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一文搞定机械设计中螺纹联接原理动态图以及设计方法，附螺纹联接松动解决方法

2020-06-07 20:06:45来源：100唯尔

一文搞定机械设计中螺纹联接设计方法，防松方法

今天我们聊聊在机械设计中螺纹联接设计方法，对于机械设计专业的新手来说，通过这篇文章可以学习我们必须掌握的有关螺纹联接的知识！螺纹联接是用螺纹件（或被联接件的螺纹部分）将被联接件联成一体的可拆联接标准件。本文作者侯亚萍在机械设计中可以经常用到标准件松动问题给出了相应的解决方法。

▲螺纹联接

螺纹联接的松动问题一直困扰工程界和学术界。从原理上分析了螺纹联接松动的原因，介绍了一些目前常用的防松方法，着重介绍了几种新型防松方法。

螺纹联接是一种重要的联接方式，广泛应用于机械设备、汽车、火车、航天航空等领域。然而，其在使用过程中因振动、变载、冲击等动载荷或工作温度发生较大变化时可使螺纹联接产生松动，反复多次后将会导致联接的摩擦力和预紧力逐渐减小甚至消失，从而导致螺纹联接失效。螺纹联接失效后会带来严重的后果，轻者影响设备的正常工作，重者会造成机毁人亡。所以，螺纹防松问题已经成为亟需解决的实际技术问题和学术问题。

1、螺纹的主要参数

普通螺纹的主要几何参数有：螺纹大径d(D)、小径d1(D1)、中径d2(D2)、螺距P、螺纹线数n、导程L、螺旋升角λ、牙型角a、牙型斜角β。其中D、D1、D2用于内螺纹，螺纹的大径为公称直径。螺距与导程的关系为L=nP。

▲螺纹主要参数

2、螺纹的主要分类

螺纹按其截面形状(牙型)分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等。

根据螺旋线方向，可分为右旋螺纹和左旋螺纹。当螺纹轴线垂直放置时，螺纹自左到右升高者，称为右旋，反之为左旋，一般常用右旋。

3、螺栓联接主要类型

螺纹联接有四种基本类型，即螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接。前两种需拧紧螺母才能实现联接，后两种不需要螺母。

螺栓联接：根据螺栓杆与内孔的配合关系，螺栓联接又分为普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接两种。

双头螺柱联接：是指两端均有螺纹的圆柱形紧固件。被联接件上要切制螺纹，用于被联接件太厚或太软，不宜开通孔，可以经常拆装的场合。

螺钉联接：主要用于连接不经常拆卸，并且受力不大的场合。它是一种只需螺钉(有时也可加垫圈)而不用螺母的连接，因而结构最简单。

紧定螺钉联接：用于固定两零件的相对位置，并可传递不大的力和扭矩。紧定螺钉多用于轮毂与轴之间的固定。

▲紧定螺钉联接

4、螺纹紧固件

机械制造中常用的螺纹紧固件的类型很多，除了有螺栓、双头螺柱、螺钉外，还有螺母和垫圈等。常用标准螺纹紧固件如下：

5、螺纹联接松脱原因

在静载荷和工作温度变化不大时，紧固螺纹连接不会发生自动松脱的现象，其连接是非常可靠的。如果螺纹联接工作在冲击、振动、变载荷或高温、温度变化较大下的环境中，将会发生联接的摩擦力和预紧力逐渐减小甚至消失的现象，反复多次后造成螺纹联接松动，最后失效。

研究表明，造成螺纹联接松动的原因主要有三方面：

(1)螺纹联接件的初始变形。在螺纹联接中，螺纹联接件的初始变形表现为塑性变形，而这种塑性变形在螺纹联接工作中继续存在，在某些条件下还会扩大。正是由于这种初始变形的存在导致了螺纹联接发生初始松动。

(2)轴向载荷的作用。当螺栓受到轴向载荷的作用时，螺栓轴向伸长，径向弹性收缩，螺母则径向扩张。从而使微量相对径向滑动在两者的接触面间出现。同时，相对径向滑动在载荷的反复作用下继续增大，最终导致螺母松动回转。

(3)横向载荷的作用。

当螺栓受到反复横向力作用时，螺栓产生弹性扭转变形(图1所示)。弹性扭转变形的不断增加，形成了扭转变形的初始位移，在螺旋副的螺旋方向也出现下滑分量的现象，最后产生了螺纹联接的松动现象。横向载荷的作用是导致螺纹联接松动失效的主要原因。

图1螺纹联接受横向载荷时松动原理图

6、常用螺纹联接防松方法

防止螺纹联接松动、失效的就是防止螺栓与螺母之间的相对转动。虽然螺纹联接防松技术和防松结构很多，但从其工作原理可以分为摩擦防松、机械防松、破坏运动副关系防松等。

2.1摩擦防松

该类防松方式是通过联接预紧的方式使拧紧的螺纹副之间存在一定的轴向压力而保持一定的有摩擦阻力矩而达到防止联接松脱的目的。常用的摩擦防松方法有对顶螺母、弹簧垫圈、波形弹簧垫圈、锥形弹簧垫圈、自锁螺母等。一般来说，摩擦防松结构简单、操作方便，但其防松可靠性较差，不宜用于振动、冲击和动载较大的工况中。

2.2机械防松

该类防松方式是利用各种金属止动元件阻止螺母螺栓之间的相对运动。常用的机械防松方法有开口销与六角螺母、止动垫圈、串联钢丝等。此种防松方式适用于较大振动、冲击、高速的场合，特别是机械内部不易检查的场合，防松可靠，但不易拆卸。

2.3破坏运动副关系防松

这是一种永久方式方法，是通过破坏了螺纹副来达到防松目的。常用的破坏运动副关系防松方法有铆合、冲点、钎焊等，这种方式防松可靠，但不可重复使用。

7、新型螺纹联接防松方法

3.1自锁收口螺母

自锁收口螺母是通过对螺母圆柱体端部进行径向收口，使螺母收口部位的螺纹孔变形，当螺栓拧入到螺母收口部位时产生干涉配合并在螺纹副表面产生摩擦力矩而起到防松作用。常用的自锁螺母收口方式有压扁法和点收口两种。压扁法收口形状如图2所示。而点收口是对螺母收口部位的几个点进行挤压变形，有两点、三点和四点收口。

图2自锁螺母收口示意图

3.2 ST2型自锁防松螺母

ST2型自锁防松螺母是我国研制的新型防松螺母，是通过增大自锁摩擦力矩防松和阻尼防松两种方式实现防松目的。ST2型自锁防松螺母对其内螺纹的形状进行了优化，如图3所示。当螺母和螺栓进行配合时形成抱紧状态，造成螺纹副在径向方向上产生微量变形，消除了螺母与螺栓之间的径向间隙，同时产生较大的摩擦力，从而达到防松目的。

图3 ST2型自锁防松螺母示意图

3.3尼龙圈锁紧式防松螺母

该螺母如图4所示，在螺母末端嵌有尼龙圈。当螺母拧紧在螺栓上时，尼龙圈内孔被胀大，产生弹性变形，尼龙圈从径向方向压紧螺纹而箍紧螺栓，从而起到防松作用。尼龙圈锁紧式防松螺母的显著特点是当在螺栓失去轴向力时，螺母与螺栓之间仍然存在摩擦力。

图4尼龙圈锁紧式防松螺母

3.4铁基形状记忆合金防松螺母

铁基形状记忆合金防松螺母是利用材料的特殊性能来达到防松目的的。铁基形状记忆合金是一种新型功能材料，具有形状记忆效应。该类螺母正是利用此种特性进行加工的，螺母内螺纹被加工成略小于螺栓外螺纹的尺寸，接着螺母内螺纹通过扩孔变形方式到标准尺寸，在扩孔变形中产生的应力会导致材料的马氏体发生相变。而当螺母被拧紧进行加热后，所产生的应力又会诱发马氏体发生逆相变。同时，螺母的收缩将会产生了巨大的径向回复力。而这种回复力最终转化为螺纹副之间的摩擦力矩，从而使螺纹副之间的锁紧力矩大大增加，螺栓螺母间的相对转动也就被有效地阻止，从而实现螺纹防松。

图5凹凸双螺母示意图

3.5凹凸双螺母防松

凹凸双螺母采用凹凸嵌合原理，两个螺母中一个带有凹结构，另一个螺母带有凸结构，凹凸嵌合部分被设计有一定的偏心量。工作时，通过偏心量使螺母螺栓的配合面间产生轴向和径向的压紧力，产生足够大的摩擦力矩，阻止螺母与螺栓之间的相对运动，从而起到防松作用。

3.6双向防松螺母

双向防松螺母又称唐氏螺纹，采用两个有着不同旋向螺纹的螺母配合使用进行防松。在螺杆上也需要加工出左右旋两种不同的螺纹，两种螺纹可以在同一螺纹段上，也可以不在同一螺纹段上，如图6。一个螺母起紧固作用，另一个起锁紧作用，工作中锁紧螺母的拧紧方向是紧固螺母的松退方向，锁紧螺母的拧紧，使紧固螺母的松退被限制了，从而使螺纹连接不会出现松脱现象。