楔紧自锁螺母的特征分析

西北纺织工学院学报 JOURNAL OF NORTHWEST OF TEXTILE SCIENCE AND TECHNOLOGY 1999年 第13卷 第4期 Vol.13 No.4 1999 楔紧自锁螺母的特征分析王崇楼 王锦 张治中摘 要 从楔紧自锁螺母和螺栓联接后的横截面形状特征讨论其抗横向振动的能力.鉴于这种螺母有较好的防松性能,建议研究和开发这种楔紧自锁螺母. 关键词 螺纹联接、螺母、防松、振动中图分类号 TH 131.3 The Feature of Wedge Ramp for Self-locking Nut Wang Chonglou Wang Jin Zhang Zhizhong (Mechanical Engineering Dept.NWITST,Xi　an 710048,PRC) Abstract To resist against loosening for threaded fastened especially operated under cyclic loading makes people terrible headache.The wedge ramp for self-locking nut developed by the troit Tools Incorporated of American (DTI) was found much favour in people　s eyes for this issue.In this paper,we will discuss the stress to resist against the transverse vibration through studying the feature of configuration for the crosssection of the thread as formed and matched by a joint of wedge ramp selflocking nut and a threaded bolt.Because of its anti-loosening benefit with the best results,we strongly make an appeal to study and develop the selflocking nut as quick as possible for the fasteners. Keywords threaded joint,nut,anti-loossening,vibration 百余年来,标准螺纹联接,一直面临松脱的难题.机械运转过程中,残余不平衡量引起的振动与冲击,热源下的温度变化,都会引起螺纹联接松动.螺纹联接的防松性能特征各异,彼此之间还没有完全可以参考和比较的价值.就连美国军用标准MIL-N-25027和工业紧固件协会标准IFI-100也有不同之处,前者规定了重复使用15次,后者制订了支承面负载要求.70年代中期,美国底特律工具公司研究了Spiralock Nut(楔紧自锁螺母),获得了较好的信誉和应用,并列入了美国军用标准.其特点是结构简单［1］,防松性能好.本文作者分析后认为,在相同预紧力情况下,楔紧自锁螺母的抗横向振动能力并不取决于齿侧法向作用力的增加和相应摩擦力的提高,而取决于其联接后的横截面形状特征和“干涉”效应. 西北纺织工学院学报990403 页码，1/4 http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Article... 2006-12-8 1 螺栓联接松动的原因目前,螺栓联接的设计观点是高预紧力,应用上控制旋紧力矩,重型结构采用无垫圈螺栓联接;联接点的性能取决于联接强度和控制滑动.然而,螺栓联接组件的横向刚度低,螺母的质量又比较小,振动进程中抵抗横向振动的防松性能比较弱,是螺栓联接中的薄弱环节.螺栓联接时下述两种因素值得关注: (1) 摩擦系数与振动速度呈负摩擦特性(见图1) 当变载外力克服静摩擦力Fs后,摩擦力会在瞬间降为Fd,不平衡力Fs-Fd会引起螺栓联接件加速而破坏自锁条件,迅速出现松动.这就是普通螺母和轻型弹簧圈在5 min振动试验过程中迅速松动的原因. 图1 负摩擦特性 (2) 螺栓联接组件的应力松弛 为了充分发挥螺栓的潜力,减轻联接件质量,常把高强度螺栓组件拧紧到塑性变形,并使预紧力的变化不会出现较大的偏差.然而.螺纹载荷的局部应力超过屈服点后会出现蠕变和流动,引起松弛;尤其是垫圈,强度比紧固件和被联接件低得多,在远低于紧固件和被联接件屈服点的应力下,会使螺栓联接组件松弛.为此,人们不得不在装配工艺上采取措施［3］，以减小预紧后的松弛量. 此外,“螺纹公差越小,装配质量和性能越好”是一种错觉,螺纹公差的选择要按材料和变形等情况来决定.螺纹配合间隙越小,抗振动越好.然而,还有其它一些可靠而又廉价的控制方法胜于精密级公差的运用,值得注意. 2 楔紧自锁螺母(Spiralock Nut) 早在高压阀门设计时,为了取得螺纹联接负载的均匀传递,人们研究了螺纹的牙形角、园角半径、齿厚和柔度等,普遍认为锯齿形螺纹和梯形螺纹是较理想的联接形式.然而比较各自的优缺点,还难以得出确切的结论,于是就有了重迭两种螺纹形式的设想［2］(见图2). 西北纺织工学院学报990403 页码，2/4 图2 两种螺纹重叠形式楔紧自锁螺母在螺纹牙底具有30°锥面.旋合时,预紧力使螺栓的牙顶楔入螺母牙底的锥面,在相同的预紧力情况下,螺纹牙侧面的法向作用力提高了73%,增加了螺纹联接的摩擦力.然而,在螺母受压、螺栓受拉的联接中,拉力作用时,牙侧法向力的径向分力会使螺母母体径向扩张,而螺栓径向压缩,螺纹副将出现微量相对滑动.试验表明,径向相对滑动时,螺母相对于螺栓回转的切向滑动很容易产生而导致松动［4］.实际上,楔紧自锁螺母抗横向振动能力有赖于横截面的“干涉”效应. 普通螺纹具有60°牙形角,形成了三角形断面的螺旋体,也可以看作是上、下两侧螺旋面的组合.由于其轴向截形为直线;所以,右螺旋面方程(见图3)为: 式中:ψ为直线截形与端截面的夹角,即螺纹牙形角;u为螺纹轴向截形上A点的位置参数;p为螺旋参数,p=s/2π,其中s为螺距;θ为参变数,即母线从起始位置绕z轴转进的角度. 图3 普通螺纹与自锁螺纹螺旋面的横截形可由z=0求得,即θ=(u/p)sinψ及　可见,普通螺纹螺旋面的横截形为阿基米德蜗线(见图3),且横截面的一半为上螺旋面,另一半为下螺旋面,从而组成了两阿基米德蜗线在螺纹外圆顶点A相交,形成了凸点．又当y=0时,阿基米德螺旋在轴截面内的截线方程为直线,即z=-xtanψ，所以,楔紧自锁螺母的30°锥面在轴截面内为直线时,