一種 30° 楔形防松螺母的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

Abstract：In this paper，the principle，characteristics，advantages，application and practical effect of 30^° wedge anti -- looseningthreadtechnologyintheengineeringfieldarediscussedthroughdesigningthenutforthe35Okm/hcarrierbrakedisc. Based on the comparative analysis of 30^° wedge thread technology and the common standard threads，this paper verifies its remarkableefectinimproving thetightnessandreliabilityoftheconnection，andlooksforwardtoitsapplicationprospectin the future industrial development.

Keywords：anti-loosening thread;fastening connection;friction principle

1 30^° 楔形防松螺紋牙型

30^° 楔形防松螺紋牙型獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，是把普通標(biāo)準(zhǔn)螺母的牙底處改變成一個(gè) 30^° 的楔形斜面。當(dāng)螺栓與螺母相互擰緊時(shí)，螺栓的牙尖會(huì)頂在 30^° 楔形防松螺紋牙型的楔形斜面上，如果螺栓的夾緊力（也有叫軸力）達(dá)到螺栓保證載荷的 70% 左右時(shí)，此時(shí)緊固件的鎖緊和防松效果處于較為理想的狀態(tài)，如果夾緊力低于保證載荷的 50% 后，螺紋上的摩擦力會(huì)變小，從而出現(xiàn)緊固不了甚至松脫的現(xiàn)象。如果夾緊力過(guò)大，例如大于螺栓保證載荷的 85% ，螺栓可能會(huì)出現(xiàn)蠕變而非彈性形變，從而使螺栓拉長(zhǎng)變形，甚至出現(xiàn)失效現(xiàn)象，更起不到緊固和防松的作用。 30^° 楔形防松螺紋牙型的設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)螺紋的受力方向，使得施加在螺紋間接觸所產(chǎn)生的法向力與螺栓軸線成 60^° 的角，而非普通螺紋的 30^° 角，從而顯著提高了縱向摩擦力，起到了緊固和防松的作用。

為方便描述，我們用為客戶設(shè)計(jì)的一款剎車盤上用 M16x2-6 規(guī)格的 30^° 楔形防松螺紋牙型螺母為例進(jìn)行分析，此緊固件用于 350km?h 載體剎車盤上。由于剎車盤結(jié)構(gòu)所致，螺母不能高出剎車盤面，于是，就設(shè)計(jì)內(nèi)六角進(jìn)行施力鎖緊和 30^° 楔形防松螺紋牙型防松。此螺紋牙型相對(duì)于壓點(diǎn)防松、雙螺母防松、雙耳制動(dòng)墊圈防松和開口銷等防松方式，30^° 楔形防松螺紋牙型來(lái)防松無(wú)疑是最佳選擇， 30^° 楔形防松螺紋牙型螺母結(jié)構(gòu)既簡(jiǎn)單又可多次重復(fù)拆卸，且最重要的是經(jīng)過(guò)測(cè)試多次拆卸仍能達(dá)到優(yōu)秀的防松效果。此時(shí)， 30^° 楔形防松螺紋牙型螺母解決了剎車盤空間小、要求高的難題，成為相對(duì)較為理想的選擇。

圖1為前期設(shè)計(jì) M16x2-6H 規(guī)格的 30^° 楔形防松牙型螺母剖面，此牙型成型方式是用 30^° 楔形防松牙型切削絲錐攻牙得到，攻入方向?yàn)樾☆^一側(cè)，為達(dá)到較為理想的防松效果，螺母在熱處理后進(jìn)行攻牙。如圖2所示，為 30^° 楔形防松螺紋牙型 M16x2- 6H絲錐，由于需要考慮螺母的受力方向，所以， 30^° 楔形防松螺紋牙型絲錐也分兩種，根據(jù)不同的受力方向，制造出不同攻入方向的絲錐，一種是與螺母受力方向相反的方向攻入的TT絲錐，和與螺母受力方向相同方向攻入的BT絲錐，圖2即是 M16x2 1BT絲錐。

從制造、使用成本和市場(chǎng)應(yīng)用的便捷性角度考慮，目前最為經(jīng)濟(jì)和使用量最大組合的是： 30^° 楔形防松螺紋牙型螺母配普通標(biāo)準(zhǔn) 6g 螺栓，既可起到良好的緊固作用，又起到較好的防松效果。由此配合方式，即延伸出 30^° 楔形防松牙型絲錐或者螺紋的斜面大徑公差、斜面小徑公差、螺紋中徑公差和螺紋小徑公差，這些公差與普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋差別較大，關(guān)于30^° 楔形防松螺紋牙型的基準(zhǔn)尺寸和公差范圍，發(fā)行的國(guó)標(biāo)里沒(méi)有完整的理論推導(dǎo)和計(jì)算過(guò)程，屬于企業(yè)重要信息，這里不作陳述。

2 防松原理

30^° 楔形防松螺紋牙型的防松，主要通過(guò)其獨(dú)特的螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖3、圖4。

30^° 楔形防松螺紋牙型的牙底處有30度斜面，當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，即軸向夾緊力達(dá)到螺栓保載的 70% 左右時(shí)，普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋牙尖緊頂施必牢螺紋的斜面，每牙均勻分?jǐn)傒S向施加的夾緊力，由于是分?jǐn)?，每牙發(fā)生疲勞變形的幾率相對(duì)于普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋就比較小。如果螺栓達(dá)到預(yù)定的夾緊力，假設(shè)是保證載荷的 70% 左右，那么，徑向產(chǎn)生的鎖緊力是軸向夾緊力的3倍。

普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋 60^° 斜面摩擦，當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，第一、二扣牙承受了夾緊力的 83% 左右。所以，普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋第一、二扣牙相較于施必牢螺紋容易疲勞變形，從而導(dǎo)致緊固件松脫，普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋往往增加彈性墊片或者其他方式，來(lái)減小螺牙疲勞產(chǎn)生的位移變化導(dǎo)致的松脫，這種結(jié)構(gòu)增加了制造成本和降低緊固效果，有松脫的風(fēng)險(xiǎn)。從受力分析角度考慮，當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，也就是軸向夾緊力達(dá)到螺栓保載的70% 左右時(shí)，此時(shí)，緊固件螺紋產(chǎn)生的徑向力是軸向夾緊力是√3倍。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的效果，用SolidWorks軟件繪制出M16x2-6H 的3D模型和適配的 M16x2-6g 螺栓的3D模型，并用AnsysWorkbench仿真集成軟件進(jìn)行分析，對(duì)螺栓副施加保載的 70% ，即是 kN ，如圖5和圖6。結(jié)果直觀地印證了以上的理論，即 30^° 楔形防松螺紋牙型平攤了軸向施加的夾緊力、普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋的前兩扣承受了絕大部分夾緊力。

所以，從受力角度分析， 30^° 楔形防松牙型螺紋的防松系數(shù)是普通標(biāo)準(zhǔn)螺母的3倍；從力的分?jǐn)偨嵌群涂蛊诘慕嵌瓤紤]， 30^° 楔形防松牙型螺紋實(shí)現(xiàn)防松是可能且可行的。保證 30^° 楔形防松牙型螺紋防松還有一個(gè)重要條件，即保證夾緊力是螺栓保證載荷的 70% 左右。那么，如何保證夾緊力是螺栓保證載荷的 70% 左右呢？此時(shí)，需要導(dǎo)入緊固件鎖緊扭矩的計(jì)算公式，在下面的篇幅中再進(jìn)行探討。

3 制造和應(yīng)用

上面提到的 M16x2-6H 螺母，42CrMo材料（如表1），用在350公里時(shí)速載體剎車盤領(lǐng)域重要部位，為10級(jí)螺母，表面達(dá)克羅處理，采用兩涂?jī)珊婀ば?，既可以保證鹽霧試驗(yàn)的防銹要求，又可以提高涂敷的表面附著力。

螺母制造工序依次為：材料檢測(cè)、機(jī)械加工、清洗、熱處理、攻牙、清洗、涂敷、潤(rùn)滑等。第1步，進(jìn)行材料成分檢測(cè)，見(jiàn)表1，確保材料是要求的材料，同時(shí)進(jìn)行沖擊測(cè)試等；第2步，再通過(guò)機(jī)械加工完成毛壞制造，保證內(nèi)外部和長(zhǎng)度的尺寸公差要求；第3步，進(jìn)行熱處理，達(dá)到10級(jí)螺母的硬度要求，HRC26/36，并進(jìn)行保載測(cè)試，確保此工序能夠達(dá)到要求；第4步，再在攻牙機(jī)上進(jìn)行攻牙；第5步，進(jìn)行兩涂?jī)煞筮_(dá)克羅，同時(shí)進(jìn)行鹽霧測(cè)試，確保防銹要求合格；第6步，潤(rùn)滑，來(lái)保證螺紋和支撐面的摩擦系數(shù)，從而控制扭矩系數(shù)，見(jiàn)表2。

需要說(shuō)明的有兩點(diǎn)：

如果熱處理之前攻牙，固然絲錐壽命會(huì)提高，但熱處理工序會(huì)導(dǎo)致螺紋變形，從而可能會(huì)影響防松效果，在工作中做過(guò)多次試驗(yàn)。關(guān)鍵部件一般熱處理后攻牙，不建議熱處理之前攻牙；

對(duì)緊固件來(lái)講，如果需要達(dá)到要求的預(yù)緊力，則潤(rùn)滑工序非常必要，潤(rùn)滑調(diào)節(jié)螺紋和支撐面的摩擦系數(shù)，從而調(diào)節(jié)扭矩系數(shù)，緊固件在緊固過(guò)程中，扭矩系數(shù)一旦確定，運(yùn)用扭矩計(jì)算公式： D”，T為扭矩、K扭矩系數(shù)、F為夾緊力、D為公稱直徑，即可計(jì)算出緊固件的夾緊力。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3098.1，即可計(jì)算出裝配過(guò)程中比較適合的扭矩，即可保證夾緊力是螺栓保證載荷的 70% 左右，在較佳的夾緊力范圍，以實(shí)現(xiàn)較好的防松效果。

以用在350公里時(shí)速載體剎車盤領(lǐng)域的10級(jí)M16x2-6H 螺母為例，“公稱直徑D”是 16mm ，那么，如果把“夾緊力F”控制螺栓保載的 65% ＼～75% ，結(jié)合國(guó)標(biāo)GB/T3098.1和國(guó)標(biāo)GB/T3098.2，即可計(jì)算出夾緊力為 84.5kN～kN ，如果扭矩系數(shù)K控制在 0.17/0.23 范圍內(nèi)，那么扭矩T的范圍為229.84Nm～358.8Nm ，即在裝配過(guò)程中安裝扭矩在229.84Nm～358.8Nm 范圍內(nèi)為較佳范圍。此時(shí)，潤(rùn)滑劑的配比就顯得比較重要，為保證一致性和方便使用，一般使用溶劑型潤(rùn)滑劑涂敷后再進(jìn)行烘干，潤(rùn)滑劑即可附著于螺牙和支撐面上，從而起到調(diào)節(jié)螺紋扭矩系數(shù)的作用。此例螺母因是多次重復(fù)拆卸使用，不適合使用水溶性潤(rùn)滑劑，此處潤(rùn)滑劑的配比及使用條件不再作贅述。

關(guān)于要求和實(shí)際使用條件，在所做的產(chǎn)品中隨機(jī)取5件做橫向振動(dòng)試驗(yàn)。扭矩分別為：256.5、299.8、271.1、299.9、281.3Nm，夾緊力分別為：88.5、89.9、92.6、90.5、87.9kN，扭矩系數(shù)分別為：0.18、0.21、0.18、0.21、0.2，振幅 12.5Hz ，振動(dòng)150s周期。

圖9、10、11為 30^° 楔形防松牙型螺紋試驗(yàn)結(jié)果。

使用了同樣條件，把產(chǎn)品螺紋加工成普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，圖12、13是普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋試驗(yàn)結(jié)果。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，5件試驗(yàn)的 30^° 楔形防松牙型螺紋殘余夾緊力分別是初始夾緊力的 91% ） 90% 、95%97%99% 以上，既滿足GB/T10431試驗(yàn)條件的要求，又達(dá)到此產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求。而使用同樣條件、同樣參數(shù)試驗(yàn)2件此外形用普通標(biāo)準(zhǔn)絲錐攻的普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋，殘余夾緊力為 33.81% 、38.12% ，普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋在開始階段有防松跡象，隨著時(shí)間推移，夾緊力直線下降，也從側(cè)面印證普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋前兩扣占整個(gè)夾緊力的 83% 的理論推導(dǎo)。很明顯， 30^° 楔形防松牙型螺紋防松是可行和可靠的。

此螺紋牙型已被廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、鐵路、城軌、橋梁、航空、手機(jī)、光伏和風(fēng)電等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。特別是在國(guó)家大型工程如青藏鐵路、磁浮工程、東海大橋、杭州灣跨海大橋等項(xiàng)目中， 30^° 楔形防松牙型螺紋緊固件更是發(fā)揮了重要作用。

4結(jié)語(yǔ)

大量實(shí)踐證明，此 30^° 楔形防松牙型螺紋可替代市面上 90% 以上的螺母緊固件，且不需要使用彈性墊片和其他防松配件，與花齒法蘭防松、雙耳止動(dòng)墊圈防松、鉚接防松、沖壓防松、開口銷防松、鋼絲串聯(lián)防松、金屬鑲嵌防松、涂膠防松、雙螺母防松等防松方式相比， 30^° 楔形防松牙型螺紋防松效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工序簡(jiǎn)潔，僅改變螺母的內(nèi)螺紋即可，且可以多次重復(fù)使用，仍能達(dá)到防松效果。但其缺點(diǎn)是，緊固時(shí)對(duì)方向有選擇性，夾緊力需是保載的55% 以上， 85% 以下，最好的 65%～75% 之間。

參考文獻(xiàn)：

[1]全國(guó)緊固件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社第三編

輯室.緊固件標(biāo)準(zhǔn)匯編［M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：749.

[2]查國(guó)兵，趙建敏.常用螺紋刀具[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010：95.

[3]顧丕煊，趙建敏.常用螺紋刀具生產(chǎn)圖冊(cè)［M].北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010：149.

[4]吳筠.緊固件制造設(shè)備選用手冊(cè)［M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：366.

[5]張林森.金屬表面處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：343.

[6]周兆元，李翔英.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)［M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2018：254.

[7]龔茂良，緊固件冷鐓技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社2022：391.

（責(zé)任編輯 郭曉勇）