一文搞定機械設計中螺紋聯接原理動態圖以及設計方法，附螺紋聯接松動解決方法
一文搞定機械設計中螺紋聯接設計方法，防松方法
今天我們聊聊在機械設計中螺紋聯接設計方法，對于機械設計專業的新手來說，通過這篇文章可以學習我們必須掌握的有關螺紋聯接的知識！螺紋聯接是用螺紋件（或被聯接件的螺紋部分）將被聯接件聯成一體的可拆聯接標準件。本文作者侯亞萍在機械設計中可以經常用到標準件松動問題給出了相應的解決方法。
▲螺紋聯接
螺紋聯接的松動問題一直困擾工程界和學術界。從原理上分析了螺紋聯接松動的原因，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。
螺紋聯接是一種重要的聯接方式，廣泛應用于機械設備、汽車、火車、航天航空等領域。然而，其在使用過程中因振動、變載、沖擊等動載荷或工作溫度發生較大變化時可使螺紋聯接產生松動，反復多次后將會導致聯接的摩擦力和預緊力逐漸減小甚至消失，從而導致螺紋聯接失效。螺紋聯接失效后會帶來嚴重的后果，輕者影響設備的正常工作，重者會造成機毀人亡。所以，螺紋防松問題已經成為亟需解決的實際技術問題和學術問題。
1、螺紋的主要參數
普通螺紋的主要幾何參數有：螺紋大徑d(D)、小徑d1(D1)、中徑d2(D2)、螺距P、螺紋線數n、導程L、螺旋升角λ、牙型角a、牙型斜角β。其中D、D1、D2用于內螺紋，螺紋的大徑為公稱直徑。螺距與導程的關系為L=nP。
▲螺紋主要參數
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。
根據螺旋線方向，可分為右旋螺紋和左旋螺紋。當螺紋軸線垂直放置時，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、螺栓聯接主要類型
螺紋聯接有四種基本類型，即螺栓聯接、雙頭螺柱聯接、螺釘聯接和緊定螺釘聯接。前兩種需擰緊螺母才能實現聯接，后兩種不需要螺母。
螺栓聯接：根據螺栓桿與內孔的配合關系，螺栓聯接又分為普通螺栓聯接和鉸制孔用螺栓聯接兩種。
雙頭螺柱聯接：是指兩端均有螺紋的圓柱形緊固件。被聯接件上要切制螺紋，用于被聯接件太厚或太軟，不宜開通孔，可以經常拆裝的場合。
螺釘聯接：主要用于連接不經常拆卸，并且受力不大的場合。它是一種只需螺釘(有時也可加墊圈)而不用螺母的連接，因而結構最簡單。
緊定螺釘聯接：用于固定兩零件的相對位置，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。
▲緊定螺釘聯接
4、螺紋緊固件
機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。常用標準螺紋緊固件如下：
5、螺紋聯接松脫原因
在靜載荷和工作溫度變化不大時，緊固螺紋連接不會發生自動松脫的現象，其連接是非常可靠的。如果螺紋聯接工作在沖擊、振動、變載荷或高溫、溫度變化較大下的環境中，將會發生聯接的摩擦力和預緊力逐漸減小甚至消失的現象，反復多次后造成螺紋聯接松動，最后失效。
研究表明，造成螺紋聯接松動的原因主要有三方面：
(1)螺紋聯接件的初始變形。在螺紋聯接中，螺紋聯接件的初始變形表現為塑性變形，而這種塑性變形在螺紋聯接工作中繼續存在，在某些條件下還會擴大。正是由于這種初始變形的存在導致了螺紋聯接發生初始松動。
(2)軸向載荷的作用。當螺栓受到軸向載荷的作用時，螺栓軸向伸長，徑向彈性收縮，螺母則徑向擴張。從而使微量相對徑向滑動在兩者的接觸面間出現。同時，相對徑向滑動在載荷的反復作用下繼續增大，最終導致螺母松動回轉。
(3)橫向載荷的作用。
當螺栓受到反復橫向力作用時，螺栓產生彈性扭轉變形(圖1所示)。彈性扭轉變形的不斷增加，形成了扭轉變形的初始位移，在螺旋副的螺旋方向也出現下滑分量的現象，最后產生了螺紋聯接的松動現象。橫向載荷的作用是導致螺紋聯接松動失效的主要原因。
圖1螺紋聯接受橫向載荷時松動原理圖
6、常用螺紋聯接防松方法
防止螺紋聯接松動、失效的就是防止螺栓與螺母之間的相對轉動。雖然螺紋聯接防松技術和防松結構很多，但從其工作原理可以分為摩擦防松、機械防松、破壞運動副關系防松等。
2.1摩擦防松
該類防松方式是通過聯接預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到防止聯接松脫的目的。常用的摩擦防松方法有對頂螺母、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，摩擦防松結構簡單、操作方便，但其防松可靠性較差，不宜用于振動、沖擊和動載較大的工況中。
2.2機械防松
該類防松方式是利用各種金屬止動元件阻止螺母螺栓之間的相對運動。常用的機械防松方法有開口銷與六角螺母、止動墊圈、串聯鋼絲等。此種防松方式適用于較大振動、沖擊、高速的場合，特別是機械內部不易檢查的場合，防松可靠，但不易拆卸。
2.3破壞運動副關系防松
這是一種永久方式方法，是通過破壞了螺紋副來達到防松目的。常用的破壞運動副關系防松方法有鉚合、沖點、釬焊等，這種方式防松可靠，但不可重復使用。
7、新型螺紋聯接防松方法
3.1自鎖收口螺母
自鎖收口螺母是通過對螺母圓柱體端部進行徑向收口，使螺母收口部位的螺紋孔變形，當螺栓擰入到螺母收口部位時產生干涉配合并在螺紋副表面產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收口兩種。壓扁法收口形狀如圖2所示。而點收口是對螺母收口部位的幾個點進行擠壓變形，有兩點、三點和四點收口。
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現防松目的。ST2型自鎖防松螺母對其內螺紋的形狀進行了優化，如圖3所示。當螺母和螺栓進行配合時形成抱緊狀態，造成螺紋副在徑向方向上產生微量變形，消除了螺母與螺栓之間的徑向間隙，同時產生較大的摩擦力，從而達到防松目的。
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。當螺母擰緊在螺栓上時，尼龍圈內孔被脹大，產生彈性變形，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是當在螺栓失去軸向力時，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。該類螺母正是利用此種特性進行加工的，螺母內螺紋被加工成略小于螺栓外螺紋的尺寸，接著螺母內螺紋通過擴孔變形方式到標準尺寸，在擴孔變形中產生的應力會導致材料的馬氏體發生相變。而當螺母被擰緊進行加熱后，所產生的應力又會誘發馬氏體發生逆相變。同時，螺母的收縮將會產生了巨大的徑向回復力。而這種回復力最終轉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，螺栓螺母間的相對轉動也就被有效地阻止，從而實現螺紋防松。
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，兩個螺母中一個帶有凹結構，另一個螺母帶有凸結構，凹凸嵌合部分被設計有一定的偏心量。工作時，通過偏心量使螺母螺栓的配合面間產生軸向和徑向的壓緊力，產生足夠大的摩擦力矩，阻止螺母與螺栓之間的相對運動，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，采用兩個有著不同旋向螺紋的螺母配合使用進行防松。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。一個螺母起緊固作用，另一個起鎖緊作用，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出現松脫現象。
圖6雙向防松螺母
3.7梯級式鎖緊螺栓(SLB)
該類螺栓的螺紋的螺旋線呈梯級狀，在一個螺距的螺紋有幾段組成，其中每段又由梯級部和傾斜部兩部分組成，前者的螺旋角為0°，后者有螺旋升角。當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在螺旋線方向不會發生相對滑移，也就實現了防松目的。
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態圖解，螺紋連接最通俗易懂原理如下：
螺紋聯接件聯接畫法
螺栓聯接畫法注意事項：接觸面處畫一條線；間隙處畫兩條線；間隙有分界線；剖面過標準件軸線時， 按不剖畫；相鄰件剖面線方向相反。
螺紋及螺紋聯接件，螺紋的規定畫法:
結語
為解決螺紋聯接的防松問題，工程界和學術界不僅從螺紋聯接的結構上進行改進、優化，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。面對具體防松問題時，需要從原理上找出螺紋聯接松動的原因，并根據實際原因選用合理的聯接結構，采取合理的防松措施。
作者：侯亞萍
來源：貴州大學
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