楔形螺紋技術及在商用車上的應用

摘要：商用車的工況復雜，振動和高溫、支承面塌陷等因素是導致普通螺紋自鎖能力減低的主要因素。楔形螺紋可以有效克服普通螺紋的松脫問題。通過分析楔形螺紋的結構與試驗數據，指出在惡劣工況下，由于楔形螺紋的每個牙受力均勻，自鎖能力保持穩定，是一種新型的不加任何鎖緊機構但具有鎖緊功能的內螺紋，其防松能力大大高于有效力矩型鎖緊螺母，目前楔形螺紋在商用車的重要零部件上得到廣泛的使用。

關鍵詞：楔形螺紋；螺母；商用車; 緊固件

中圖分類號：TH131.3文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0012-04

The Technology of Wedge Thread andApplication in Commercial Vehicle

FAN Li-xia1，ZHANG Peng-zhou2

（1．Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China;

2．HNU College of Mechanical and Vehicle Engineering，Changsha410082，China）

Abstract：The complex load environment of commercial vehicle such as shaking， high temperature and collapse of the bearing surface is the main factor which reducing the locking performance of common thread. This paper presents the technology principle and application cases about wedge thread against looseness. The performance in locking is much better than common threads. Wedge thread is widely used in commercial vehicle.

Key words:wedge thread；nut；commercial vehicle；fastener

汽車裝配離不開螺紋緊固件。但是，普通螺紋緊固件（自由旋轉型）有一個致命的弱點，即在劇烈震動中會自行松脫，繼而導致被連接部件發生疲勞破壞，從而使得部件及整車損壞、解體甚至于曾發生過輪胎飛出的事故并釀成慘禍。為解決普通螺紋緊固件的松脫問題，汽車行業采用鎖片、銷釘、有效力矩型螺母等方法，在一定程度上延緩了普通螺紋緊固件自行松脫的時間，然而卻無法根本解決問題。楔形螺紋結構從根本上解決了緊固件松脫問題。

1 楔形螺紋

1.1 楔形螺紋技術

楔形螺紋又稱自鎖內螺紋、預載荷鎖緊螺紋、施必牢（SPIRALOCK）螺紋，是一種新型的不加任何鎖緊機構但具有鎖緊功能的內螺紋，其防松能力大大高于有效力矩型螺母，在世界上已被許多先進國家使用。目前有美國軍方螺紋標準《NASM85353-2000楔形防松螺紋》和我國機械部標準《JB/T10971-2010;30°楔形防松螺紋》。

楔形螺紋牙型與普通螺紋牙型基本相同。唯一的區別是在內螺紋的大徑上有一個30°的楔形斜面，見圖1。與普通螺紋一樣，楔形螺紋采用通、止規檢驗。但關鍵的區別點是要控制楔形斜面的尺寸。楔形螺紋的量規共有三個，兩個通規和一個止規。

與楔形螺紋配用的是標準的普通外螺紋。當螺栓擰入內螺紋時，螺栓螺紋的牙頂擠壓楔形斜面，由此產生鎖緊力矩。鎖緊力矩的大小與外螺紋的擠壓力有關，也就是與螺栓的預緊力有關。預緊力消失，鎖緊力矩也就不存在了。因此，這種螺紋的鎖緊方式稱為“自由旋轉型”。要實現鎖緊效果，裝配時必須施加一定的擰緊力或擰緊力矩。

與普通螺紋相比，楔形螺紋可以明顯改善螺紋的受力狀況。普通螺紋連接時，軸向力主要集中在內螺紋的第1扣和第2個扣上，而楔形螺紋的軸向力會均勻分布在整個螺紋的旋合長度上，從而可以提高整個內螺紋的承載能力。研究數據顯示：普通螺紋在其第一螺紋嚙合面和第二螺紋嚙合面承載了70%～80%的負荷，而以后幾個嚙合面承受的負荷很少。這樣，普通螺紋緊固件在工作振動負荷條件下，就很容易克服螺紋接觸面上的鎖緊力而產生轉動、松脫。螺紋受力分析如圖1所示。

a） 普通螺紋 b) 楔形螺紋

圖1 楔形螺紋與普通螺紋的受力分布

圖中顯示了楔形螺紋法向壓力遠遠大于扣緊壓力，因此，所產生的防松摩擦力也就必然大大增加了，這就是楔形螺紋緊固件防松脫的原理。

圖1a中箭頭所表示的壓力單位為Pɑ，如普通螺紋的60°的法向壓力P=1Pɑ； 而楔形螺紋由于牙底有一個30°的楔形斜面，故其法向壓力的角度、大小均有改變，法向壓力P=2Pɑ。這樣，楔形螺紋與普通螺紋，二者的法向壓力之比≈12∶7，楔形螺紋的防松摩擦力相應地增加了。楔形螺紋的楔形斜面還可以消除普通螺紋受力不均勻、脫扣咬死等問題。

由于普通螺紋緊固件主要受力僅僅是螺母的第一、第二牙螺紋接觸處，其余各牙基本上不受力，因此，當擰緊力矩較大時，應力集中在第一牙螺紋處，第一牙螺紋很容易產生彎曲和剪切變形，只有這樣，才使第二牙螺紋面承受應力并產生鎖緊力。以此類推，承載負荷面，將受力依次一個個傳遞，相應造成螺紋依次剪切和磨損，各牙的剪切和磨損破壞十分嚴重，導致螺紋強度大幅度下降，最終產生脫扣。而楔形螺紋由于結構獨特，全部螺栓牙尖緊緊地頂在30度楔形斜面上，而且螺旋線上每牙承受的負載都比較均勻，同樣負荷能分散到每個面、每個點上，使螺紋各處產生防松摩擦力相近，能夠有效抗擊橫向振動。

根據密西根大學的研究顯示：楔形螺紋螺母第一個承受載面承受17% 的負荷，而最后一個承載面也承受12.5%的承載負荷。這樣在緊固件正常工作中，楔形螺紋每個牙就能均勻承受負載，不存在應力集中。因此，就不會產生松脫、滑牙問題，疲勞強度也得到成倍的提高。

又據美國麻省理工學院（MIT）研究顯示：楔形螺紋與普通螺紋相比其抗側向移動的能力，前者要比后者大三倍。而且楔形螺紋螺母受力均勻，每牙、每周都均勻承受負載（見圖2）。

圖2 楔形螺紋螺母和普通螺紋螺母

在實驗中，用容克式振動試驗機（采用國標）作了橫向負載振動試驗，楔形螺紋螺母顯示出它具有非常優異的抗振動能力（見圖3）。試驗采用了三種型式的螺母：分別是普通螺紋螺母、有效力矩鎖緊螺母和楔形螺紋螺母。試驗采用相同型式的普通螺紋螺栓、施加相同的擰緊力矩、在相同的振幅頻率和環境下振動。

試驗結果表明：普通螺紋螺母幾乎立即全部松脫了，失去了全部鎖緊能力；有效力矩鎖緊螺母失去了70%的鎖緊能力；而楔形螺紋螺母在2 min試驗期間仍保持了他們應有的自鎖能力。

在以上試驗的基礎上，對三種螺母的重復使用性作進一步的橫向振動試驗：楔形螺紋螺母能夠重復使用，經過反復擰緊和擰松，仍然不減少其鎖緊力，保持原有的鎖緊效果；而普通螺紋螺母和有效力矩鎖緊螺母在幾次擰緊和擰松后，鎖緊力不斷減少、乃至完全喪失鎖緊能力。

其次，楔形螺紋的精度要求可高可低，對相配合的外螺紋精度要求不高，外螺紋零件可以是高強度的，也可以是低強度的。試驗證明，螺栓反復多次擰緊、擰松，鎖緊效果不會有明顯降低。所以楔形螺紋特別適用于在機體上攻螺紋，實現不使用螺母情況下的高效鎖緊防松。

1.2 楔形螺紋螺母優勢

綜上所述，楔形螺紋螺母優勢如下：

1）可靠的抗震防松性能；

2）可顯著地提高螺母及螺栓的使用壽命；

3）可重復使用；

4）不受溫度劇烈變化的影響，應用環境范圍廣泛；

5）自由旋轉型，一直到擰緊時才需施加力矩，方便裝卸；

6）尺寸規格不受限制；

7）與普通外螺紋匹配；

8）無需任何輔助鎖緊元件，如彈簧墊圈、止動墊片等；

9）對克服軟質材料（如鋁合金）滑牙問題有顯著效果。

1.3 楔形螺紋螺母的擰緊力矩

經試驗，當楔形螺紋螺母的擰緊力矩低于標準螺紋的擰緊力矩時，預緊力很快地喪失、直至螺紋副連接失效。因此，根據楔形螺紋的受力圖分析，楔形螺紋施加的緊固扭矩要比標準螺紋螺母大一些，試驗證明，即使施加與標準螺紋螺母相同的緊固力矩，楔形螺紋螺母的防松性能也顯著高于普通螺紋螺母。一般推薦楔形螺紋螺母施加的緊固扭矩超過普通螺紋緊固件扭矩15%～20%這一數值。

2 在商用車上的應用效果

楔形螺紋在商用車上得到廣泛的應用，特別是應用在商用車的中后橋、變速器、車輪、柴油機、傳動軸等關鍵零部件上面。

2.1 某礦山車的中后橋應用案例

某礦山車開發性試驗中，中后橋的橋殼聯結部位出現漏機油的現象、還發現橋殼螺絲孔出現縫隙、聯結螺栓折斷等質量問題，平均下來新裝車輛行駛時間不到24 h，行駛里程不到 100 km就開始漏油。行駛時間不到72 h，行駛里程300 km就得重新全部更換一次緊固件。最突出的狀況就是汽車在滿載正常行駛中不到20 km，就發生嚴重漏機油故障。不得不重新更換緊固件。而每更換一次緊固件就造成車輛無法工作，加上維修工人的工資，每次更換緊固件都得花200～300元。如橋殼開裂報廢損失巨大，重新更換一個新的橋殼，成本至少在4000元以上。 通過對中、后車橋機油泄漏現象分析， 發現主要原因是緊固件連接處發生松動、導致橋殼發生相對移動，從而使得他們之間的連接螺栓折斷，橋殼的螺絲孔出現裂隙，機油是從這些裂隙中泄露的。

解決方案為采用楔形螺紋螺母，加工和裝配的要求為：

1）外螺紋加工時不得有脫碳層出現，螺紋外徑尺寸一定要保證符合圖紙要求；

2）裝配前保持各零部件安裝面的清潔；

3）裝配時對外螺紋表面潤滑；

4）預緊力矩數值比普通螺紋提高10%～15%；

5）對強制復緊也進行了規定。

驗證試驗的結果見表1。

2.2 變速器

某重型汽車公司在生產的重型汽車的四輪驅動變速器采用楔形螺紋絲錐制作箱體上的螺紋孔。以前緊固的方法包括有三個部分，即適用8級的螺柱，一個鎖緊墊圈片和一個螺母。用了楔形螺紋后，不僅簡化了裝配工序，而且還消除了箱體表面上的螺柱松脫問題。

2.3 車輪

楔形螺紋螺母的防松特性逐漸被中國的汽車行業所了解。車輪螺母最容易松動脫落，是一個重要的安全隱患。采用了楔形螺紋車輪螺母后，到目前為止，可靠性試驗均無螺母松動的情況發生。

2.4 柴油機

柴油機上的增壓器、排氣歧管等部件的連接緊固件有一個共同的要求：耐高溫和承受強烈的振動。采用尼龍螺母、化學涂膠等防松鎖緊螺母，在高溫下會失效；而雙螺母加止推墊圈，在溫度高的狀況下情況比較好一些，但是，安裝麻煩，而且防松效果也并不理想。

楔形螺紋副母可有效地克服了以上產品的弱點，在施加正確預緊力擰緊后，能夠在高溫下承受強烈的振動。柴油機上的增壓器、排氣管、輸油導管等部件上，采用楔形螺紋螺母后，可以有效地解決緊固件連接副在高溫振動工況下的松動問題。

3 結束語

楔形螺紋副的接觸形式降低了承載能力對螺紋精度的敏感性，因而對螺紋精度要求不高。這種螺紋的較均勻的受力狀態提高了螺紋的承載能力和防松效果。因而，對螺母和配用螺栓的強度、材料要求不高。此外，楔形螺紋螺母結構較其他防松螺母的結構簡單，不需要外加鎖緊部分（如非圓收口部分），也不需要其他鎖緊元件（如尼龍圈等），因而結構緊湊、重量輕。這種螺母的工作溫度也僅僅受材料和表面鍍覆層的影響。

楔形螺紋的特點使得楔形螺紋螺母適用范圍很廣，不僅用于航空、航天，高鐵，在汽車行業也應用也來越多，特別是在不用螺母的將螺栓直接擰入機體的螺紋連接中，同樣可以采用楔形螺紋，并有很高的防松功能。

參考文獻：

［1］ JB/T10971-2010. 30°楔形防松螺紋［S］.