一文搞定機(jī)械設(shè)計(jì)中螺紋聯(lián)接原理動(dòng)態(tài)圖以及設(shè)計(jì)方法，附螺紋聯(lián)接松動(dòng)解決方法
一文搞定機(jī)械設(shè)計(jì)中螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)方法，防松方法
今天我們聊聊在機(jī)械設(shè)計(jì)中螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)方法，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的新手來說，通過這篇文章可以學(xué)習(xí)我們必須掌握的有關(guān)螺紋聯(lián)接的知識(shí)！螺紋聯(lián)接是用螺紋件（或被聯(lián)接件的螺紋部分）將被聯(lián)接件聯(lián)成一體的可拆聯(lián)接標(biāo)準(zhǔn)件。本文作者侯亞萍在機(jī)械設(shè)計(jì)中可以經(jīng)常用到標(biāo)準(zhǔn)件松動(dòng)問題給出了相應(yīng)的解決方法。
▲螺紋聯(lián)接
螺紋聯(lián)接的松動(dòng)問題一直困擾工程界和學(xué)術(shù)界。從原理上分析了螺紋聯(lián)接松動(dòng)的原因，介紹了一些目前常用的防松方法，著重介紹了幾種新型防松方法。
螺紋聯(lián)接是一種重要的聯(lián)接方式，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、汽車、火車、航天航空等領(lǐng)域。然而，其在使用過程中因振動(dòng)、變載、沖擊等動(dòng)載荷或工作溫度發(fā)生較大變化時(shí)可使螺紋聯(lián)接產(chǎn)生松動(dòng)，反復(fù)多次后將會(huì)導(dǎo)致聯(lián)接的摩擦力和預(yù)緊力逐漸減小甚至消失，從而導(dǎo)致螺紋聯(lián)接失效。螺紋聯(lián)接失效后會(huì)帶來嚴(yán)重的后果，輕者影響設(shè)備的正常工作，重者會(huì)造成機(jī)毀人亡。所以，螺紋防松問題已經(jīng)成為亟需解決的實(shí)際技術(shù)問題和學(xué)術(shù)問題。
1、螺紋的主要參數(shù)
普通螺紋的主要幾何參數(shù)有：螺紋大徑d(D)、小徑d1(D1)、中徑d2(D2)、螺距P、螺紋線數(shù)n、導(dǎo)程L、螺旋升角λ、牙型角a、牙型斜角β。其中D、D1、D2用于內(nèi)螺紋，螺紋的大徑為公稱直徑。螺距與導(dǎo)程的關(guān)系為L=nP。
▲螺紋主要參數(shù)
2、螺紋的主要分類
螺紋按其截面形狀(牙型)分為三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋和鋸齒形螺紋等。
根據(jù)螺旋線方向，可分為右旋螺紋和左旋螺紋。當(dāng)螺紋軸線垂直放置時(shí)，螺紋自左到右升高者，稱為右旋，反之為左旋，一般常用右旋。
3、螺栓聯(lián)接主要類型
螺紋聯(lián)接有四種基本類型，即螺栓聯(lián)接、雙頭螺柱聯(lián)接、螺釘聯(lián)接和緊定螺釘聯(lián)接。前兩種需擰緊螺母才能實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，后兩種不需要螺母。
螺栓聯(lián)接：根據(jù)螺栓桿與內(nèi)孔的配合關(guān)系，螺栓聯(lián)接又分為普通螺栓聯(lián)接和鉸制孔用螺栓聯(lián)接兩種。
雙頭螺柱聯(lián)接：是指兩端均有螺紋的圓柱形緊固件。被聯(lián)接件上要切制螺紋，用于被聯(lián)接件太厚或太軟，不宜開通孔，可以經(jīng)常拆裝的場(chǎng)合。
螺釘聯(lián)接：主要用于連接不經(jīng)常拆卸，并且受力不大的場(chǎng)合。它是一種只需螺釘(有時(shí)也可加墊圈)而不用螺母的連接，因而結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。
緊定螺釘聯(lián)接：用于固定兩零件的相對(duì)位置，并可傳遞不大的力和扭矩。緊定螺釘多用于輪轂與軸之間的固定。
▲緊定螺釘聯(lián)接
4、螺紋緊固件
機(jī)械制造中常用的螺紋緊固件的類型很多，除了有螺栓、雙頭螺柱、螺釘外，還有螺母和墊圈等。常用標(biāo)準(zhǔn)螺紋緊固件如下：
5、螺紋聯(lián)接松脫原因
在靜載荷和工作溫度變化不大時(shí)，緊固螺紋連接不會(huì)發(fā)生自動(dòng)松脫的現(xiàn)象，其連接是非常可靠的。如果螺紋聯(lián)接工作在沖擊、振動(dòng)、變載荷或高溫、溫度變化較大下的環(huán)境中，將會(huì)發(fā)生聯(lián)接的摩擦力和預(yù)緊力逐漸減小甚至消失的現(xiàn)象，反復(fù)多次后造成螺紋聯(lián)接松動(dòng)，最后失效。
研究表明，造成螺紋聯(lián)接松動(dòng)的原因主要有三方面：
(1)螺紋聯(lián)接件的初始變形。在螺紋聯(lián)接中，螺紋聯(lián)接件的初始變形表現(xiàn)為塑性變形，而這種塑性變形在螺紋聯(lián)接工作中繼續(xù)存在，在某些條件下還會(huì)擴(kuò)大。正是由于這種初始變形的存在導(dǎo)致了螺紋聯(lián)接發(fā)生初始松動(dòng)。
(2)軸向載荷的作用。當(dāng)螺栓受到軸向載荷的作用時(shí)，螺栓軸向伸長(zhǎng)，徑向彈性收縮，螺母則徑向擴(kuò)張。從而使微量相對(duì)徑向滑動(dòng)在兩者的接觸面間出現(xiàn)。同時(shí)，相對(duì)徑向滑動(dòng)在載荷的反復(fù)作用下繼續(xù)增大，最終導(dǎo)致螺母松動(dòng)回轉(zhuǎn)。
(3)橫向載荷的作用。
當(dāng)螺栓受到反復(fù)橫向力作用時(shí)，螺栓產(chǎn)生彈性扭轉(zhuǎn)變形(圖1所示)。彈性扭轉(zhuǎn)變形的不斷增加，形成了扭轉(zhuǎn)變形的初始位移，在螺旋副的螺旋方向也出現(xiàn)下滑分量的現(xiàn)象，最后產(chǎn)生了螺紋聯(lián)接的松動(dòng)現(xiàn)象。橫向載荷的作用是導(dǎo)致螺紋聯(lián)接松動(dòng)失效的主要原因。
圖1螺紋聯(lián)接受橫向載荷時(shí)松動(dòng)原理圖
6、常用螺紋聯(lián)接防松方法
防止螺紋聯(lián)接松動(dòng)、失效的就是防止螺栓與螺母之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然螺紋聯(lián)接防松技術(shù)和防松結(jié)構(gòu)很多，但從其工作原理可以分為摩擦防松、機(jī)械防松、破壞運(yùn)動(dòng)副關(guān)系防松等。
2.1摩擦防松
該類防松方式是通過聯(lián)接預(yù)緊的方式使擰緊的螺紋副之間存在一定的軸向壓力而保持一定的有摩擦阻力矩而達(dá)到防止聯(lián)接松脫的目的。常用的摩擦防松方法有對(duì)頂螺母、彈簧墊圈、波形彈簧墊圈、錐形彈簧墊圈、自鎖螺母等。一般來說，摩擦防松結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，但其防松可靠性較差，不宜用于振動(dòng)、沖擊和動(dòng)載較大的工況中。
2.2機(jī)械防松
該類防松方式是利用各種金屬止動(dòng)元件阻止螺母螺栓之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。常用的機(jī)械防松方法有開口銷與六角螺母、止動(dòng)墊圈、串聯(lián)鋼絲等。此種防松方式適用于較大振動(dòng)、沖擊、高速的場(chǎng)合，特別是機(jī)械內(nèi)部不易檢查的場(chǎng)合，防松可靠，但不易拆卸。
2.3破壞運(yùn)動(dòng)副關(guān)系防松
這是一種永久方式方法，是通過破壞了螺紋副來達(dá)到防松目的。常用的破壞運(yùn)動(dòng)副關(guān)系防松方法有鉚合、沖點(diǎn)、釬焊等，這種方式防松可靠，但不可重復(fù)使用。
7、新型螺紋聯(lián)接防松方法
3.1自鎖收口螺母
自鎖收口螺母是通過對(duì)螺母圓柱體端部進(jìn)行徑向收口，使螺母收口部位的螺紋孔變形，當(dāng)螺栓擰入到螺母收口部位時(shí)產(chǎn)生干涉配合并在螺紋副表面產(chǎn)生摩擦力矩而起到防松作用。常用的自鎖螺母收口方式有壓扁法和點(diǎn)收口兩種。壓扁法收口形狀如圖2所示。而點(diǎn)收口是對(duì)螺母收口部位的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擠壓變形，有兩點(diǎn)、三點(diǎn)和四點(diǎn)收口。
圖2自鎖螺母收口示意圖
3.2 ST2型自鎖防松螺母
ST2型自鎖防松螺母是我國(guó)研制的新型防松螺母，是通過增大自鎖摩擦力矩防松和阻尼防松兩種方式實(shí)現(xiàn)防松目的。ST2型自鎖防松螺母對(duì)其內(nèi)螺紋的形狀進(jìn)行了優(yōu)化，如圖3所示。當(dāng)螺母和螺栓進(jìn)行配合時(shí)形成抱緊狀態(tài)，造成螺紋副在徑向方向上產(chǎn)生微量變形，消除了螺母與螺栓之間的徑向間隙，同時(shí)產(chǎn)生較大的摩擦力，從而達(dá)到防松目的。
圖3 ST2型自鎖防松螺母示意圖
3.3尼龍圈鎖緊式防松螺母
該螺母如圖4所示，在螺母末端嵌有尼龍圈。當(dāng)螺母擰緊在螺栓上時(shí)，尼龍圈內(nèi)孔被脹大，產(chǎn)生彈性變形，尼龍圈從徑向方向壓緊螺紋而箍緊螺栓，從而起到防松作用。尼龍圈鎖緊式防松螺母的顯著特點(diǎn)是當(dāng)在螺栓失去軸向力時(shí)，螺母與螺栓之間仍然存在摩擦力。
圖4尼龍圈鎖緊式防松螺母
3.4鐵基形狀記憶合金防松螺母
鐵基形狀記憶合金防松螺母是利用材料的特殊性能來達(dá)到防松目的的。鐵基形狀記憶合金是一種新型功能材料，具有形狀記憶效應(yīng)。該類螺母正是利用此種特性進(jìn)行加工的，螺母內(nèi)螺紋被加工成略小于螺栓外螺紋的尺寸，接著螺母內(nèi)螺紋通過擴(kuò)孔變形方式到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在擴(kuò)孔變形中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料的馬氏體發(fā)生相變。而當(dāng)螺母被擰緊進(jìn)行加熱后，所產(chǎn)生的應(yīng)力又會(huì)誘發(fā)馬氏體發(fā)生逆相變。同時(shí)，螺母的收縮將會(huì)產(chǎn)生了巨大的徑向回復(fù)力。而這種回復(fù)力最終轉(zhuǎn)化為螺紋副之間的摩擦力矩，從而使螺紋副之間的鎖緊力矩大大增加，螺栓螺母間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)也就被有效地阻止，從而實(shí)現(xiàn)螺紋防松。
圖5凹凸雙螺母示意圖
3.5凹凸雙螺母防松
凹凸雙螺母采用凹凸嵌合原理，兩個(gè)螺母中一個(gè)帶有凹結(jié)構(gòu)，另一個(gè)螺母帶有凸結(jié)構(gòu)，凹凸嵌合部分被設(shè)計(jì)有一定的偏心量。工作時(shí)，通過偏心量使螺母螺栓的配合面間產(chǎn)生軸向和徑向的壓緊力，產(chǎn)生足夠大的摩擦力矩，阻止螺母與螺栓之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而起到防松作用。
3.6雙向防松螺母
雙向防松螺母又稱唐氏螺紋，采用兩個(gè)有著不同旋向螺紋的螺母配合使用進(jìn)行防松。在螺桿上也需要加工出左右旋兩種不同的螺紋，兩種螺紋可以在同一螺紋段上，也可以不在同一螺紋段上，如圖6。一個(gè)螺母起緊固作用，另一個(gè)起鎖緊作用，工作中鎖緊螺母的擰緊方向是緊固螺母的松退方向，鎖緊螺母的擰緊，使緊固螺母的松退被限制了，從而使螺紋連接不會(huì)出現(xiàn)松脫現(xiàn)象。
圖6雙向防松螺母
3.7梯級(jí)式鎖緊螺栓(SLB)
該類螺栓的螺紋的螺旋線呈梯級(jí)狀，在一個(gè)螺距的螺紋有幾段組成，其中每段又由梯級(jí)部和傾斜部?jī)刹糠纸M成，前者的螺旋角為0°，后者有螺旋升角。當(dāng)SLB螺栓緊固后，軸向力由階梯部分承受，因此，螺母與螺栓之間不會(huì)在螺旋線方向不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，也就實(shí)現(xiàn)了防松目的。
為什么要使用螺紋連接，螺紋連接有什么好處？
最全不同類型螺紋連接的原理動(dòng)態(tài)圖解，螺紋連接最通俗易懂原理如下：
螺紋聯(lián)接件聯(lián)接畫法
螺栓聯(lián)接畫法注意事項(xiàng)：接觸面處畫一條線；間隙處畫兩條線；間隙有分界線；剖面過標(biāo)準(zhǔn)件軸線時(shí)， 按不剖畫；相鄰件剖面線方向相反。
螺紋及螺紋聯(lián)接件，螺紋的規(guī)定畫法:
結(jié)語
為解決螺紋聯(lián)接的防松問題，工程界和學(xué)術(shù)界不僅從螺紋聯(lián)接的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，而且從緊固件的材料上入手，研究出了很多行之有效的防松方法。面對(duì)具體防松問題時(shí)，需要從原理上找出螺紋聯(lián)接松動(dòng)的原因，并根據(jù)實(shí)際原因選用合理的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，采取合理的防松措施。
作者：侯亞萍
來源：貴州大學(xué)
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