【紧固连接防松科普系列 3】改变齿形防松
改
变
齿
形
普通螺栓在振动工况下容易发生松动脱落，其实造成这一问题的原因是螺栓本身的结构问题。螺纹连接中，各圈啮合螺纹牙承载比例不均匀，前三圈螺纹牙承载60%左右的轴向力，而后几个啮合螺纹承载的比例很少，在外部载荷作用下，前三圈螺纹牙容易发生微幅相对滑动，造成界面微动磨损和部分滑移逐渐累积，从而使得螺栓松动。
在紧固件直接防松方法中有一种是通过改变螺栓齿形达到防松效果的。改变齿形防松原理是通过改变螺纹牙形状来改变螺纹连接内在受力机制，使其拥有更好的防松性能。例如施必牢螺纹、唐氏螺纹和SLB螺纹等。
01
施必牢螺纹（Spiralock）
1970年代美国工程师通过在内螺纹牙底处设置 30°角的楔形面改变内外螺纹啮合时螺纹牙受力情况。当螺栓与施必牢螺母旋紧时，外螺纹牙顶部位产生塑性变形并与施必牢内螺纹楔形面紧密贴合，牙尖紧紧地顶在施必牢螺纹的楔形斜面上，产生了很大的锁紧力。啮合螺纹面间法向接触应力较大并且与螺栓轴线成 60°夹角。普通米制螺纹的啮合螺纹面法向接触应力与螺栓轴线成 30°夹角。施必牢螺母可与普通米制螺栓旋合和配套的施必牢螺栓旋合如图1。
图1 普通螺纹与施必牢螺纹对比
图2 (a) 施必牢内螺纹的轮廓及其与普通米制外螺纹的啮合关系；(b) 施必牢螺母；(c) 施必牢内螺纹与普通外螺纹配合的有限元模型
施必牢螺纹优点：自锁防松，具有可靠的抗震、防松性能；负荷均匀分布，可以提高疲劳强度；与普通标准螺栓配合；不受温度剧烈变化及环境影响；可重复使用50次以上。
不足之处：施必牢螺母并不适用于所有地方，比如在一些柔性连接中，施必牢螺母就不能胜任。此外，运用施必牢螺母时，垫片的使用也要非常注意，如果垫片的质量不合格 也会造成螺丝的松动，甚至脱落。
02
唐氏螺纹
传统的普通螺纹是单旋向、全连续、等截面的螺纹。唐氏螺纹是双旋向、非连续、变截面的螺纹。唐氏螺纹的同一螺纹段同时设有左右两种不同旋向的螺纹，既可以和左旋螺纹配合，又可以和右旋螺纹配合。在连接时，使用左、右两种不同旋向的螺母。被连接件支承面上的螺母称为紧固螺母，非支承面上的螺母称为锁紧螺母。其中，紧固螺母与锁紧螺母的螺纹旋向相反。使用时先将紧固螺母拧紧，再将锁紧螺母拧紧，如图3所示。
图3 唐氏螺纹防松原理：(a)普通螺纹；(b)唐氏螺纹；(c)唐氏螺纹装配方法
图4 唐氏螺纹精确有限元模型
当连接结构要发生松退时，右旋螺母的拧松方向恰巧是左旋螺母的装配方向，两者相互抵抗达到很好的防止松动的效果。
唐氏螺纹的不足之处：承载能力较差，成本较高，加工难度较大，因此在实际使用中需根据实际情况和需求作出选择。
03
SLB（Step Lock Bolt）螺纹
SLB螺纹在螺纹面上有间隔排列的“台阶”，因此可称为“阶梯锁紧螺栓”。没有升角的部分称为“阶梯部分”，具升角β的部分称为“倾斜部分”。SLB 螺栓可与普通米制螺母旋合紧固状态的模型如图7所示。这与传统的螺纹形成鲜明对比，传统的螺纹总是在摩擦变小时沿着倾斜部分推出螺母，而SLB螺栓的特殊轮廓可有效防止啮合螺纹面相对转动，几乎不会沿着圆周滑动。即使螺栓或螺母的底面滑动，SLB 螺纹也能够防止旋转的发生。
SLB螺纹不足之处：旋合性能和防松性能是相互冲突的，防松性能提升则旋合性能降低。SLB 螺栓的“台阶部分”和“倾斜部分”在周向方向的间隔排列需在良好的旋合性能和防松性能之间取得平衡。两部分间隔排列的数目较少时，防松性能提高而旋合性能降低；间隔排列的数目较多时，旋合性能提高而防松性能降低。
图7 SLB 螺栓几何轮廓和受力示意图
04
DTB（Double Threrad Bolt）螺纹
DTB螺栓与承力螺母和锁紧螺母的啮合图见图8。粗牙螺纹具有较高的承载能力而细牙螺纹具有较好的防松性能，DTB螺栓将两者特性兼顾，可有效防止啮合螺纹面间的旋转松动。
DTB螺纹不足之处：承载能力较差，对拧紧策略比较敏感，只有正确的拧紧策略才能起到防松效果差。
图8 DTB与粗牙承力和细牙螺母锁紧啮合图
图9 DTB 螺纹的精确有限元模型(粗牙和细牙螺纹螺纹间相位角 180°)：
(a) DTB 螺栓；
(b) DTB螺栓与粗牙承力和细牙螺母锁紧啮合的有限元模型；
(c) DTB 外螺纹与粗牙和细牙外螺纹啮合图
结语
思考：
你还知道哪些改变齿形的防松螺纹？
参考文献
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