大應力范圍。

在無法防止接頭移動的情況下，例如，在熱膨脹的存在，則應指定具有已證明能力的鎖緊裝置。