选择您的国家或地区


South Africa

EN

Canada

FR EN

México

ES EN

United States

EN

Australia

EN

China / 中国

ZH EN

India

EN

South Korea / 대한민국

KO EN

Malaysia

EN

Singapore

EN

Taiwan, China / 中国台湾

ZH EN

Thailand

TH EN

Vietnam

VI EN

Česká Republika

CS EN

Danmark

DA EN

Deutschland

DE EN

España

ES EN

France

FR EN

Ireland

EN

Österreich

DE EN

Polska

PL EN

Schweiz / Suisse / Svizzera

DE FR IT EN

Sweden

SV EN

Netherlands

NL EN

Global

EN

请开始输入以获得建议

搜索建议

正在加载建议


产品建议

正在加载建议


紧固件防松不容忽视,选择正确的螺纹连接防松方法

螺纹连接防松方法有哪些-Bossard柏中Michael Kaas著,BOSSARD专家团队

从发电机设备到自动化装置,从交通运输系统到休闲和运动设备,从测试和测量设备到医疗技术产品,从数码产品到儿童玩具,组装这些产品都会用到螺纹紧固件。螺纹连接有很多的优势,也有其弱点。螺纹连接的挑战之一,是自行松动。自行松动的课题一直吸引着产品设计人员,生产专家,工程师,设备维护和劳防专员们的兴趣。原因很显然,这关乎安全!

 

Bossard柏中的专家Michael Kaas 选择了这一更具有挑战性的紧固课题,与您分享他的见解,阅读如下白皮书:

 

 我们都有过这样的经历,螺钉或螺母都会松动—无论是自行车还是眼镜上的部件。那么,问题是怎么产生的呢? 我们又如何避免这种情况发生呢?

为了做到这一点,我们需要更多地了解连接的功能以及紧固件的螺纹如何相互作用。我们还需要分析一些应力,才可以完全理解产生松动的原因。只有这样,我们才能确定最佳解决方案,尽量减少或防止松动。在拧紧过程中,摩擦作用在紧固件螺纹和承载面上,随后是这种摩擦防止拧紧后的紧固件发生松动 。那么如果摩擦可以约束连接,为什么它仍然会松动呢?

连接

在理想的环境下,连接面本身可以承载动态载荷并防止松动。紧固件扭矩必须达到一定的预紧力,且螺栓式连接方式受力只能来自拉力。动态载荷可能会引起松动。为了防止紧固件松动,设计中应考虑防止装配部件由于侧向负载引起的滑动。为此,夹紧长度显得尤为重要。 夹紧长度小于5倍螺纹直径的紧固件不会出现回弹力。他们无弹力且抗振性差。如果可能,连接设计应该修改夹紧长度,达到螺纹直径d的5倍。这种螺栓式连接方式则更有回弹力,也改善了抗振效果。但在许多应用过程中,这一方法很难实现。

外部载荷

为了防止松动,设计师需要确定外部载荷作用。外部载荷将决定连接面摩擦力的持续性,以及是否需要采取其他预防措施。外部载荷分为两类:静态载荷和动态载荷。

动态载荷

动态载荷可以有几种不同方式 - 无论是设备本身,还是周边自然环境。当外部载荷作用时,螺纹摩擦力和承载面摩擦力有助于保持连接紧密。以标准机制螺纹为例,摩擦力仅存在于螺纹的一侧,而另一侧存在间隙。如果动态载荷足够大,螺纹摩擦力会显著下降,只留下螺钉头部或螺母在承载面上的摩擦力,以防止连接松动。

静态载荷

如果连接面的设计只有静态载荷作用,通常不会出现松动问题。但是,如远洋货船装载的货物在运输过程中一直恒定振动。重型柴油发动机产生的振动,使整个船上装运的货物都处于振动状态中。螺纹连接可能会发生松动。由于螺钉或螺母的松动、转动松脱甚至丢失,会使整个组装件支离破碎。

摩擦

通常定义为摩擦系数(CoF)。摩擦取决于选用的材料和涂层。一些材料本身就决定了摩擦系数的大小,如不锈钢和铝,而钢材通常需要经过额外的表面处理,才能决定摩擦系数。通常情况下涂层中的摩擦调节剂被用来控制摩擦系数CoF,从而减少拧紧扭矩的误差,进而控制夹紧力。这样一来使我们陷入两难境地。使用摩擦调节剂,可以确保我们实现正确的夹紧力,最大限度锁紧紧固件。但同时却降低摩擦系数CoF,在动态载荷作用下增加了松动的风险。紧固件处于极限夹紧力的状况下,螺纹侧面和承载面受极大外部载荷作用时,可以承受更多的动态载荷。但在某些情况下,如拧紧塑料、铝等软性材料时,这种情况就不会出现。因此需要使用其它安全防松装置。

头型

法兰/垫圈面头型:使用法兰或垫圈头型这类接触面较大的头部,在头部和接触表面之间可以产生更多的摩擦。 这也降低了承载面上的表面压强,减少紧固件嵌入表面的情况,同时产生更多的摩擦以保护螺纹连接不受动态载荷的影响。

锯齿面/带肋法兰头:承载面上使用锯齿面/带肋法兰头,可以实现锁紧功能。拧紧时,锯齿面/带肋面抓牢对手件表面,形成高强度金属锁紧效果。而这种类型的锁紧方式可能会使对手件表面受损,尤其是涂漆表面,需要注意。如果在螺钉承载面上使用锯齿面设计,还应当在配合的螺母承载面上使用锯齿面,以确保连接接触面具有很高的摩擦力。 垫圈不应与带锯齿面零件一起使用。

螺母

如果不考虑使用锯齿面增加承载面的摩擦,也可以采用螺母锁紧方式。但通常如果螺母使用不当也会造成松动。“全金属或非金属嵌件的有效力矩型锁紧螺母”。这个标题本身可能会产生误导,因为这些螺母通常被称为“锁紧螺母”。通过使用尼龙环或者变形的金属螺纹,防止连接面上的摩擦力损失。但即使螺纹中有卡紧装置,也不能避免螺母旋转松脱。有效力矩元件决不会在螺母的整个高度上延伸。卡紧效果只局限于螺母顶部有限的几个螺距,而剩余的螺纹却没有被锁紧。

当动态载荷大到足以降低连接面的预紧力时,锁紧性能可防止螺母的脱落,但不能防止螺母在轻微旋转时进一步失去预紧力,预紧力一旦失去将无法复原。这可能导致连接件移位甚至最终疲劳失效。此外,当使用有效力矩型锁紧螺母时,需考虑重复使用性,重复使用将导致锁紧效果逐渐减弱。

 

螺纹锁紧方式

高分子聚合物涂层

非金属有效力矩螺纹的锁紧元件是聚酰胺。聚酰胺是一种热塑性树脂,可在120℃以上高温下软化,在这个范围里有效力矩将会消失。有效力矩螺纹通常是在局部点上聚酰胺涂层,首先将细粉末涂到预定加热的螺纹区域。经过高温处理,螺纹表面粉末层立即软化粘附在螺纹上。最终在螺纹上形成一块软性的聚酰胺补丁,在螺钉锁紧时卡在对手件的螺纹里。松动了的螺钉不再会因振动继续旋转。
如果涂装时旋转螺钉,就可以360°涂上聚酰胺涂层。这不仅可以卡住螺纹,而且同时起到密封效果 - 这种螺钉的设计对密封容器的安装非常重要。聚酰胺涂层可以直接作业于有效部位,即外螺纹或内螺纹啮合之处。涂层厚度可以在一定程度上做相应调整,并可由此产生有效力矩的效果。通常预留出螺纹端的2-3个螺牙不需要涂层。这样螺钉锁入对手件时就不会出现问题。有效力矩螺钉通常用作调节螺钉。

粘合涂覆

使用“粘合涂覆”也可以消除普通螺钉和螺母或内螺纹之间的螺纹间隙。装配时,将这种产品填充在螺纹缝隙间,通过硬化,防止螺纹侧面互相打滑。保持摩擦,且螺钉/螺母也可抵抗振动的影响。整个硬化过程可以长达72小时。但在大多数情况下,部件会在短时间内锁紧。 因此,考虑到锁紧效果,应避免装配后调整紧固件。基于相同原因,粘合锁紧方式只能使用一次。如需拆卸,紧固件必须报废。360度粘合涂覆也带来良好的密封效果。应当注意的是,“粘合强度”应对应紧固件的强度。如果粘合锁紧效果“非常强”,则可能导致拆卸时损伤硬件。

 

垫圈

垫圈属于紧固件系列产品,却没有直接紧固的作用。错误使用垫圈的情况无处不在,且经常会在连接时降低连接强度或增加动态连接的松动风险。

平垫圈

使用平垫圈(如果选择正确的话),目的是帮助降低较软材料的表面压强,从而减少沉降导致的夹紧力的损失。垫圈的承载面通常大于螺钉和/或螺母的承载面。接触面直径越大产生的摩擦阻力就越大。因此,拧紧时总是螺栓的头部在垫圈上转动,而不是垫圈在夹紧部件上转动。垫圈会保护较软的材料,从而降低动态载荷引起的松动风险。根据紧固件的性能等级选择正确的垫圈硬度。如果接触面材料太软不能支撑螺栓头部,选择错误的垫圈硬度则会导致更高的松动风险。

开口锁紧垫圈

大多数人误以为使用开口锁紧垫圈可以降低旋转松动的风险。但在大多数情况下,这种假设是不正确的。使用开口锁紧垫圈的目的是减少嵌入时夹紧力的损失。 因此,如果使用得当,它将降低动态载荷引起的松动风险。 但人们常常过高估计这些垫圈的强度,从而导致嵌入和/或动态载荷作用下更高的松动风险。众所周知,开口锁紧垫圈在强度上只能达到5.8级紧固件的夹紧力(紧固件使用达到极限值)。当与这些紧固件配合使用时,开口锁紧垫圈将减少夹紧力的损失,从而降低动态载荷作用下的松动风险。

此外,大多数开口锁紧垫圈的边缘具有机械式锁紧效果,在软性材料表面锁紧时,可以帮助提高锁紧效果。

需要强调一点,当开口锁紧垫圈与8.8级(5级)甚至更高的热处理紧固件配合使用时,防松效果并不明显甚至不存在。垫圈的弹性太弱,并且垫圈边缘不会进入硬质紧固件表面。与更高性能等级的紧固件配合使用时,由于垫圈在高负载力的作用下可能会发生塑性变形甚至断裂,事实上会造成更大的风险。

锯齿面锁紧垫圈

这个标题本身就是一个误导。这种垫圈仅仅起到促进导电的作用。常用于接地安装上,例如汽车电池。垫圈上的锯齿状部分被视为锁紧特征,但事实上这种垫圈的设计通常不能承受装配中的压力。这样会导致更高的嵌入风险,以及随之而来的更大的松动风险。即使锯齿可以增加较软材料上的摩擦力,但大多数紧固件(性能等级为8.8及以上)的表面硬度仍然太高,不能有效实现金属锁紧。在某些情况下,比如与性能等级6.8级及以下的紧固件配合使用时,它的表面压强和夹紧力有限,会有一些锁紧效果。

带肋锁紧垫圈

带肋锁紧垫圈至少一侧有脊。与螺纹的摩擦共同作用增加承载面的摩擦,防止螺钉和/或螺母的自发性旋转松动。

脊(齿)的设计使它们自身固定在被夹紧的工件上,同时锚固在螺栓或螺母的承载面上,抵住反向作用力。与锥形弹簧垫圈和开口锁紧垫圈相似,带肋锁紧垫圈用来降低嵌入的风险。与平垫圈相同,带肋锁紧垫圈也具有不同规格,根据形状差异功能也各不相同。带肋弹簧锁紧垫圈的外径与螺钉和/或螺母的承载面直径大致相同。两面都有肋状纹路。

Rip-Lock 型带肋弹簧锁紧垫圈具有更大的外径,包含大间隙孔和腰形孔两种。螺钉头部或螺母位于脊状一侧的上端面。垫圈底面没有脊。 垫圈的大直径在夹紧部位产生足够的摩擦力,防止垫圈转动。

NORD-LOCK垫圈

Nord-Lock是一种特殊锯齿形锁紧垫圈。这种垫圈总是两两配对达到锁紧效果。外表面有肋状纹路,甚至可以咬合在异常坚硬的材料中,内表面具有细致精密的坡面。拧紧螺钉/螺母时,两片锁紧垫圈之间的坡面紧密贴合,垫圈之间牢固连接。如果螺钉因振动造成旋转松动,上垫圈将旋转与下垫圈稍稍滑移。由于垫圈坡面的角度大于螺纹升角,此时实际上增大了夹紧力,依然可以有效的防止螺钉的旋转松动。Nord-Lock垫圈可多次重复使用,使用稍高的拧紧扭矩即可达到需要的夹紧力。请参阅Bossard产品目录中的相关介绍。

原始的Nord-lock锁紧垫圈不能像锥形带肋锁紧垫圈一样防止能量释放。最近Nord-lock新推出了一款锥形带肋Nord-lock垫圈,除了具备常规性能外还具有减少能量释放的效果。综上所述,这些带肋锁紧垫圈具有以下特点:

必须配合螺栓/螺母使用实现安全锁紧

可与硬化后的紧固件配合使用。但只有Nord-Lock垫圈可以用在12.9级的紧固件上。

自攻锁紧螺钉

通过消除螺纹中的间隙,自攻锁紧螺钉在动态载荷作用(振动)下不会出现松动。通常在螺钉和螺母配合的螺纹之间存在间隙。然而,在工件上拧入自挤螺钉时内螺纹通过挤压形成,不存在任何螺纹间隙。

即使装配部件发生强烈振动,螺纹面也不会出现相对滑动。完全可以保持现有的螺纹摩擦力,从而可避免使用额外的锁紧装置。即使在拆卸和重新装配后,仍然保持抗振防松性能。使用自攻锁紧螺钉无需螺母,可在盲孔部件或通孔部件中进行安装。由于自攻锁紧螺钉良好的抗振防松性能,设计工程师们把它成功地运用在剧烈振动的机器和设备上。

自攻锁紧螺钉可以应用于低碳钢,轻合金和大多数塑料材质上,不同类型的材料选用不同类型的螺纹。孔径和螺纹啮合长度如何才能确保动力锁紧效果,相关介绍请参阅Bossard产品目录中的技术章节。

 

总结

适用于任何连接设计的万能的解决方案根本不存在。设计工程师需要计算/估算连接处松动的可能性。考虑力、材料、安全需求、设计要求、可重复使用性、装配等诸多因素,才能选择恰当的应用解决方案。

 

如需更多信息欢迎下载完整版白皮书。