自锁螺纹副的理论力学模型

来源：塑胶五金网发布时间：2007-12-16 11:56:59点击率：

        我们平常所说的“自锁螺纹”，其实是特指“自锁螺纹副”，包含了内外两只螺纹组成的螺纹副。因为单一的螺纹，是谈不上具有“自锁”这种属于配合性质的性能的。
    市面上，我们也总会见到是螺母类的“自锁螺纹”，但为什么我们没能见到“自锁螺栓”呢？其实，以“自锁螺纹”的理论，能生产出“自锁螺母”，就必然能生产出“自锁螺栓”，只是我们不能真正明白自锁螺纹的机理，未能自如地设计生产出能适合于各种场合，具有包括自锁性能在内的特种性能的螺纹来。
    要自如地设计出具有自锁性能的各种自锁螺纹，就得明白螺纹的自锁机理，就得知道自锁螺纹的理论力学模型是什么。
    1．介绍一种特殊的机械力学模型
    加工球型零件，我们得有一种夹具“V形内锥”——一个漏斗结构的夹具，以定位、对中。
这个夹具说来有点神奇，就是随意将这个球体零件放到这个“V形内锥——漏斗”，这个零件总会自动定位于“V形内锥”的中心，其基准，就是该“V形内锥”的轴线中心。夹紧后，我们就可以进行各种的机加工了。
    别小看了这种定位夹具，它极巧妙地运用了机床夹具的设计原理，一个这么简单的结构，就能消除了被加工零件的“全部的6个自由度”。
    在这里让我们复习说明一下，消除了6个自由度，它意味着什么。
    我们知道，任何一件物体，“只要是消除了沿X、Y、Z轴三个方向各自存在的一个平动和一个转动的自由度，总共6个自由度，这个物体的位置就是确定了的”。再引伸一下，以方便我们理解：只要我们再施加一个适当的外力，那么，无论来自任何方向的力（振动），只要这个螺纹副的机械强度不被破坏，这对螺纹是不会松动失效的。
    “消除6个自由度的原理”，这是自锁螺纹设计时将会运用到的很重要的一个机械原理。
    2．自锁螺纹副的理论力学模型
    我们不再深入讨论“机械自锁的一般原理”，而只使用“螺纹副的自锁原理”，直接运用自锁螺纹副的理论力学模型去设计生产各种具有自锁性能的螺纹来。
    自锁螺纹副的理论力学模型，可以简单地比喻为 “相当于一个V形螺旋内锥与一个螺旋状的具有曲面的球体的配合体”，其V形螺旋内锥，活象内螺纹，而具有曲面的螺旋球体，相当于外螺纹。简单地说，就是前面所说的“V形内锥——球体”结构模型的螺旋体。反过来说，即内锥相当于外螺纹，螺旋球体相当于内螺纹，这个力学模型同样是成立的。
    这个自锁螺纹副的力学模型大的特点，就是内外螺纹配合时，总会以其轴心线为对称中心，并重合。它互为消除了内螺纹或外螺纹的6个自由度。
    3．传统普通螺纹的“斜面——滑块”力学模型说明了什么
    说自锁螺纹的力学模型是“相当于一个V形螺旋内锥与一个螺旋状的具有曲面的球体的配合体”，那么，一直以来，我们运用的设计普通螺纹时采用的“斜面——滑块力学模型”，它又到底说明了什么问题呢？
    简而言之，“斜面——滑块力学模型，只说明了轴向（或X轴）的平动的那个自由度的运动关系”。而以自锁螺纹的原理关系来说，它只消除了轴向的那一个自由度；如果该斜面设计的角度大于“自锁角”的话，则该结构连一个自由度也不能消除。
    4．现实的普通螺纹副，到底消除了几个自由度？
    说到这，使大家仍搞不清楚的倒是，我们现在所使用的普通螺纹副，理论上它又消除了几个自由度呢？为什么普通螺纹副总是不能防振，特别是来自径向（横向）载荷呢？
    要说清楚和理解这个问题有点困难。我只能说个结果供大家先行接受。
    从表面上看，实际使用的普通螺纹副，好象与上述自锁螺纹副的理论力学模型完全一样，但实质上是有极大的差别的：前者是一个面接触的螺旋体，后者是一个线接触的螺旋体。但这又有什么差别呢？
    差别在于，前者的这个面接触螺旋体，从理论上说，它完全不符合自锁螺纹的理论力学模型，原因在于现实中的内外螺纹，其表面不是光滑，牙型角、整个螺纹副的牙型不是吻合；其配合面总是“点阵”接触，遇到振动，就会产生塑性变形。理论上，它只消除了3个自由度；不严格地说，它多消除了5个自由度，剩下的径向的那一个自由度是不能消除的。
    上述这一段话并不容易理解。但有一个大的表面特征我们是可以理解的，这就是普通螺纹副，它起码是不能消除内外螺纹间的径向间隙，螺纹副在横向载荷的情况下，必然出现松动失效。
    再举出一个极限认识关系：就是如果普通螺纹是一种表面光滑，没有任何的形状误差，是一种“理想螺纹”的话，则 “由理想螺纹组成的螺纹副，就具有自锁性能”。显然，这种“理想螺纹副”在现实中是不存在的。
    5．简单的自锁螺纹副
    既要符合自锁螺纹副的原理，又要与普通螺纹的牙型配合关系相似或相近的螺纹，它是一个什么形状关系呢？
    在这里也只能说出一个结果，这就是，只要内外螺纹的牙型角不相等，它们所组成的螺纹副，拧紧后，就是一对自锁螺纹副，就具有自锁性能。我国和英国分别有两套发明专利都不约而同地提到了这个关系。而运用了高精度螺纹技术（主要是为了消除螺纹副的径向间隙）设计生产的“径向干涉配合自锁螺纹副”，能大限度地实现或表达这个自锁性能。
    6．生产与使用
    我们可以运用生产传统螺纹的一切工具，生产这种自锁螺纹副，生产成本、工艺流程等是完全一样的。可以重复装拆、重复使用。
    7．自锁性能的检验
    在这里，提供一项检验自锁螺纹自锁性能的检验标准——《GJB 715.3》，它是我们国家的军用标准，等效采用美国的军用标准。该标准只提供了检验自锁性能的方法，它直接检验螺纹副的抗横向振动的能力；自锁性能的量值指标，是抗振的时间（总次数）。
    用这种方法检验的螺纹，如果其振动时间（次数）能超过某一个公认的数值，则可以认定这种自锁螺纹具有良好的自锁性能。抗振能超过3分钟的，只有双螺母锁锁紧、槽形螺母锁紧和和以本技术生产的自锁螺纹副。普通螺纹副，包括带弹簧垫圈的螺纹副，都不堪一击，几下就桧松动失效了，可以说是完全没有自锁性能。使用带尼龙嵌件的螺母、高锁螺母组成的螺纹副，有一定的防松（而不是自锁）性能。

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