螺纹紧固件的松脱机理， 一次给你讲清楚

几乎每个复杂程度的工程产品都使用螺纹紧固件。与大多数其他连接方法相比，螺纹紧固件的一个关键优势是它们可以拆卸和重复使用。这一特征通常是螺纹紧固件优于其他连接方法使用的原因，并且它们通常在保持产品的结构完整性方面发挥着至关重要的作用。然而，它们也是机械和其他组件问题的一个重要来源。这些问题的原因是由于它们存在自松机理。这种自松机理一直是一个问题，在过去的150年里，设计者们一直在设计防止这种情况发生的方法。

螺纹紧固件的许多常见类型的锁定方法都是在100多年前发明的，然而直到近些年导致自松的主要机制才被理解。有许多机制可以导致螺纹紧固件松动， 这些可以分为旋转和非旋转松动。

旋转和非旋转松动

在绝大多数应用中，螺纹紧固件被拧紧，预紧力被施加到连接中。松动可被理解为紧固过程完成后预紧力的后续损失。这可以通过两种方式发生：

1)旋转松开，通常被称为自松开，是指紧固件在外部载荷的作用下旋转。

2)非旋转松动，是指内螺纹和外螺纹之间没有发生相对运动，但发生预载损失。

由于非旋转松动引起的紧固件松动

由于紧固件本身或连接件在组装后变形，可能发生非旋转松动。这是这些界面的部分塑性坍塌的结果。

（表面粗糙接触放大显示）

当两个表面相互接触时，每个表面承受支撑面载荷。因为实际接触面积远远小于表面面积，即使在中等载荷下，也要持续承受非常高的局部应力，该应力大于材料的屈服强度。

这会导致紧固操作完成后表面部分塌陷吗，这种塌陷通常被称为嵌入。

由于嵌入而损失的夹紧力的量取决于螺栓和连接件的刚度、连接中存在的接触面数量、表面粗糙度和所施加的支撑面应力。

在中等的表面应力条件下，在接头拧紧后前几秒钟，嵌入通常会导致约1%至5%的夹紧力损失。当接头随后受到施加的动态载荷时，由于接头接触面上发生的压力变化，夹紧力可能会发生进一步的减小。

如果表面承载应力保持在连接件材料的压缩屈服强度以下，则可以计算出嵌入损失的量，并且在连接设计中去补偿该损失量。

Junker的紧固件自松理论

1969年Gerhard Junker通过了工程测试的结果来支持他关于螺纹紧固件为什么会自动松动的理论。他的关键发现是，一旦在配合螺纹之间以及紧固件的支撑表面和夹紧材料之间发生相对运动，预加载紧固件就会由于旋转而松动。同时还发现横向动态载荷比轴向动态载荷产生更严重的松动。其原因是轴向载荷下的径向移动明显小于横向载荷下的径向移动。

螺栓连接的横向运动

Junker表明，当配合螺纹和紧固件支撑面之间发生相对运动时，预加载紧固件就会自松。当作用在接头上的横向力大于螺栓预紧力产生的摩擦力时，就会发生这种情况。

对于较小的横向位移，螺纹侧面和支撑接触面之间可能发生相对运动，一旦螺纹间隙被克服，螺栓将受到弯曲力的影响，如果横向滑动持续，螺栓头下支撑面滑动将会发生。

一旦开始，螺纹处和螺栓头下将暂时没有摩擦。由于预紧力作用在螺纹螺旋角上而产生的自松扭矩，使得螺母和螺栓之间产生了对应的旋转。在反复的横向运动下，该机制可以引起紧固件完全松开。

为了研究松动的原因，Junker开发了一种测试机器，如下图所示，它将量化紧固件设计的抗松动有效性。

Junker紧固件试验机

滚珠轴承用于消除移动和固定板之间的摩擦影响。当从夹紧螺母的移动板施加横向运动时，称重传感器会连续监测螺栓载荷。

与普通振动测试标准相比，可以在测试期间测量预载的损失，并绘制预载与循环周期的图表。

Junker机器的原理是由凸轮产生的横向位移导致紧固件的摇摆，以克服紧固件的摩擦力而产生松脱。

Junker测试机截图

Junker振动测试松动曲线

通过Junker测试，可以比较各种紧固件防松设计的性能。在过去的二十年里，已经完成了大量的现有的紧固件防松设计研究，对它们的抗松动性进行了比较。

为了进行有效的比较，使用相同的振动振幅是至关重要的，因为这对结果有很大影响。下图显示了一个典型的弹簧垫圈测试结果。

在测试中显示在螺栓头下放置一个螺旋弹簧垫圈，反而以加速了松动。也有其他人证明，使用这种垫圈与使用没有任何锁紧装置的螺栓具有相似的性能。

许多大型OEM意识到这些发现，已经不再在内部标准中指定此类垫圈。

许多用于螺纹紧固件的锁紧装置是基于防止螺纹之间的相对运动(例如尼龙锁紧螺母)或支撑面和连接件的相对运动(例如各种类型的 “锁定” 垫圈)。

然而，Junker和其他后来的研究人员都指出了防止接头横向运动的重要性是，合适的螺栓连接设计，使得螺栓的夹紧力足够，通过连接板的摩擦防止横向运动，这样才不会松动。

在设计阶段，可通过选择合适紧固件尺寸和强度来实现，以便预紧力可以产生足够的摩擦力，以抵抗外部载荷引起的接头移动。

结论

螺纹紧固件松动最根本的原因是接头的移动，特别是螺栓螺纹和支撑面的横向滑动。如果可以从螺栓上获得足够的预紧力以防止接头移动，则不需要锁紧装置，因为摩擦会将零件固定在一起。

螺纹紧固件设计的主要问题是，当包括摩擦条件的变化时，能确保预紧力足以将零件牢固地固定在一起。

该图表显示了摩擦变化对螺栓预紧力的影响。

通常，应根据最大摩擦系数下产生的最小预紧力来设计接头，使用预紧力平均值进行设计将导致许多螺栓松动。

同时还需要考虑嵌入造成的预紧力损失，为了保持嵌入量的限制，需要确保被夹紧材料可承受的最大应力范围。

在无法防止接头移动的情况下，例如，在热膨胀的存在，则应指定具有已证明能力的锁紧装置。