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          【技術】螺絲的鎖緊能力分析
          時間:2014-07-14 10:35:22     來源:禾盈科技官網
            機體外螺紋連接,螺母在外力(扭矩)作用下將工件夾緊的過程是外力使螺母的內螺紋不斷擠進螺栓的外螺紋的過程。這使得螺母受壓,螺栓受拉。

          受力現象
            螺母在外力(扭矩)作用下將工件夾緊的狀況下,普通螺紋的軸向方向并不是全旋合長度內的螺紋都受力,而是接近工件的前三扣螺紋受力大,后面的螺紋受力小甚至不受力。這是在安裝過程中隨時可以觀察到的事實。前三扣受力現象是普通螺紋不能防松的一個重要原因。然而,經過測試三角螺紋、鋸齒螺紋、管螺紋,甚至是MJ航空專用螺紋都會出現前三扣受力現象,這是由于螺紋結構和所用材料造成的。

          受力探因
          材料性能分析  

            假設內外螺紋連接副使用的是絕對剛性材料(材料不會產生任何變形)。螺母在緊固力矩的作用下將工件夾緊,即螺母的工作面接觸到工件表面并壓緊,產生緊固力與反作用力。由于內外螺紋的螺距相同,材料又是絕對剛性的,因此內外螺紋的每一扣的間距都以相同的位移在減??;所以每一扣內外螺紋都同時相互接觸同時受力,螺紋連接副的軸力會均勻地分配給每一扣螺紋,這樣就不會有螺紋前后受力不均勻的現象。

            螺栓連接副所使用的材料都是塑性材料,如碳素結構鋼、合金結構鋼、不銹鋼和銅合金等。從理論上說,有力的作用就會有變形;當螺栓軸力比較小的時候,也相當于這個連接副的剛度比較大,剛度大變形自然小,全旋合長度內每一扣的變形量趨近于零,則每一扣都接觸都受力,這時受力是均勻的。
            隨著軸力的增加,當變形量不可忽略時,前兩扣螺紋受力會迅速增加,緊隨其后的螺紋受力增加緩慢,在后面的螺紋受力不但不會增大,且還會減小,并最終趨近于零。這是因為在軸力的作用下,第一、二扣螺紋之間的螺距發生變化;內螺紋受壓螺距減小,實際作用螺距小于正常螺距(正常螺距是螺紋加工后的實際螺距);外螺紋受拉螺距加大,實際作用螺距大于正常螺距。此時,如果第一、二扣螺紋的剪切變形不大,則第三扣螺紋受力將減小。這是由于第一、二扣螺距的增、減疊加之和,會累加到第三扣螺紋上,第三扣及以后各扣螺紋會平移,材料還具有一定剛性,并且平移離開的量,就是前兩扣螺距增減疊加之和,平移的這個距離也就是第一、二扣螺紋材料發生彈性、塑性變形的累積,使得第三扣及以后各扣螺紋接觸壓力減小了。依此類推,如果,第一、二扣螺紋的剪切變形和彈性變形大于螺距變形的累積之和,因緊固力矩的作用,則螺母會發生相對轉動,相當于外螺紋平移,以后各扣內外螺紋相互靠近,則第三扣螺紋受力加大。如果前兩扣螺紋,沒有發生剪切變形,從第三扣起,以后各扣螺紋受力逐漸減少。

          螺紋螺距分析

            螺栓連接副的螺距相等,也是產生螺紋受力不均勻的原因之一。如果螺紋的螺距互不相等,第二扣以后的螺距減小量能夠剛好抵消前一扣及前幾扣螺距的變形量之和,則每一扣的受力將均勻一致。如此,螺母、螺栓的螺距應該是一個變化的數字,理論上能夠避免螺紋前三扣受力的不利情況。然而,實際生產中這樣的螺紋是很難進行加工的。另外,螺紋的變形量也是隨著受力大小的變化而變化,不是一個定值。

          螺紋牙型分析
            螺紋牙型角一致也是產生螺紋前三扣受力的原因之一。內外螺紋牙型角一致,使得內外螺紋牙根處受剪切力最大(目前螺栓連接副疲勞失效以剪切破壞為主)。如果內螺紋牙型頂角大于外螺紋牙型頂角(反之亦然),則外螺紋牙頂與內螺紋牙根相接觸,內螺紋牙根受剪切力,外螺紋牙根底部和內螺紋牙頂不接觸,處于空隙狀態。此時,外螺紋牙頂受懸臂力,外螺紋在懸臂力作用下產生的變形較大,前三扣受力現象將得到改善。

          防松能力探討
            我國螺紋的牙型角基本是60°,但內、外螺紋牙型角的極限偏差并不一致。牙型角:在螺紋牙型上,相鄰兩牙側間的夾角。實際生產中,由于內、外螺紋牙型角的極限偏差的存在,會有一部分螺母與螺栓配合時,外螺紋牙頂與內螺紋牙根相接觸,使外螺紋形成懸臂受力。
            一般認為,牙型角的極限偏差再大一些會更好。較大牙型角的極限偏差的螺紋連接會形成外螺紋牙頂與內螺紋牙底相接觸的形式,既形成外螺紋懸臂受力的有利于螺紋防松的緊固形式。相對普通螺紋來說,就相當于增加了彈形系數很大的彈性墊圈。在外扭矩作用下,它能夠存儲很大的彈性勢能,能夠補償、抵消較輕微震動產生的松懈力。從螺紋防松的意義上講,牙型角的較大極限偏差也僅僅是具備了防松的一個條件。畢竟,螺紋防松還需要內外螺紋之間保持足夠強大的徑向作用力。

          結語
            人們常常會發現,普通螺紋受力部位前端的螺紋承受的壓力大,后端的螺紋承受的壓力小或者不受力,又稱普通螺紋的前三扣受力。這一現象無論是教科書還是相關學術論文都很少觸及。普通螺紋的前三扣受力現象是螺紋結構和材料的彈性、塑性變形造成的,本文的觀點,謹供討論或交流,不但之處請批評指正。

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