不松动螺母的学习与探讨

螺纹连接与紧固种种2022/12/101第一页，共59页。螺丝螺母的防松方法“防松”指的是在螺纹连接正常紧固后，抵抗外界冲击、振动或变载荷作用下，以及在高温或温度变化较大时，联接性能变弱的能力，并非是人力松开时所显示扭矩大小的比较。一般分：摩擦防松、机械防松和永久防松。其中永久防松是不可拆卸防松（但并不等于不松动），摩擦、机械防松是可拆卸防松。常见的机械防松方法有止动垫圈、开口销等等。常见的摩擦防松一般是利用垫圈、自锁、双螺母等等。2022/12/102第二页，共59页。2022/12/103圆锥面的自锁当相配合的两锥面的在受到一定外力的情况下，金属表面产生的微小弹性变形在两者间产生了摩擦力，使之可以传递或承受一定的扭矩。就是为什么两锥面配合时必须要撞击、锥度必须小于8度，配合面必须大于75%的原因。依靠圆锥面的的这种配合实现自锁。第三页，共59页。圆锥面的自锁与“摩擦角”的概念是摩擦力通过锥度改变了力学方向，产生一个与锥面垂直的力，从而实现自锁原理.摩擦角与自锁现象法向反力N与摩擦力F的合力R称为支持面对物体的全反力。即摩擦力F达到最大值Fmax时，这时的夹角a也达到最大值b，把b称为摩擦角。2022/12/104第四页，共59页。“摩擦角”的概念物体与支持面之间存在粗糙，一旦存在相对运动趋势，就会受静摩擦力作用，设最大静摩擦因数为μ，则最大静摩擦力为

fM＝μFN。如图，水平面对物体的作用力F′（支持力与静摩擦力的矢量和）与竖直方向的夹角α，满足

。

α称为摩擦角，无论支持力FN如何变，α保持不变，其大小仅由摩擦因数决定。2022/12/105第五页，共59页。发生自锁条件设用斜向下的推力F作用于物体，方向与竖直方向成θ时，如果满

，无论用多大的力也推不动物体。此时重力mg的影响已无关紧要，有，即，这是物体发生自锁的条件。如果这一条件不满足，即θ＞α，则物体所受动力大于阻力，物体就会运动。2022/12/106第六页，共59页。达到自锁的途径通过控制角度达到“自锁”分析知道通过控制角度使推力在摩擦力方向上的分力总是小于最大静摩擦力，即总反力的方向始终在摩擦角内就能达到自锁的目的。2022/12/107第七页，共59页。达到自锁的途径通过控制摩擦因数达到“自锁”摩擦因数是物体粗糙程度的反映，在其他条件相同的情况下，μ(最大静摩擦因数)越大物体受的最大静摩擦力就越大，物体越不容易被拉动。如果μ达到一定程度，使其他力在摩擦力方向上的合力总是小于最大静摩擦力时，物体就达到了自锁。2022/12/108第八页，共59页。达到自锁的途径通过控制弹力达到“自锁”如后图所示，由两根短杆组成的一个自锁定起重吊钩，将它放入被吊桶的罐口内，其张开一定的夹角压紧在罐壁上，当钢绳匀速向上提起时，两杆对罐壁越压越紧，若罐和短杆的承受力足够大，就能将重物提升起来。罐越重，短杆提供的压力越大，称为“自锁定机构”。2022/12/109第九页，共59页。达到自锁的途径通过控制弹力达到“自锁”这是一个借助巧妙的机械装置达到自锁的模型。它的原理是当自锁机构的两边与罐接触后，产生弹力和摩擦力托起罐，且罐越重，杆提供的压力越大。这种机械装置自锁的应用在日常生活中是比较普遍的。2022/12/1010第十页，共59页。自锁的表现生活中大量使用螺丝，我们用它们来紧固物体，用到了其实就是摩擦自锁。螺丝上的螺纹可展开成斜面，则其与上述的劈便无本质的区别了。螺旋千斤顶工作时螺旋可以看成是一个绕在圆柱体上的斜面。将其展开，这个斜面的倾角θ就是螺纹升角θ。丝杆相当位于斜面上的物体。千斤顶支撑的重物是加载于丝杆上的轴向载重。2022/12/1011爬电线杆提物尖劈堆沙堆千斤顶第十一页，共59页。日本永不松动螺母HARD-LOCK2022/12/1012第十二页，共59页。日本永不松动螺母基本结构原理图2022/12/1013第十三页，共59页。受力分析在偏心的作用下，产生径向平面内的附加力矩2022/12/1014关键之处第十四页，共59页。楔子到偏心的思路引入2022/12/1015第十五页，共59页。思路的引入2022/12/1016第十六页，共59页。楔子的作用力方向2022/12/1017第十七页，共59页。日本偏心螺母设计原理设计原理的思维背景：以刚克刚螺母松脱是由于松退力克服螺纹之间摩擦力，那么增大摩擦力就成了防止螺纹松脱的首选方法。不仅偏心螺母，弹性垫圈、对顶螺母(双螺母)、尼龙锁紧螺母也都是采取的这种方法。它的思维背景就是以刚克刚，以增加摩擦力来对抗松退力。然而我们知道摩擦力的增加是有限度的，因而摩擦防松不可避免存在局限性。2022/12/1018第十八页，共59页。唐氏螺纹紧固件的防松原理设计原理的思维背景：以柔克刚唐氏螺栓兼容两种不同旋向的螺母，让摩擦力和拧紧力相互转化、达到制约的目的。把右旋螺母的退松力直接转变成左旋螺母的拧紧力，将两个相对的力转化为相助相融，发明了真正不会松动的螺纹结构。深晰其背后的原理正是运用了道家所主张的顺其自然、万物相生相克的思维理念。2022/12/1019第十九页，共59页。唐氏螺纹紧固件的防松原理图为唐氏螺纹紧固件防松方法示意图。在联接时，使用两只不同旋向的螺母：工作支承面上的螺母称为紧固螺母，非支承面上的螺母称为锁紧螺母。使用时先将紧固螺母预紧，然后再将锁紧螺母预紧。2022/12/1020在振动、冲击的情况下，紧固螺母会发生松动的趋势，但是，由于紧固螺母的松退方向是锁紧螺母的拧紧方向，锁紧螺母的拧紧恰恰阻止了紧固螺母的松退，导致紧固螺母无法松动。第二十页，共59页。唐氏螺纹紧固件的防松原理从螺纹角度来看，偏心螺母仍属传统螺纹，这是一种“单旋向、连续、等截面”螺纹，而唐氏螺纹是一种“双旋向、非连续、变截面”的螺纹，完全突破了传统螺纹的概念，是螺纹领域的最重大突破。从螺纹防松角度来看，偏心螺母依靠增大摩擦力防松，依然属于传统防松方式。在冲击振动的条件下，螺母仍会克服摩擦力而松脱。而唐氏螺纹紧固件是纯结构防松，利用左旋和右旋螺纹自身的矛盾来防松，突破了传统螺纹的防松概念，是螺纹防松领域的最重大突破。唐氏螺纹虽然减小了螺纹的受力面积，但却保持了螺纹的强度，创造了真正“不会松动的螺栓”的神话。2022/12/1021第二十一页，共59页。德国垫片组防松动原理上个世纪二十年代，德国工程师首创了楔入式锁紧概念，利用夹紧力而非摩擦力来防止螺栓松动。HEICO—LOCK楔入式锁紧系统，外表面为放射状锯齿，内表面呈楔形，安装时成对使用，楔形面相对。外表面为放射状锯齿以增加摩擦力。内表面呈楔形其锁紧作用。2022/12/1022第二十二页，共59页。HEICO—LOCK楔入式锁紧系统硬度应大于螺栓、被连接件表面的硬度2022/12/1023第二十三页，共59页。楔合过程在拧紧时，HEICO—LOCK保持静止，位移发生在楔形内表面之间，直至达到所需要的预紧力。2022/12/1024锲形啮合锯齿压入开始拧入第二十四页，共59页。楔形角与螺纹角的关系楔形的坡度大于螺纹升角，当螺栓连接由于振动发生自旋时，HEICO—LOCK沿厚度方向发生扩张行为，进而引发夹紧力的增加。2022/12/1025第二十五页，共59页。经验证，HEICO—LOCK可以维持80%的预紧力，有HEICO—LOCK就没有松动。2022/12/1026第二十六页，共59页。普通型振动松开实验2022/12/1027第二十七页，共59页。弹簧垫圈型振动松开实验2022/12/1028第二十八页，共59页。尼龙衬垫型振动松开实验2022/12/1029第二十九页，共59页。平垫圈型振动松开实验2022/12/1030第三十页，共59页。止动螺母型振动松开实验2022/12/1031第三十一页，共59页。双螺母型振动松开实验2022/12/1032第三十二页，共59页。不同螺母紧固的振动实验2022/12/1033第三十三页，共59页。Nord-LockX-系列防松垫圈松动实验曲线2022/12/1034第三十四页，共59页。Nord-LockX-系列防松垫圈拧松力矩曲线抵抗锯齿形的压入量借鉴表面和螺母的端面2022/12/1035第三十五页，共59页。松开后的状态Nord-LockX-系列防松垫圈。Nord-LockX-系列防松垫圈将楔形制锁原理及弹性效应相结合，可有效地防止沉降和松弛引起的松脱。锯齿的压入增加摩擦力影响重复使用

2022/12/1036第三十六页，共59页。

施必牢螺栓施必牢螺母拥有一种创新的自锁内螺纹牙形构造，在螺纹根部有独特的30°的楔形斜面。由于牙形的角度改变，使螺纹间接触面上产生的法向力与螺栓轴线形成60°角，这使得轴向夹紧力传递到螺栓和螺母的螺纹接触区域时产生一个比普通螺纹大得多的摩擦力，从而有效提高防松性能。配合施必牢螺母的螺纹结构特点，施必牢螺栓的螺纹牙尖设计成与施必牢螺母螺纹相互配合的一个30°楔形面，这个结构设计使得螺纹接触由之前的线接触变成带状面接触，改善了接触的稳定性。从而使得夹紧力持续恒定。除了提供更优越的防松性能外，还可防止滑牙，防治螺栓断裂，防脱扣，抗过扭，是一种新型的高可靠螺栓副。2022/12/1037第三十七页，共59页。牙型变化分析锁紧能力2022/12/1038①接触面大，轴向分力大，压紧力大，有相当的自锁作用②角度不匹配，接触面最小，无法锁紧③正常螺纹面已失去作用，此为第二螺旋面，有悖于常规螺纹紧固的原理。增加了牙尖与螺母螺纹底部的轴向挤压力，同时螺纹面容易发生变形。这样做，实际只要改变（增大）牙型角即可如愿。①②③法向力根据螺纹紧固的原理来分析①②③第三十八页，共59页。中国自锁螺母中国自紧螺母由深圳自紧王科技研发的专利产品，此自紧螺母仅需一个螺母和一个垫圈的结合就轻松解决所有问题，在用材、工艺、精密度要求上全无顾忌，高中低螺丝螺母皆能生产。更为关键的是，自紧螺母内含活性自紧力，而回转则会产生更大的反向抵抗力，其安全可靠性更好。但拆卸费力。重复使用有困难。2022/12/1039依靠带齿端面对压紧平面产生的塑形变形将齿压入，连接件表面硬度要低于螺钉方能有效。第三十九页，共59页。松动与脱落螺栓连接的松动：应该是指螺栓或螺母（实际为两者同时）与被连接件表面之间的压紧力减小而达不到紧固目标值。松脱力矩一般是拧紧力矩的80%。也就是松开的力量总比拧紧的力量要小。紧固根本不起作用时，并已产生分离的迹象。2022/12/1040第四十页，共59页。螺纹连接为什么会松动螺纹连接相当于斜面上置放一重物，当重物沿斜面向下方的分力大于重物向下滑动时的摩擦力时，重物就要向下运动。螺纹连接相当于斜面上放一重物的情形，当用螺纹连接的被连接件受到振动时，螺纹压紧的横向分力大于螺纹副的摩擦力时，螺纹就会变松。螺纹连接在一般条件下，是能满足自锁条件而不会自动松脱，但在受振动或冲击载荷下，或是温度变化较大时，连接螺母可能会逐渐松动。螺纹松动的主要原因是螺纹副之间以及压紧面之间的微动磨损，进而相对转动造成的。2022/12/1041第四十一页，共59页。螺纹连接为什么会松动金属蠕变：金属材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。由于蠕变，材料在某瞬时的应力状态，一般不仅与该瞬时的变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。许多工程问题都涉及蠕变。在维持恒定变形的材料中，应力会随时间的增长而减小，这种现象为应力松弛，它可理解为一种广义的蠕变。2022/12/1042第四十二页，共59页。带凹凸坡的螺母与垫圈在用事实说话中国vs日本的中国螺母

。该螺母由带凸坡的螺母和带凹坡的垫圈的组合。2022/12/1043第四十三页，共59页。凹凸坡螺母拧螺母被凹凸坡卡死，扳手爆表（最大200牛米）没松开，由此“中国自紧王螺母PK日本哈德洛克螺母完胜”，但用扳手拧垫片却很容易松开螺母，是垫圈带动螺母一起松开并很轻松，这却却是说明当受到振动或冲击时，垫圈底面与被连接件之间无法由上面的螺母保证不松动。所以整体还是会产生松动的。与日本的不松动

是两个概念。防松能力不等于人工拧松力的大小。2022/12/1044单拧螺母被凹凸坡卡死单拧垫圈时推动螺母一起旋转第四十四页，共59页。凹凸坡螺母单拧螺母时，由于凹、凸坡作用使两者轴向顶开而显更加压紧。当拧垫圈时，由于凹凸坡作用，垫圈带动螺母正好与拧螺母时一个效果所以很容易松开，因而也就无从谈起永不松动的概念了。这个“很容易松开”在正常状态下能有防松作用？2022/12/1045第四十五页，共59页。日本偏心螺母组结构分析2022/12/1046偏心量楔子凹状的螺母（上方）凸状的螺母（下方）第四十六页，共59页。日本偏心螺母组结构2022/12/1047第四十七页，共59页。仅偏心凸螺母拧紧时偏心凸螺母的上螺旋面与螺栓的下螺旋面紧密接触，螺母与被紧固件压紧2022/12/1048第四十八页，共59页。凹螺母与偏心凸螺母锥面接触凹凸螺母开始接近时，锥面还未发生作用，由于凸螺母的锥面的偏心，所以两侧的间隙不一样2022/12/1049第四十九页，共59页。凹螺母开始下拧时由于偏心锥面的作用，凹螺母被挤向左边，而凸螺母在原来拧紧的基础上被挤向右方锥面的接触面也越来越扩大，直到达到预定的拧紧扭矩2022/12/1050F1F2紧松第五十页，共59页。日本偏心螺母组结构简单分析锥面的偏向与螺纹的起始点无关普通螺母与螺栓紧固时，只是螺纹面单面的相互接触日本的永不松动的螺母是分成上下两半后，除了正常的螺纹面的接触产生的轴向力，还通过偏心锥面附加产生F1,F2，在轴的径向向对螺栓做相向抱合（径向紧固力）保证凹凸螺母拧紧时内、外端面之间的间隙2022/12/1051第五十一页，共59页。锥面接触过程理论上，两圆锥面的轴心线在平行状态下逐步接近时，锥面有效接触逐步扩大，直到完全吻合2022/12/1052第五十二页，共59页。实际拧紧过程但实际由于螺栓的作用，凹锥面螺母与凸锥面接触是单侧先接触，所以会发生微量倾斜，凸锥面从偏心的上边缘开始接触，逐渐扩大，但锥面的2022/12/1053受力是不均匀的，局部开始产生塑形变形。

为了克服受力不均匀，增

加摩擦力可以将凸锥面在

制作时适当与螺纹的轴线

成一定的角度，迎合凹螺

母拧紧后歪斜后的实际位置，但需精确计算。干涉、塑性变形发生起始点第五十三页，共5