张小强-螺纹连接松动分析及预防
螺纹联接的预紧力及防松
螺纹联接的预紧力及防松摘要：本文主要针对普通螺纹联接的预紧力、防松问题进行分析研究，从而得出可靠的确定用螺栓联接体的预紧力和防松方法。
关键词：螺纹；螺纹联接；预紧力；防松The Pre-stressing Force and Loosening Prevention of Screw Thread CouplingChen Xin Hua(Sinacom Engineering & Manufacturing Group, Shanghai, 201108)ABSTRACT: The analysis of the pre-stressing force and the problem about preventing loosening to common coupling bolts is carried out in this paper. From this passage we can find the way of how to determining the value of bolts’pre-stressing force, also we can know the method of preventing bolts loosening.KEYWORDS: Screw thread, Coupling bolt, Pre-stressing force, Prevent loosening1 前言当今世界，随着微电子、信息工程、网络、航空航天、太空等领域的新兴技术崛起和发展，引起传统技术领域内如机械制造业的剧烈变化，并对最基本的机械零件之一——紧固件的发展也产生了深远的影响。
螺栓）螺母体联接，作为最常用的紧固件之一，在这些新兴技术不断发展的冲击下，顺应着时代的潮流，其机械连接、紧固的安全性方面要求更高，并不断地更新和发展。
众所周知，螺栓螺母体联接是紧固件连接中最基本、最常见的一种结构形式，有着构造简单、成本低、连接可靠、制造装拆方便等诸多优点，在现代工业中被广泛应用。
螺纹紧固件常见松动问题，防松措施、防松结构
螺纹紧固件常见松动问题，防松措施、防松结构“千里之堤，毁于蚁穴” ，一个小小的蚂蚁洞，可以使千丈长堤溃决。
螺丝被誉为工业之米，虽然微小但绝不渺小，可是，历史上因为忽视螺丝而酿成大祸的事件比比皆是。
针对螺纹紧固件松动的问题，技术员采取了各种积极有效的措施，为螺纹紧固件的发展注入了新的活力，螺纹紧固件防松技术和防松结构很多，具体的解决方法如下。
控制预紧力控制安装预紧力是防止螺纹紧固件松动的经济有效措施之一，这种方法利用螺纹的自锁条件，不需要对螺栓、螺母结构做任何改动，通过保证合适的预紧力来防松。
对于安装控制要求特别高的使用场合，采用直接控制的方法，在安装过程中测量预紧力，并加以控制，一般情况下，直接控制安装预紧力需要使用专门的装置或掌握专门的技术，难予推广。
为了以经济的方法获得满意的预紧力，更多的采取间接测量和控制预紧力的方法，即扭矩控制法。
扭矩控制法通过扭矩系数将预紧力换算成装配扭矩，使用定扭矩或测扭矩装配机或扳手控制装配扭矩，或利用紧固件自身结构保证拧紧扭矩（如扭剪型螺栓连接副），间接达到控制预紧力的目的。
为了达到预期的目的，要求连接副的扭矩系数能预先准确测定，并保证同批零件的扭矩系数离散性不大。
如，GB/T1231-1991中明确规定同批连接副的扭矩系数平均值为0.110-0.150，扭矩系数标准偏差应小于或乖于 0.001%。
在工程实践中，也有采用转角法、屈服点拧紧法等控制方法的。
有效力矩型紧固件有效力矩型紧固件是在普通紧固件结构基础上增加了有效力矩部分，其作用是在连接副中增加一个不随外力变化的阻力矩。
有效力矩部分主要是加在螺母上，在外螺纹上加有效力矩部分的产品比较少见。
全金属有效力矩型锁紧螺母，一类是利用螺母体上螺纹加工完成后螺母体变形，使螺纹发生轴向或径向变形，造成装配时内外螺纹局部出现干涉产生有效力矩，由于受变形量和变形前毛坯变形阻力和几何精度的影响，对加工工艺要求高，有效力矩控制难度大；另一类是将有效力矩部分减薄，收口或开槽后收口，目前国内主要在军工行业使用较多；第三类是在螺母体内嵌入金属弹性元件，装配时外螺纹迫使弹性元件变形，产生有效力矩，这类螺母对弹性元件弹性及嵌件的位置的要求较高，有时会划伤外螺纹表面。
螺纹连接防松原理
螺纹连接防松原理
螺纹连接防松原理是指通过使用特定的设计和材料选择，防止螺纹连接在使用过程中发生松动的现象。
以下为螺纹连接防松的原理：
1. 摩擦力原理：螺纹连接的防松主要依赖于螺纹间的摩擦力。
通过增加螺纹表面的粗糙度，可以增加摩擦力，从而防止螺纹松动。
2. 压力原理：将螺纹连接部分的紧固力控制在一定范围内，使得连接处产生一定的压力。
这种压力可以使螺纹的接触面紧密结合，增加摩擦力，防止松动。
3. 锁紧原理：在螺纹连接上使用特定的锁紧件，如弹簧垫圈、锁紧胶等，可以增加连接件的阻力，防止螺纹松动。
4. 材料选择原理：选用高强度和耐磨损的材料可以增加螺纹连接的紧固力和耐久性，从而防止松动。
5. 预紧力原理：在螺纹连接过程中，适当施加一定的预紧力，使连接件间的紧固力适中，既能保证连接紧固，又不会造成过度应力，防止产生松动。
需要注意的是，以上原理可以单独使用，也可以结合使用，具体的防松方法应根据实际情况进行选择和应用。
机械设计中螺纹防松方法的探讨
机械设计中螺纹防松方法的探讨螺纹连接是机械设计中常见的连接方式之一，其具有连接牢固、拆卸方便等特点。
在实际应用中，螺纹连接有时会出现螺纹松动的问题，影响设备的正常运行。
为了解决这个问题，工程师们提出了各种螺纹防松方法。
本文将探讨机械设计中常用的螺纹防松方法，并对其进行分析和比较。
一、基本原理在了解螺纹防松方法之前，首先需要了解螺纹松动的原因。
螺纹连接松动主要是由于振动等外力作用下的松动力矩超过螺纹连接的摩擦力矩所导致的。
要解决螺纹松动的问题，就需要提高螺纹连接的摩擦力矩，即增加螺纹连接的紧固力。
二、螺纹防松方法1. 锥形搭接：锥形搭接是一种常见的螺纹防松方法，其基本原理是利用搭接面的摩擦力增加螺纹连接的紧固力。
这种方法适用于需要频繁拆卸的螺纹连接，比如设备清洁和维护等场合。
2. 螺纹粘合剂：3. 增加螺纹数量：增加螺纹数量是一种简单有效的螺纹防松方法。
通过增加螺纹数量，可以增加螺纹连接的摩擦力矩，从而提高螺纹连接的紧固力。
这种方法在实际应用中需要考虑螺纹布局的合理性和结构的可行性。
4. 使用垫圈：5. 使用弹簧嵌套：从理论上来说，以上各种螺纹防松方法都可以有效地解决螺纹松动的问题。
在实际应用中，每种方法都有其适用的场合和局限性。
下面将对各种螺纹防松方法进行比较分析。
锥形搭接和螺纹粘合剂都可以增加螺纹连接的摩擦力矩，但锥形搭接更适用于频繁拆卸的场景，而螺纹粘合剂更适用于需要长期保持螺纹连接的紧固力不变的场景。
增加螺纹数量和使用垫圈都可以增加螺纹连接的摩擦力矩，但增加螺纹数量更适用于需要提高整体螺纹连接的紧固力，而使用垫圈更适用于需要承受较大压力和振动的螺纹连接。
螺纹防松方法的选择需要根据实际应用情况进行权衡。
工程师们可以根据需要选择不同的螺纹防松方法，以提高螺纹连接的紧固力和可靠性。
在进行螺纹连接设计时，还应考虑螺纹布局的合理性和结构的可行性，以确保螺纹连接的有效性和稳定性。
螺丝的松动及预防对策
螺丝的松动及预防对策（1）螺丝松动螺丝松动的基本模式：伴随回转的松动（外力作用时）和不伴随回转的松动两种方式。
参阅【表1】【表1】螺丝松动的基本模式不伴随回转的松动1.初始松动・紧固接合面的表面凹凸因外力产生疲劳松动等2.凹陷松动・接触面塑性变形引起的松动3.磨损导致的松动・震动及长时间运转导致接合面发生微小磨损，产生间隙等4.因插入材料的老化、破损等导致的松动5.因过大外力导致的松动6.因热变形、应力松弛导致的松动・异类材料紧固时需要特别留意伴随回转的松动（外力作用时）7.轴旋转方向的重复外力作用导致的松动8.轴垂直方向的重复外力作用导致的松动（【图2】）9.轴方向的重复外力作用导致的松动①伴随回转的松动（外力作用时）以下a）、b）同时发生时，紧固2个零件的螺栓就会发生松动。
（参阅【图1】）a）紧固处2个零件有1～4个接触面，向被紧固零件施加外力。
b）螺帽接触部1的外螺纹和内螺纹间有间隙，发生了相对滑动。
影响螺丝松动的外力有【图1】所示的4种力＜A）〜D）＞。
这些外力会使螺栓产生“回转运动”，导致松动发生。
（参阅【表1】上方的栏）A）轴方向外力B）轴垂直方向外力C）轴的旋转力矩F）弯曲力矩②除此之外，还有因温度变化（膨胀、收缩作用）、插入材料的机械特性、磨损等导致的不伴随“回转运动”的松动现象。
（参阅【表1】上方一栏）（2）螺丝的预防对策及代表性防松零件【表2】螺丝的防松方法及防松零件螺丝的防松方法代表性的防松零件a）以弹簧作用防止老化等永久变形弹簧垫圈b）增大螺丝部的滑动阻力，防止回转双螺帽b）增大接触面的滑动阻力，防止回转粘结剂。
机械设计中螺纹防松方法的探讨
机械设计中螺纹防松方法的探讨螺纹连接是一种常用的机械连接方式，在机械设计中应用广泛。
然而，由于振动和应力的影响，螺纹连接容易出现松动的问题，给机械设备的稳定性和安全性带来了严重的隐患。
因此，如何有效地防止螺纹连接松动成为了机械设计中的重要问题之一。
一、螺纹防松的原理螺纹连接产生松动是由于外力振动和工作应力的共同作用，使得螺纹连接处的摩擦力逐渐减小，最终导致松动。
因此，防止螺纹连接松动的关键是要提高连接点的摩擦力，使得连接处的摩擦力大于外力和应力的作用力，从而保持连接的稳定性和紧密性。
而实现这一目标的方法主要包括以下几种：1.增加摩擦系数增加螺纹连接处的摩擦系数是最简单有效的螺纹防松方法之一。
具体来说，可以通过以下几种方式来实现：(1)选择材质的不同。
铝、黄铜、塑料等材质的螺纹，与钢铁的螺纹相比，具有摩擦系数较小的特点。
因此，在选择螺纹连接时，可以优先选择摩擦系数较大的钢铁螺纹连接点。
(2)采用粗纹螺纹。
粗纹螺纹与细纹螺纹相比，单位长度内的接触面积更大，摩擦系数更大。
因此，使用粗纹螺纹连接可以增加连接点的摩擦系数。
(3)使用有摩擦垫片的螺纹连接。
摩擦垫片通常是一种纤维材料，能够增加连接点的摩擦系数。
此外，也可以使用防松胶、锁紧剂等特殊涂层来增加螺纹连接处的摩擦系数。
2.增加螺纹预紧力螺纹连接松动问题的另一个原因是连接点的预紧力不足。
当预紧力不足时，外力和应力的作用会使连接点的紧密度降低，从而导致连接松动。
因此，增加螺纹连接的预紧力是防松的重要手段之一。
实现方法如下：(1)使用扳手或力矩扳手进行正确的拧紧。
使用手动拧紧螺纹连接时，应使用扳手进行拧紧，以确保预紧力达到要求。
(2)使用预紧螺母。
预紧螺母可以保证在同样的扭矩下产生更大的预紧力，从而提高螺纹连接的稳定性。
3.增加连接点的效应长度连接点的效应长度指的是螺纹连接点两侧的有效长度。
当连接点的效应长度较大时，在外力和应力的作用下，连接点的稳定性和紧密性更高，从而减少出现松动的可能性。
螺栓拧紧的原理，螺纹连接的失效形式以及防止松动措施，值得保存
螺栓拧紧的原理，螺纹连接的失效形式以及防止松动措施，值得保存螺栓螺纹概述螺栓连接防松动措施最主要的措施是确保预紧力、提高预紧力，其次可以从下面几个方面去考虑：涂胶：适用于振动或横向导致的回转类松动；螺栓减细：适用螺栓伸长及被联接件减薄的场合；改进结构：防止切向载荷、平垫改镶圈；防松紧固件：异形牙螺母、镶圈螺母、开槽螺母、带齿螺栓（螺母）。
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螺纹连接的预紧和防松.pptx
FE
F z
603186031.8N 10
第25页/共47页
残余预紧力（有紧密性要求）：
FR 1.6FE 1.6 6031 .8 9650 .88N
螺栓工作时的计算载荷：
Fa FE FR 6031 .8 9650 .88 15682 .68N
3.强度计算 强度条件式：
1.3Fa
4
d12
'
)
Fa
d12 /
4
第8页/共47页
对于M10~M68的普通螺纹，取d1、d2和ψ的平均值，
并取： tgρ’ = f ’ =0.15
得： τ ≈ 0.5 σ 螺栓材料为塑性材料，受拉伸和扭剪复合应力作 用，由“第四强度理论”有：
计算应力：
c 2 3 2 2 3(0.5 )2
1.3
由此可见：受拉伸与扭剪复合应力作用的螺栓连接，可 以只按受拉伸应力来计算，但必须将拉应力加大30%， 以考虑剪应力的影响。
第15页/共47页
2. 螺栓性能等级代号的意义：
第一数字：表示螺栓材料抗拉强度极限σb 的 1/100。 σb =第一数字×100
第二数字：表示螺栓材料的屈服极限σs 与强度极 限σb 比值的10倍。 σs =第一数字×第二数字×10
例：4.6级螺栓
σb=4×100=400MPa，σs=4×6×10=240MPa
截面尺寸：b×h 按轴径d来选择 2. 尺寸选择：
长度：L 按轮毂长度L′而定 L =L′-（5～10mm），且圆整为标准系列
3. 强度校核
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练习题
一、填空
1. 弹簧垫圈属于
防松方法，串联钢丝属于
防松方法。
2. 5.6级螺栓的屈服极限是
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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
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VW01110-3[5]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VW01110-2[6]大众康采恩螺纹连接装配和过程保证标准，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；
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]。