螺紋連接松動分析及預防

張小強

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東　佛山　528200）

螺紋連接松動分析及預防

張小強

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山528200）

分析了螺紋連接松動的定義及危害，并從理論上分析了松動的原因及解決方案，最后，針對松動的原因，提出了監控螺紋連接松動的措施。

螺紋連接；摩擦系數；自鎖；旋轉松動；非旋轉松動

0 引言

螺紋連接標準化程度高、品種多、制造方便、易于拆卸，能適應各種工作條件，因此在機械中應用廣泛。從原理上說，螺紋連接能夠滿足自鎖條件，在靜載荷下不會松脫，但在摩擦、沖擊、振動或交變載荷作用下，螺紋連接松動時有發生，甚至產生重大事故，因此，螺紋防松一直也是困擾機械行業的重大課題。

1 螺紋連接松動定義及危害

螺紋連接的本質在于獲得合適的夾緊力，以保證被連接件穩定地連接到一起。所謂松動，是指螺栓連接全部或部分喪失軸向夾緊力，這種松動通常會導致：

（1）連接部分的分離和脫落；

（2）連接部分的滑移；

（3）過度的相對位移和連接部分的碰撞；

（4）分離產生的噪音及不密封；

（5）連接處的牢固性降低，導致增大的振動；

（6）振動導致疲勞斷裂；

（7）高速運轉下慣性沖擊斷裂；

因此，為減少螺紋連接松動失效的危害，其關鍵在于保證合適及穩定的夾緊力。

2 螺紋連接松動原因及解決方案

螺紋連接松動通常分為兩種類型，旋轉松動及非旋轉松動，下面我們就這兩種松動類型的原因進行分析。

2.1旋轉松動的原因及解決方案

旋轉松動由螺紋副的相對移動導致，正常情況下，各緊固件廠家對螺紋摩擦系數均有要求，從而保證螺紋的自鎖性能，依螺栓受力分析如圖1所示。

圖1　螺紋擰松受力分析圖

為便于分析，先研究矩形螺紋，將矩形螺紋沿中徑d2展開，得到斜角等于螺紋升角ψ的斜面，將螺母簡化為受軸向載荷Fa的滑塊，同時擰緊或擰松連接副的扭矩，產生沿圓周推力F，當滑塊靜止或勻速直線運動時，由FR、Fa和F組成的力多邊形。

當滑塊勻速下滑時，螺紋升角為ψ，摩擦角為ρ，軸向載荷Fa變為驅動滑塊勻速下滑的驅動力，F為阻礙滑塊下滑的阻力，摩擦力F'的方向與滑塊運動方向相反。

由公式1可知，當ψ≤ρ時，推力F≤0，表明F為零或其方向改變，此時，螺母只有受到與圖1中F方向相反的推力才能松退，軸向載荷在材料性能范圍內無論多大，螺母都不會松退，而且，軸向載荷越大，松退所需的力也越大；故螺紋自鎖條件為ψ≤ρ。

對于擰緊裝配，我們需要足夠的夾緊力來保證裝配質量，而適當的螺紋摩擦系數，則有利于螺紋自鎖，從而避免螺紋松動，依VW01129大眾摩擦系數界限值標準，螺紋摩擦系數低于0.08意味著自鎖性能的下降，而M6螺栓，當螺紋摩擦系數為0.052時，自鎖能力完全喪失。

如果螺紋摩擦系數滿足自鎖條件，是否還有旋轉松動發生呢？早在1969年德國科學家發現，振動也是螺紋緊固件產生松脫的主要原因之一。

當我們擰緊螺紋緊固件時［1～3］，

當我們擰松螺紋緊固件時［1～3］，

其中，T ——螺紋副裝配扭矩；

F ——軸向夾緊力；

P ——螺紋螺距；

d2——螺紋中徑；

μTh——螺紋中徑；

μH——螺紋中徑；

Dkm——端面摩擦圓等效直徑。

用公式（2）、（3）得公式（4）：

通過公式（4）說明，擰松螺母所用到的拆卸扭矩始終小于擰緊螺母所用到的擰緊扭矩，擰緊狀態下的螺紋緊固件的受力狀態類似于停留在斜坡上的滑塊，如圖1所示，向下拖動物體比向上拖動物體所需要的力小，假定我們給斜面上滑塊施加相同的向上和向下的力，施加力的時間相同，則向下移動的距離要比向上移動的距離大，經過多次交替變化的力的作用，物體就會向下移動，離原位置越來越遠。

同樣，螺紋緊固件在振動影響下，由于各零件的慣性以及連接件間的相互作用，使螺紋與支承面間的摩擦系數急劇降低，甚至出現摩擦阻力瞬時消失，破壞原有力的平衡關系，使螺紋副不能滿足自鎖條件，產生微量相對滑動，在同樣的橫向力的作用下，向擰緊方向的滑移量總要小于向擰松方向的滑移量，經過多次交替橫向力的作用，螺紋緊固件向擰松方向的滑移越來越多，最終導致螺紋連接松動。

故針對旋轉松動的主要原因，摩擦及振動，既可適當增大摩擦系數，如在螺栓端面增加防滑齒，采用鎖緊螺栓或鎖緊螺母等；同時，也可直接減小振動影響，如螺栓螺母涂防松膠，或采用機械方式固定螺紋連接，使螺紋連接在振動的條件下減小滑動。

2.2非旋轉松動的原因及解決方案

非旋轉松動主要體現在夾緊力的逐漸衰減，主要有五種形式，蠕變、塑性伸長、壓潰、熱膨脹及磨損。

其中蠕變、塑性伸長，當裝配載荷超過螺栓的屈服強度時，螺栓伸長并發生蠕變，導致軸向力的衰減，如果發生，表明螺栓已經接近性能極限，裝配工藝或螺紋連接設計不合理，需重新選擇。

而壓潰，當裝配載荷超過被連接件的屈服強度時，被連接件被嚴重壓變形，導致軸向力的衰減，如發生，表明被連接件已接近性能極限，裝配工藝或螺紋連接設計不合理，需重新選擇。

熱膨脹，主要溫度的影響，溫度變化，依VW01129［4］，摩擦系數與溫度有較大關聯，針對有機防銹涂層，輔助的潤滑劑涂層或混合潤滑劑，如PTFE或PE，在高溫時會明顯減小摩擦系數。極端情況下，螺紋升角＞3°，擰緊在光滑的部件上，溫度＞80℃時，會發生自松，故因溫度而導致松動，主要為設計不合理，需重新選擇。

磨損，多發生在較為粗糙的端面上，端面嚴重擠壓變形后應力釋放，導致軸向力的衰減，但磨損發生一般需要一定的時間，故有時很難發現和預防，仍應在螺紋連接設計中對粗糙度及材料耐磨性能詳加考慮和規定。

針對螺紋連接的非旋轉松動，其主要原因在于設計和裝配的不合理，而裝配不合理的預防多應在設計中考慮，故針對非旋轉松動，仍應在設計中考慮預防。

3 螺紋連接松動的監控

針對螺紋連接松動的主要原因：摩擦、振動及設計，人們采取各種積極有效的措施，如：摩擦防松、直接鎖緊、破壞運動副關系及黏結等方法，但螺紋連接影響因素較多，且各影響因素波動性較大，故較難實現100%合格不松動；同時，關鍵位置的螺紋連接又必需保證100%的合格不松動，因此，在裝配中，如何有效地對可能的松動進行監控并提前發現便尤為重要。通過分析整個擰緊過程，過程監控及裝配后扭矩衰減監控，是有效監控可能松動風險的兩種重要途徑。

首先，選擇合適的擰緊設備，實現整個擰緊過程的100%監控，依據VW01110-3［5］大眾康采恩擰緊過程參數設置標準。

一般整個擰緊過程分為3～4步，通過設置每一步驟的扭矩上下限及角度上下限，從而可以有效地監控出摩擦變化及非旋轉松動，當摩擦系數過小時，兩扭矩之間轉過的角度會變大，同時針對轉角法，轉過同樣角度，最終扭矩也會偏小；針對非旋轉松動的壓潰、螺栓伸長及蠕變，兩扭矩之間轉過的角度同樣會有變化；故通過擰緊程序的100%過程監控，從而可以有效地提前發現松動風險。其次，對螺紋連接裝配完成后扭矩衰減進行監控，依公式（2）所示，扭矩與夾緊力有著密切的相關關系，故扭矩衰減也一定程度上預示了松動的風險。60%～70%的扭矩衰減發生在擰緊完成的30 ms內，故一般在30 min內對扭矩進行檢測，可有效的監控扭矩衰減及松動風險。

依VW01110-2［6］大眾康采恩螺紋連接裝配和過程保證標準，各類擰緊復檢扭矩衰減許可范圍如下。

A/B類擰緊點，0.8*裝配扭矩≤復檢扭矩≤1.2*裝配扭矩。

C類擰緊點，0.7*裝配扭矩≤復檢扭矩≤1.2*裝配扭矩。

B /C類非米制螺紋或含塑料件連接，0.5*裝配扭矩≤復檢扭矩≤1.2*裝配扭矩。

4 總結

針對關鍵位置的螺紋連接，松動失效絕不允許發生。因此，除針對松動原因制定防松措施外，還必須對其影響因素波動和可能的松動風險進行有效監控，本文分析了螺紋連接松動的危害、原因及解決方案，并探討了擰緊過程監控及裝配后扭矩衰減監控兩種途徑，以實現對螺紋連接松動風險的有效發現和預防。

［1］ GB/T 16823.1—1997 螺紋緊固件應力截面積和承載面積［S］.［2］ GB/T 16823.2—1997 螺紋緊固件緊固通則［S］.

［3］ GB/T 16823.3—1997 螺紋緊固件擰緊實驗方法［S］.

［4］ VW01129 米制標準螺紋摩擦系數界限值［S］.

［5］ VW01110-3 螺紋連接 EC擰緊系統的參數設置［S］.

［6］ VW01110-2 螺紋連接 裝配和過程保證［S］.

（P-01）

Analysis and prevention of thread connection loose

TE931.2

1009-797X（2016）10-0101-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.041

張小強（1986-），男，質量工程師，碩士研究生，機械電子工程。

2016-04-12