1、1 / 6 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
2、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
3、类型的原因进行分析。 2 / 6 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 的斜面，将螺母简化为受轴向载荷 aF 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 RF 、 aF 和 F 组成的力多边形 。 当滑块匀速下滑时， 螺纹升角为 ，摩擦角 为 ， 轴向载荷 aF
4、 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。 tgF F a -(公式 1) 由公式 1 可知，当 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 。 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
5、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3 / 6 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， HKmTh DPd.FT 225780 2 -(公式 2) 当我们拧松螺纹紧固件时 1,2,3， HKmTh DPd.FT 225780 2 -(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 -螺纹中径 H -螺纹中径 KmD -端面摩擦圆等
6、效直径 用公式 （ 2） -（ 3） 得公式（ 4）： PF * -(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
7、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4 / 6 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
8、。 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 VW011294，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 ，
9、 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5 / 6 的措施，如：摩擦防松、直接锁紧、破坏运动副关系及粘结等方法，但螺纹连接影响因素较多，且
10、 各影响因素 波动性较大，故较难实现 100%合格不松动；同时，关键位置的螺纹连接又必需保证 100%的合格不松动， 因此，在装配中，如何 有效地对可能的松动进行监控 并 提前发现便尤为重要 。通过分析整个拧紧过程，过程监控及装配后扭矩衰减监控，是有效监控可能松动风险的两种重要途径。 首先，选择合适的拧紧设备，实现整个拧紧过程的 100%监控 ，依据VW01110-35大众康采恩拧紧过程参数设置标准，如图 3 所示。 图 3 拧紧过程参数设置 图 4 扭矩衰减过程 一般整个拧紧过程分为 3-4 步，通过设置每一步骤的扭矩上下限及角度上下限，从而可以有效地监控出摩擦 变化 及非旋转松动，当摩擦系
11、数过小时，两扭矩之间转过的角度会变 大 ，同时针对转角法，转过同样角度，最终扭矩也会偏小；针对非旋转松动的压溃、螺栓伸长及蠕变，两扭矩之间转过的角度同样会有变化；故通过拧紧程序的 100%过程 监控，从而可以有效地提前发现松动风险。 其次， 对螺纹连接装配完成后扭矩衰减 进行监控 ，依公式 （ 2） 所示，扭矩与夹紧力有着密切的相关关系，故扭矩衰减也 一定程度上 预示了松动的风险。 如图 4 所示， 60%70%的扭矩衰减发生在拧紧完成的 30ms 内，故一般在 30 分钟内对扭矩进行检测， 可 有效的监控 扭矩 衰减及松动风险。 依 VW01110-26大众康采恩螺纹连接装配和过程保证标准，
12、各类拧紧复检扭矩衰减许可范围如下： A/B 类拧紧点， 0.8*装配扭矩复检扭矩 1.2*装配扭矩； C 类拧紧点， 0.7*装配扭矩复检 扭矩 1.2*装配扭矩； B /C 类非米制螺纹或含塑料件连接， 0.5*装配扭矩复检扭矩 1.2*装配扭矩； 6 / 6 4、 总结 针对关键位置的螺纹连接，松动失效绝不允许发生 。 因此，除针对松动原因制定防松措施 外 ，还必须对其 影响因素 波动和 可能的 松动 风险 进行有效监控， 本文 分析了 螺纹连接 松动的危害、原因及 解决方案 ，并 探讨了 拧紧 过程监控及装配后扭矩衰减监控 两种途径， 以实现 对 螺纹连接 松动风险 的有效 发现和预防 。 参考文献 1 GB/T 16823.1-1997 螺纹紧固件应力截面积和承载面积 S 2 GB/T 16823.2-1997 螺纹紧固件紧固通则 S 3 GB/T 16823.3-1997 螺纹紧固件拧紧实验方法 S 4 VW01129 米制标准螺纹摩擦系数界限值 S 5 VW01110-3 螺纹连接 EC 拧紧系统的参数设置 S 6 VW01110-2 螺纹连接 装配和过程保证 S
