「紧固连接设计与应用专栏」防松设计规范

背 景

每个人都经历过：某些螺丝或螺母松动，但原因是什么？如何防止它发生？

博萨德专家团队迈克尔·卡斯，研究了接头的功能以及紧固件线的相互作用。他分析了可以引入并导致松动的压力，以及哪些紧固解决方案，可用于最小化或防止松动？

或许因此，我们需要更多地了解接头的功能以及紧固件螺纹如何相互作用？我们还需要分析引入的压力，以充分了解是什么原因松动？

只有这样，我们才能确定最佳解决方案，以尽量减少或防止松动。

在紧固过程中，紧固件螺纹和支撑面区域引入摩擦，正是这种摩擦，随后应该防止拧紧紧固件松动。

那么 ， 如果摩擦能够保持住连接，为什么它仍然松动呢？

连接：在完美的连接中，连接本身应该承受动态的载荷，防止松动。

紧固件应拧紧到合适的预紧力和螺栓应只承受拉伸力应力，动态力量可能会引发松动。为了防止紧固件松动设计，应防止由于横向工作负载而使组装部件滑动。

为此，夹紧长度很重要。夹紧长度小于螺纹直径 5 倍的紧固件没有产生弹性效应。它们非常僵硬，抗震性差。

如果可能，修改接头设计，以实现螺纹直径（d）的夹子长度为 5 times。这种螺栓接头的反应更具弹性，其抗震性得到提高。

但在许多应用规则中很难实现。

外部载荷：为了防止松动，设计工程师需要去分外部载荷。

外部载荷将决定连接处摩擦是否承受的住，或者是否需要采取其他预防措施。

可以分为两类：静态和动态载荷。

动态载荷：动态载荷可以通过几种引入–设备本身、大自然和周围环境。当引入动态力载荷，螺纹摩擦和支撑面摩擦有助于保持连接紧绷。

如果力足够大，螺纹中的摩擦力会急剧下降，只留下螺丝头或螺母轴承区域的摩擦力，以防止连接松动。

静态载荷：如果连接设计只引入静态载荷，则松动通常不是问题。

摩擦：通常定义为摩擦系数(CoF)。引入的摩擦量取决于所使用的材料和涂层。

一些材料，如不锈钢和铝，会产生很大的摩擦，而钢通常有额外的表面处理，这决定了它的摩擦系数。使用摩擦改进剂，我们可以确保达到正确的夹紧力，从而发挥紧固件的最大潜力。

但与此同时，我们降低了CoF，从而增加了在动态载荷作用下连接松动的风险。

头部类型

法兰/垫圈头：通过设计更大的头部，如法兰头或加入垫圈，可以引入更多的摩擦在头下和对手件表面。同时降低了表面压力，从而减少嵌入，有利抵抗动态载荷得影响。

法兰锯齿状头：通过在法兰的承载区域头部引入锯齿，在拧紧时锯齿会扎进配合面留下一个高金属锁紧效果。

这种类型的锁定特性可能会对匹配表面造成损害，特别表面涂漆。如果在螺丝上使用锯齿，你也必须在配合螺母上使用锯齿，以确保在所有接触面都有高摩擦量。

通常垫圈不引入锯齿状。

锁紧螺母：通过引入尼龙环或螺纹的金属变形，增加连接摩擦。

但是增大的扭矩元素不会延伸到这些螺母的整个高度。效果总是只在螺母的顶部几个螺纹上，而剩余的螺母螺纹是自由旋转的。

当动力力矩大到足以减少关节的预紧力时，锁定功能将防止螺母丢失，但可能无法防止螺母轻微旋转，进一步失去预紧力，而不重新拧紧预紧力是无法恢复的。这可能连接中环境件的移动和最终疲劳失效。

此外，在使用普遍扭矩螺母时，需要考虑可重用性，因为每次重复使用锁紧效果会逐渐减弱。

螺纹锁紧功能

聚合物胶水： 由聚酰胺制成。聚酰胺是一种温度塑料树脂，软化在120°C以上。

把细粉末吹到预先确定的加热螺纹区域，螺纹表面的高温使粉末层立即软化并粘在螺纹上。

最后，螺纹上有一个小的软聚酰胺贴片，它堵塞了啮合螺纹。已经松动的螺丝不会继续其振动引起的自转。

如果在涂装时螺丝旋转，则形成360° 聚酰胺涂层。这不仅堵塞，但它同时密封螺纹 – 这是重要的螺丝，通常用在密封容器。聚酰胺涂层可直接应用于必须有效的区域，即内外螺纹啮合所在的区域。

厚度涂层在一定程度上是可调节的，因此具有普遍的扭矩效应。

一般来说，螺纹末端的2-3 螺纹间距没有涂层。因此，螺丝开始拧紧时可以自由旋入。

化学胶：在螺纹间隙中填充中间产物，硬化，防止螺纹侧翼相对滑动彼此摩擦力得以维持螺丝/螺母耐振动。

完全加固可能需要72小时，但在大多数情况下，短时间后部件就已经被锁定了。因此，应避免在组装后调整紧固件，以免破坏锁紧效果。出于同样的原因，粘性锁定功能只能使用一次。

如果有必要拆卸，则必须丢弃紧固件。化学胶通常360°应用，这将有利于作为一个密封效果。

垫圈：垫圈属于紧固件家族，但是没有直接的紧固目的。

世界上几乎到处都有错误使用垫圈的情况，经常导致接头强度降低或在动态接头中增加松动的风险。

平垫圈：为如果选择正确，有助于减轻较软材料的表面压力，从而最大限度地减少座面造成的夹紧力的损失。

垫圈的支撑面面积通常比螺丝或螺母的支撑面较大。

较大的接触面积直径产生更多的摩擦阻力。因此，螺栓头在拧紧时始终在垫圈上旋转，而不是夹紧部件上。随后，它将保护较软的材料，从而减少动态力松动的风险。

根据所选紧固件的属性类别，需要选择正确的垫圈硬度。

如果材料太软，无法在没有嵌入的情况下支撑螺栓头部，则选择错误的垫圈硬度也会导致更高的松动风险。

开口垫圈：正如我们所知，其强度仅能承受由性能等级为5.8级的紧固件所引入的夹紧力(当使用紧固件时)。

当与这些紧固件一起使用时，分离锁紧垫圈将减少夹具负载的损失，从而减少由于动力而松动的风险。

此外，大多数分裂锁垫圈的边缘将创建一个机械锁定软表面，将提高锁定效果。重要的是要了解，当使用8.8(5级)或更高的热处理紧固件时，分体锁紧垫圈的有效性非常低或根本不存在。

垫圈的弹跳率过低，垫圈的边缘不会钻入紧固件的硬表面。当与更高等级的紧固件一起使用时，它们实际上会产生更大的风险，因为垫圈可能在高负荷下扩散和断裂。

锯齿状垫圈： 锯齿锁紧垫圈的名称是误导。这些垫圈的唯一作用就是促进电导率。这些通常用于接地应用，如汽车电池。

扭曲的牙齿的垫圈可能是一个锁定功能，但现实是，垫圈的设计往往不能承受在组装期间施加的压力。这将导致更高的嵌入风险和随后更高的松动风险。

即使齿面应增加摩擦在较软的材料，大多数紧固件(性能等级8.8或以上)的表面硬度太高，使其成为有效的金属锁定特征。

在某些情况下，如6.8级以下的紧固件，由于表面压力和夹紧载荷有限，可以达到一定的锁紧效果。

棱纹锁紧垫圈：至少一侧有棱纹。结合螺纹中的摩擦，显著增加支撑面摩擦来防止螺丝或螺母的自发旋转松动。

与平垫圈一样，有不同类型的带肋锁垫圈，根据它们的形状有不同的功能。带肋弹簧锁垫圈的外径与螺丝和/或螺母的轴承面积直径大致相同。它两边都有肋骨。

Nord-Lock?：一种特殊的锯齿形锁紧垫圈是Nord-Lock?。

通常需要两个垫圈配对提供锁定效果。

外表面是棱状的，即使是最坚硬的材料也能咬进去，而内表面有精确的角度。当一个螺丝/螺母拧紧时，两个锁紧垫圈之间的角度保持关闭，两个垫圈紧密接触。

如果螺杆受到振动，因此试图旋转松脱，上垫圈将旋转并与下垫圈轻微分离。然而，由于坡道角(a)大于螺纹螺旋角(b)，因此可靠地防止了螺钉的旋转松动。

Nord-Lock垫圈可以重复使用很多次，需要稍微更高的扭矩来实现所需的夹紧力。所有提到的肋锁紧垫圈:必须在螺栓/螺母一侧使用，以确保锁紧。可与硬化紧固件一起使用。

但是只有Nord-Lock垫圈能够承受/使用性能等级12.9。

自攻螺栓：通过消除螺纹上的间隙，在动态载荷(振动)下不会松动。

通常在螺钉和螺母的配合螺纹之间有一定的余量。而自攻螺栓在拧入工件时形成配合内螺纹，没有任何螺纹间隙。

即使在组装零件的剧烈振动的情况下，螺纹侧翼也不能相互滑动。现有的螺纹摩擦完全保持，从而消除了额外的锁紧装置。

即使在拆卸和重新组装后，也能保持抗振动性。无论是在盲孔总成还是在通孔总成中，螺纹成型螺钉总是不使用螺母。

由于螺纹成形螺钉是如此的抗振动，它们被设计工程师成功的应用于暴露在强烈的振动和振动的机器和设备。

螺纹成型螺钉可用于低碳钢，轻合金金属和大多数塑料，尽管不同类型的材料使用不同的螺纹类型。

总 结

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来源：GAF螺丝君