张小强-螺纹连接松动分析及预防

螺纹连接松动分析及预防

一汽-大众汽车有限公司佛山质量保证部佛山528200

张小强

【摘要】本文分析了螺纹连接松动的定义及危害，并从理论上分析了松动的原因及解决方案，最后，针对松动的原因，提出了监控螺纹连接松动的措施。

【关键词】螺纹连接摩擦系数自锁旋转松动非旋转松动

引言

螺纹连接标准化程度高、品种多、制造方便、易于拆卸，能适应各种工作条件，因此在机械中应用广泛。从原理上说，螺纹连接能够满足自锁条件，在静载荷下不会松脱，但在摩擦、冲击、振动或交变载荷作用下，螺纹连接松动时有发生，甚至产生重大事故，因此，螺纹防松一直也是困扰机械行业的重大课题。1、螺纹连接松动定义及危害

螺纹连接的本质在于获得合适的夹紧力，以保证被连接件稳定地连接到一起。所谓松动，是指螺栓连接全部或部分丧失轴向夹紧力，这种松动通常会导致：

1、连接部分的分离和脱落；

2、连接部分的滑移；

3、过度的相对位移和连接部分的碰撞；

4、分离产生的噪音及不密封；

5、连接处的牢固性降低，导致增大的振动；

6、振动导致疲劳断裂；

7、高速运转下惯性冲击断裂；

因此，为减少螺纹连接松动失效的危害，其关键在于保证合适及稳定的夹紧力。

2、螺纹连接松动原因及解决方案

螺纹连接松动通常分为两种类型，旋转松动及非旋转松动，下面我们就这两种松动类型的原因进行分析。

2.1、旋转松动的原因及解决方案

旋转松动由螺纹副的相对移动导致，正常情况下，各紧固件厂家对螺纹摩擦系数均有要求，从而保证螺纹的自锁性能，依螺栓受力分析如图1所示。

图1 螺纹拧松受力分析图 图2 60°米制螺纹自锁螺纹摩擦系数

为便于分析，先研究矩形螺纹，将矩形螺纹沿中径2d 展开，得到斜角等于螺纹升角ψ的斜面，将螺母简化为受轴向载荷a F 的滑块，同时拧紧或拧松连接副

的扭矩，产生沿圆周推力F ，当滑块静止或匀速直线运动时，由R F 、a F 和F 组成的力多边形。

当滑块匀速下滑时，螺纹升角为ψ，摩擦角为ρ，轴向载荷a F 变为驱动滑块

匀速下滑的驱动力，F 为阻碍滑块下滑的阻力，摩擦力F '的方向与滑块运动方向相反。

()ρ

ψtg F F a -*= ------(公式1) 由公式1可知，当ρ≤ψ时，推力F ≤0，表明F 为零或其方向改变，此

时，螺母只有受到与图1中F 方向相反的推力才能松退，轴向载荷在材料性能范围内无论多大，螺母都不会松退，而且，轴向载荷越大，松退所需的力也越大；

故螺纹自锁条件为ρ≤ψ。

对于拧紧装配，我们需要足够的夹紧力来保证装配质量，而适当的螺纹摩擦系数，则有利于螺纹自锁，从而避免螺纹松动，依VW01129大众摩擦系数界限值标准，螺纹摩擦系数低于0.08意味着自锁性能的下降，而M6螺栓，当螺纹摩擦系数为0.052时，自锁能力完全丧失；统计60°米制螺纹螺纹升角对应的最

小螺纹摩擦系数，如图2所示。

如果螺纹摩擦系数满足自锁条件，是否还有旋转松动发生呢？早在1969年德国科学家发现，振动也是螺纹紧固件产生松脱的主要原因之一。

当我们拧紧螺纹紧固件时[1,2,3]，

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡++***=H Km Th μD P μd .F T 2257802π ------(公式2) 当我们拧松螺纹紧固件时[1,2,3]，

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+-***=H Km Th μD P μd .F T 2257802π ------(公式3) T ------螺纹副装配扭矩

F ------轴向夹紧力

P ------螺纹螺距

2d ------螺纹中径

Th μ------螺纹中径

H μ------螺纹中径

Km D ------端面摩擦圆等效直径

用公式（2）-（3）得公式（4）：

πP

F *=∆T ------(公式4)

通过公式（4）说明，拧松螺母所用到的拆卸扭矩始终小于拧紧螺母所用到的拧紧扭矩，拧紧状态下的螺纹紧固件的受力状态类似于停留在斜坡上的滑块，如图1所示，向下拖动物体比向上拖动物体所需要的力小，假定我们给斜面上滑块施加相同的向上和向下的力，施加力的时间相同，则向下移动的距离要比向上移动的距离大，经过多次交替变化的力的作用，物体就会向下移动，离原位置越来越远；

同样，螺纹紧固件在振动影响下，由于各零件的惯性以及连接件间的相互作用，使螺纹与支承面间的摩擦系数急剧降低，甚至出现摩擦阻力瞬时消失，破坏原有力的平衡关系，使螺纹副不能满足自锁条件，产生微量相对滑动，在同样

的横向力的作用下，向拧紧方向的滑移量总要小于向拧松方向的滑移量，经过多次交替横向力的作用，螺纹紧固件向拧松方向的滑移越来越多，最终导致螺纹连接松动。

故针对旋转松动的主要原因，摩擦及振动，既可适当增大摩擦系数，如在螺栓端面增加防滑齿，采用锁紧螺栓或锁紧螺母等；同时，也可直接减小振动影响，如螺栓螺母涂防松胶，或采用机械方式固定螺纹连接，使螺纹连接在振动的条件下减小滑动。

2.2、非旋转松动的原因及解决方案

非旋转松动主要体现在夹紧力的逐渐衰减，主要有五种形式，蠕变、塑性伸长、压溃、热膨胀及磨损。

其中蠕变、塑性伸长，当装配载荷超过螺栓的屈服强度时，螺栓伸长并发生蠕变，导致轴向力的衰减，如果发生，表明螺栓已经接近性能极限，装配工艺或螺纹连接设计不合理，需重新选择。

而压溃，当装配载荷超过被连接件的屈服强度时，被连接件被严重压变形，导致轴向力的衰减，如发生，表明被连接件已接近性能极限，装配工艺或螺纹连接设计不合理，需重新选择。

热膨胀，主要温度的影响，温度变化，依VW01129[4]，摩擦系数与温度有较大关联，针对有机防锈涂层，辅助的润滑剂涂层或混合润滑剂，如PTFE或PE，在高温时会明显减小摩擦系数。极端情况下，螺纹升角>3°，拧紧在光滑的部件上，温度>80℃时，会发生自松，故因温度而导致松动，主要为设计不合理，需重新选择。

磨损，多发生在较为粗糙的端面上，端面严重挤压变形后应力释放，导致轴向力的衰减，但磨损发生一般需要一定的时间，故有时很难发现和预防，仍应在螺纹连接设计中对粗糙度及材料耐磨性能详加考虑和规定。

针对螺纹连接的非旋转松动，其主要原因在于设计和装配的不合理，而装配不合理的预防多应在设计中考虑，故针对非旋转松动，仍应在设计中考虑预防。

3、螺纹连接松动的监控

针对螺纹连接松动的主要原因：摩擦、振动及设计，人们采取各种积极有效