【緊固件小課堂】螺紋緊固件的松脫機(jī)理

幾乎每個(gè)復(fù)雜程度的工程產(chǎn)品都使用螺紋緊固件。與大多數(shù)其他連接方法相比，螺紋緊固件的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們可以拆卸和重復(fù)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(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，它們也是機(jī)械和其他組件問題的一個(gè)重要來源。這些問題的原因是由于它們存在自松機(jī)理。這種自松機(jī)理一直是一個(gè)問題，在過去的150年里，設(shè)計(jì)者們一直在設(shè)計(jì)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(dǎo)致自松的主要機(jī)制才被理解。有許多機(jī)制可以導(dǎo)致螺紋緊固件松動(dòng)， 這些可以分為旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)

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

1)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。

2)非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，是指內(nèi)螺紋和外螺紋之間沒有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但發(fā)生預(yù)載損失。

由于非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)引起的緊固件松動(dòng)

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(zhuǎn)松動(dòng)。這是這些界面的部分塑性坍塌的結(jié)果。

（表面粗糙接觸放大顯示）

當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸時(shí)，每個(gè)表面承受支撐面載荷。因?yàn)閷?shí)際接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)力，該應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。

這會(huì)導(dǎo)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(shù)量、表面粗糙度和所施加的支撐面應(yīng)力。

在中等的表面應(yīng)力條件下，在接頭擰緊后前幾秒鐘，嵌入通常會(huì)導(dǎo)致約1% 至5% 的夾緊力損失。當(dāng)接頭隨后受到施加的動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，由于接頭接觸面上發(fā)生的壓力變化，夾緊力可能會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的減小。

如果表面承載應(yīng)力保持在連接件材料的壓縮屈服強(qiáng)度以下，則可以計(jì)算出嵌入損失的量，并且在連接設(shè)計(jì)中去補(bǔ)償該損失量。

Junker的緊固件自松理論

1969年Gerhard Junker通過了工程測(cè)試的結(jié)果來支持他關(guān)于螺紋緊固件為什么會(huì)自動(dòng)松動(dòng)的理論。他的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)，預(yù)加載緊固件就會(huì)由于旋轉(zhuǎn)而松動(dòng)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)橫向動(dòng)態(tài)載荷比軸向動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生更嚴(yán)重的松動(dòng)。其原因是軸向載荷下的徑向移動(dòng)明顯小于橫向載荷下的徑向移動(dòng)。

螺栓連接的橫向運(yùn)動(dòng)

Junker表明，當(dāng)配合螺紋和緊固件支撐面之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，預(yù)加載緊固件就會(huì)自松。當(dāng)作用在接頭上的橫向力大于螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。

對(duì)于較小的橫向位移，螺紋側(cè)面和支撐接觸面之間可能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)持續(xù)，螺栓頭下支撐面滑動(dòng)將會(huì)發(fā)生。

一旦開始，螺紋處和螺栓頭下將暫時(shí)沒有摩擦。由于預(yù)緊力作用在螺紋螺旋角上而產(chǎn)生的自松扭矩，使得螺母和螺栓之間產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)。在反復(fù)的橫向運(yùn)動(dòng)下，該機(jī)制可以引起緊固件完全松開。

為了研究松動(dòng)的原因，Junker開發(fā)了一種測(cè)試機(jī)器，如下圖所示，它將量化緊固件設(shè)計(jì)的抗松動(dòng)有效性。

Junker緊固件試驗(yàn)機(jī)

滾珠軸承用于消除移動(dòng)和固定板之間的摩擦影響。當(dāng)從夾緊螺母的移動(dòng)板施加橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱重傳感器會(huì)連續(xù)監(jiān)測(cè)螺栓載荷。

與普通振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)相比，可以在測(cè)試期間測(cè)量預(yù)載的損失，并繪制預(yù)載與循環(huán)周期的圖表。

Junker機(jī)器的原理是由凸輪產(chǎn)生的橫向位移導(dǎo)致緊固件的搖擺，以克服緊固件的摩擦力而產(chǎn)生松脫。

Junker測(cè)試機(jī)截圖

Junker振動(dòng)測(cè)試松動(dòng)曲線

通過Junker測(cè)試，可以比較各種緊固件防松設(shè)計(jì)的性能。在過去的二十年里，已經(jīng)完成了大量的現(xiàn)有的緊固件防松設(shè)計(jì)研究，對(duì)它們的抗松動(dòng)性進(jìn)行了比較。

為了進(jìn)行有效的比較，使用相同的振動(dòng)振幅是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@對(duì)結(jié)果有很大影響。下圖顯示了一個(gè)典型的彈簧墊圈測(cè)試結(jié)果。

在測(cè)試中顯示在螺栓頭下放置一個(gè)螺旋彈簧墊圈，反而以加速了松動(dòng)。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(shí)到這些發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)不再在內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)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(duì)運(yùn)動(dòng) (例如尼龍鎖緊螺母) 或支撐面和連接件的相對(duì)運(yùn)動(dòng) (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(yùn)動(dòng)的重要性是，合適的螺栓連接設(shè)計(jì)，使得螺栓的夾緊力足夠，通過連接板的摩擦防止橫向運(yùn)動(dòng)，這樣才不會(huì)松動(dòng)。

在設(shè)計(jì)階段，可通過選擇合適緊固件尺寸和強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)，以便預(yù)緊力可以產(chǎn)生足夠的摩擦力，以抵抗外部載荷引起的接頭移動(dòng)。

法士威結(jié)論

螺紋緊固件松動(dòng)最根本的原因是接頭的移動(dòng)，特別是螺栓螺紋和支撐面的橫向滑動(dòng)。如果可以從螺栓上獲得足夠的預(yù)緊力以防止接頭移動(dòng)，則不需要鎖緊裝置，因?yàn)槟Σ習(xí)⒘慵潭ㄔ谝黄稹?/span>

螺紋緊固件設(shè)計(jì)的主要問題是，當(dāng)包括摩擦條件的變化時(shí)，能確保預(yù)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(duì)螺栓預(yù)緊力的影響。

通常，應(yīng)根據(jù)最大摩擦系數(shù)下產(chǎn)生的最小預(yù)緊力來設(shè)計(jì)接頭，使用預(yù)緊力平均值進(jìn)行設(shè)計(jì)將導(dǎo)致許多螺栓松動(dòng)。

同時(shí)還需要考慮嵌入造成的預(yù)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(yīng)力范圍。

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