CN103352909A

CN103352909A - 螺纹挤压防松紧固连接方法及系统

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Publication number: CN103352909A
Application number: CN2013102642817A
Authority: CN
Inventors: 熊光连; 伏凯; 胡方年; 刘宇; 刘洋; 张�荣; 贾云龙; 代广成; 赵祥云
Original assignee: CSR Meishan Rolling Stock Co Ltd
Current assignee: Meishan CRRC Fastening System Co Ltd
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2013-10-16

Abstract

螺纹挤压防松紧固连接方法及系统。方法为：用扭矩扳手将螺母旋紧于螺栓上，使扭矩值达到变形时的止旋扭矩为止。系统为：提供有利于螺母和螺栓连接时螺纹挤压变形紧固的螺纹牙型新设计、或/和设计硬度有差异的材料。有由牙型、材料和螺母新尺寸的组合方案。系统中螺母比螺栓硬度低、螺纹牙更厚，安装后螺栓螺纹会无间隙嵌入螺母螺纹中锁死，达到防松目的。螺栓采用牙高减小、牙厚增厚、牙底加宽、圆弧牙型，使疲劳强度、使用寿命提高，安装快捷。用螺母新尺寸，抗疲劳强度大、使用寿命长。安装只需一只扭矩扳手，聚集了冷拉铆钉变形固紧效果和螺栓连接简单的优点，可用于铁路、重载汽车、船舶、矿山、电力设备等，特别是铆接工具存在干涉等场合。

Description

螺纹挤压防松紧固连接方法及系统

(一)技术领域：本发明涉及一种构件连接方法和系统，主要用于需要有一定紧固强度或振动工况、被连件两侧空间不太大或有干涉等场合。属车辆配件、部件类（B60R）。

(二)背景技术：

现有紧固连接行业中，若采用常规螺栓标准件，即使采用高强度等级10.9级的螺栓，在特殊工况下，由于抗振性能弱、防松性能不足、疲劳强度不高等问题也会导致经常出现连接失效。

近年来，在货车、汽车和桥梁等关键部位的连接均采用冷拉铆接，并替代了过去的热铆和普通螺拴连接，连接可靠性获得有效的保证，尤其是抗振性能较好。但冷拉铆接（即用拉铆钉紧固连接）存在如下问题：1）冷拉铆接的铆接工具是铆接器，铆接器安装及拆卸复杂，包括泵站、铆枪等，安装成本较高。2）铆接器一般放在被连件后侧，并夹紧铆钉后端杆后拉铆接，因而在被连件后侧需要有一定的活动空间，而现在某些特殊环境因素如：干涉问题、泵站工作条件及运输困难等因素影响下，难以完成安装。

中国实用新型专利2002年公开了一种《防松螺纹紧固件》（ZL02220635。3），它是采用在紧固螺纹间涂树脂层，当螺母螺栓拧紧时，树脂层碎裂，增加摩擦力而达到防松紧固的目的。这种仅靠增大摩擦力紧固程度有限，不能与冷拉铆接变形后的紧固防松效果相比，也不能替代拉铆钉。

(三)发明内容：

本发明提供的螺纹挤压防松紧固连接方法及系统，其目的之一就是解决现有常规螺栓连接抗振性弱、防松性能不足、疲劳强度不高等出现的连接失效。其目的之二就是解决现有拉铆钉紧固件安装工具及拆卸复杂、安装成本高；且需要被连件有一侧空间大，而现有某些特殊环境难以完成安装的问题。

本发明采用的技术方案如下:

螺纹挤压防松紧固连接方法，包括步骤：1）将螺拴从两被连件前侧A插入安装孔；2）将螺母从两被连件后侧B旋在螺拴外；其特征是增设如下步骤：3）用扭矩扳手将螺母旋压在后被连件3表面，并旋紧；4）继续用扭矩扳手旋紧螺母；观看扭矩扳手上标示的扭矩数值M达到使螺母螺纹与螺栓螺纹处于挤压变形状态的止旋扭矩，便停止旋紧，防松紧固连接方法完成；且挤压变形状态是通过螺母和螺栓螺纹牙型新设计、或/和设计螺母与螺栓产品材料的硬度有差异的方法来实现的。

上述止旋扭矩获得的的方法可为下述A，B，C三种之一：A.螺母和螺栓螺纹牙型新设计、螺母与螺栓材料软硬配置和螺母新尺寸三者共同作用获得的止旋扭矩（见实施例1）；B.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和螺母与螺栓材料软硬配置两者共同作用获得止旋扭矩（见实施例2）；C.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和螺母新尺寸两者共同作用获得止旋扭矩（见实施例3）；各种公称直径、螺母和螺栓螺纹牙型新设计、螺母与螺栓材料软硬配置、螺母新尺寸和获得的止旋扭矩数值范围M0为表1中序号1-5的数值范围。表1 ｍｍ

序号	1	2	3	4	5
						公称直径D	10	12	16	20	22
螺母和螺栓螺纹牙型新设计：
						螺栓螺纹牙底宽ｂ₁	0.2～0.3	0.2～0.3	0.2～0.3	0.2～0.3	0.2～0.3
螺栓螺纹牙高h1	0.56～0.58	0.56～0.58	0.70～0.72	0.70～0.72	0.70～0.72
						螺栓牙尖半径R1	1.8～2.2	1.8～2.2	1.8～2.2	1.8～2.2	1.8～2.2
螺母螺纹牙厚t₂	1.8～2.1	1.8～2.1	2.2～2.5	2.2～2.5	2.2～2.5
						螺母螺纹牙厚t₂	1.8～2.1	1.8～2.1	2.2～2.5	2.2～2.5	2.2～2.5
螺母螺纹牙底半径R2	0.25～0.3	0.25～0.3	0.25～0.3	0.25～0.3	0.25～0.3
						螺母螺纹牙高h2	0.58～0.60	0.58～0.60	0.72～0.75	0.72～0.75	0.72～0.75
螺母牙型角α₂	70°～80°	70°～80°	70°～80°	70°～80°	70°～80°
						螺母与螺栓材料软硬配置：
螺栓材料	中碳钢	中碳钢	中碳钢	中碳钢	中碳钢
						螺母材料	低碳钢	低碳钢	低碳钢	低碳钢	低碳钢
螺母新尺寸：
						螺母壁厚B2	3～5	3～5	4～6	6～8	6～8
螺母高度H2	12～15	12～15	25～28	32～35	35～38
						止旋扭矩数字范围M₀（N.m）	60～100	170～200	300～320	400～460	580～660

上述方法A中螺母采用低碳钢和螺栓采用中碳钢的材料软硬配置可用提供螺母经热处理后使钢料维氏硬度≤160HV来替代（见实施例4）。

采用上述螺纹挤压防松紧固连接方法所需的螺纹挤压防松紧固连接系统,包括螺母和螺栓；其特征是:提供螺母和螺栓螺纹牙型新设计、或/和设计硬度有差异的螺母与螺栓产品材料，以利于螺母和螺栓连接时螺纹挤压变形紧固，且获得变形紧固时的低止旋扭矩。

上述螺纹挤压防松紧固连接系统为下述A，B，C三种之一：A.螺母和螺栓螺纹牙型新设计、软硬配置的螺母与螺栓材料和螺母新尺寸三者均具有（见实施例1）；B.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和软硬配置的螺母与螺栓材料两者均具有（见实施例2）；C.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和螺母新尺寸两者均具有（见实施例3）；各种公称直径、螺母和螺栓螺纹牙型新设计、软硬配置的螺母与螺栓材料、螺母新尺寸为表2中序号1-5的取值范围。表2 ｍｍ

序号	1	2	3	4	5
						公称直径D	10	12	16	20	22
螺母和螺栓螺纹牙型新设计：
						螺栓螺纹牙底宽ｂ1	0.2～0.3	0.2～0.3	0.2～0.3	0.2～0.3	0.2～0.3
螺栓螺纹牙高h1	0.56～0.58	0.56～0.58	0.70～0.72	0.70～0.72	0.70～0.72
						螺栓牙尖半径R1	1.8～2.2	1.8～2.2	1.8～2.2	1.8～2.2	1.8～2.2
螺母螺纹牙厚t₂	1.8～2.1	1.8～2.1	2.2～2.5	2.2～2.5	2.2～2.5
						螺母螺纹牙厚t₂	1.8～2.1	1.8～2.1	2.2～2.5	2.2～2.5	2.2～2.5
螺母螺纹牙底半径R2	0.25～0.3	0.25～0.3	0.25～0.3	0.25～0.3	0.25～0.3

螺母螺纹牙高h2	0.58～0.60	0.58～0.60	0.72～0.75	0.72～0.75	0.72～0.75
						螺母牙型角α₂	70°～80°	70°～80°	70°～80°	70°～80°	70°～80°
软硬配置的螺母与螺栓材料：
						螺栓材料	中碳钢	中碳钢	中碳钢	中碳钢	中碳钢
螺母材料	低碳钢	低碳钢	低碳钢	低碳钢	低碳钢
						螺母新尺寸：
螺母壁厚B2	3～5	3～5	4～6	6～8	6～8
						螺母高度H2	12～15	12～15	25～28	32～35	35～38

上述系统A或B中，螺栓材料中碳钢选用35Cr；螺母材料低碳钢选用08AL。（见实施例1）。上述系统A中，螺栓材料中碳钢和螺母材料低碳钢的配置可用提供螺母产品维氏硬度≤160HV来替代（见实施例4）。

本发明有益效果:

1）本发明是采用控制扭矩使螺母和螺栓的螺纹相互挤压，螺母螺纹发生变形实现紧固连接。其连接后抗振防松能力及疲劳强度远高于现有常规标准件高强度等级10.9级螺栓的连接。见图9，当扭矩M达到规定的止旋扭矩时，螺纹发生挤压，螺母螺纹2A处均变形，螺栓螺母形成无缝隙挤压连接。2）螺栓选用硬度、强度较高的材料，螺母选用硬度较低的材料；同时设计螺母螺纹厚t2比螺栓螺纹厚度t1更大，由此在安装扭紧过程中，当扭力达到规定值时，较软螺母的螺纹会发生挤压变形，此时螺纹变形区会无间隙完全嵌入螺母螺纹中锁死。在振动条件下，螺栓、螺母不会发生相对运动达到防松目的。见图10，现有常规的螺母2N和螺纹1N拧紧后相互啮合，没有变形，两螺纹间有缝隙3N。振动条件下螺栓、螺母易产生相对运动，导致松动。3）与常规螺栓相比，采用螺栓螺纹牙高h1减小、牙厚t1增厚、牙底宽ｂ1加宽，使连接系统受力面积增加、承受应力大大减小，提高了疲劳强度及连接系统的使用寿命，同时安装更加容易、快捷。4）采用螺母壁厚B2及高度H2较同规格常规螺母均有增加，使螺母受力范围增加，大大提高了连接系统承受高载荷能力，以达到提高连接强度及疲劳性能的目的。5）安装工具只需一只扭矩扳手，简单便捷。6）本发明可以达到现有拉铆钉的利用变形后的紧固效果，但又解决了冷拉铆接存在的安装工具占用空间大、拆卸复杂、成本高的问题。即聚集了冷拉铆钉的固紧效果和螺栓连接简单的优点，是安装及拆卸快捷的高性能紧固连接系统，可广泛用于铁路、重载汽车、船舶、矿山机械等各种连接场合，特别是用在在冷拉铆接的铆接工具存在干涉问题、复杂工具运输困难问题等难以完成安装的场合，可替代拉铆钉。7）试验数据：本发明实施例1中公称直径为16mm与同规格现有螺拴螺母连接系统性能比较见表3。

表3

通过表3试验数据可以充分看出，本发明采用控制拧紧止旋扭矩和提供牙型和材料等新设计，实现螺纹变形锁紧的方法和系统可以大大提高螺纹连接的防松性能。

(四)附图说明：

图1螺纹挤压防松紧固连接方法步骤1)示意图。

图2螺纹挤压防松紧固连接方法步骤2)示意图。

图3螺纹挤压防松紧固连接方法步骤3)示意图。

图4螺纹挤压防松紧固连接方法步骤4）示意图。

图5螺栓单件外形图。

图6图5局部放大图Ⅰ（螺栓螺纹牙型）。

图7螺母单件剖视图（螺母尺寸）。

图8图7局部放大图Ⅱ（螺母螺纹牙型）。

图9用实施例1提供的材料、牙型、螺母尺寸及对应的止旋扭矩M3的条件下，螺栓和螺母间螺纹啮合变形状态图。

图10现有常规标准件螺栓和螺母间螺纹啮合状态图。

(五)具体实施方式：

实施例1：。

本实施例1提供的螺纹挤压防松紧固连接方法是A.螺母和螺栓螺纹牙型新设计、螺母与螺栓材料软硬配置和螺母新尺寸三者共同作用获得的止旋扭矩M₁。对应螺纹挤压防松紧固连接系统也是A.螺母和螺栓螺纹牙型新设计、螺母与螺栓材料软硬配置和螺母新尺寸三者均具有。

见图1--图4，本实施例1螺纹挤压防松紧固连接方法有如下步骤：

1）见图1，将螺拴1从两被连件4、3前侧A插入安装孔4.1。2）见图2，将螺母2从两被连件后侧B旋在螺拴1外。3）见图3，用扭矩扳手5将螺母2旋压在后被连件3表面，并旋紧。4）见图4，继续用扭矩扳手5旋紧螺母2，观看扭矩扳手上标示的扭矩数值M达到表4中止旋扭矩M1数值，便停止旋紧，安装完成。不同规格连接系统中不同止旋扭矩M1的数值如下述表4：

表4

从表4可以看出获得的止旋扭矩M₁是表1止旋扭矩数值范围M₀的下限值。

见图5、图6、图7、图8，本实施例1螺纹挤压防松紧固连接系统,采用的螺母和螺栓的螺纹牙型新设计、软硬配置的螺母和螺栓的材料和螺母新尺寸如表5中序号1-5所示。

表5 ｍｍ

见图9，采用本实施例1提供的公称直径D=16mm的牙型、材料、螺母尺寸及对应的止旋扭矩M1=305N.m的条件下，螺纹发生挤压、螺栓螺母形成无缝隙挤压连接、挤压锁死时螺纹形式。可见图9中标示2A处均为螺母螺纹变形处。从图9中还可以看出螺母螺纹牙厚t₂大于螺栓螺纹牙厚t₁。

本实施例1防松性最强（见表3）疲劳强度、连接强度、使用寿命均高，是本发明最优化的方案。

实施例2：

本实施例2提供的螺纹挤压防松紧固连接方法是B.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和螺母与螺栓材料软硬配置两者共同作用获得止旋扭矩M2数值。相应提供的螺纹挤压防松紧固连接系统是B.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和软硬配置的螺母与螺栓材料两者均具有。

实施例2除以下特征外，其于与实施例1完全相同。

本实施例2螺纹挤压防松紧固连接方法中止旋扭矩M2的取值如下述表6：

表6

从表6可以看出获得的止旋扭矩M₂是表1止旋扭矩数值范围M₀的下限值。

本实施例2螺纹挤压防松紧固连接系统,采用的螺母和螺栓的牙型新设计、螺母和螺栓材料软硬配置与实施例1中完全相同，见表5，这里不再重复描述。

本实施例2螺母尺寸为现有标准10级螺母尺寸，可见国标。这里以公称直径D=16mm为例：螺母壁厚B2≤4mm，螺母高度H2≤25mm（见表3）。

本实施例2因螺母尺寸采用现有10级标准件螺母的尺寸，虽然疲劳强度及使用寿命比实施例1稍微低一点，但依然具有较好防松性能。

实施例3：

本实施例3提供的螺纹挤压防松紧固连接方法为C.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和螺母新尺寸两者共同作用获得止旋扭矩M3数值。其对应螺纹挤压防松紧固连接系统为C.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和螺母新尺寸两者均具有。

实施例3除以下特征外，其于与实施例1完全相同。

螺纹挤压防松紧固连接方法步骤中止旋扭矩M3数值为表7中数值。

表7

从表7可以看出获得的止旋扭矩M₃是表1止旋扭矩数值范围M₀的上限区值。

本实施例3螺纹挤压防松紧固连接系统,采用的螺母和螺栓的牙型新设计和螺母新尺寸与实施例1中完全相同，见表5，这里不再重复描述。

本实施例3采用材料为现有标准件10.9级螺栓材料配10级螺母材料，可见国标。现有标准件螺栓分为8.8级、10.9级、12.9级等，标准件螺母分为8级、10级等。在选择螺栓螺母材料时应使螺母硬度小于螺拴。本实施例3选则的是10.9级螺栓配10级螺母。在实际应用中，10.9级螺栓也可配8级螺母。

本实施例3因选用优化的牙型和螺母尺寸的新设计，有益效果是：①有一定防松动性。②抗疲劳强度大及使用寿命长。③安装容易、快捷。与实施例1比不足之处：因螺母和螺拴材料配置不优化，产生①防松动性稍弱。②止旋扭矩M3大一些，操作难度稍大。但可以选择更优化的现有标准件螺栓和螺母材料的配合等级以增强防松性和降低止旋扭矩M3。

实施例4：

本实施例4提供的螺纹挤压防松紧固连接方法是螺母和螺栓螺纹牙型新设计、螺母经热处理后使钢料维氏硬度≤160HV和螺母新尺寸三者共同作用获得的止旋扭矩M4数值。对应螺纹挤压防松紧固连接系统也是：螺母和螺栓螺纹牙型新设计、螺母经热处理后使钢料维氏硬度≤160HV和螺母新尺寸三者均具有。

实施例4除以下特征外，其于与实施例1完全相同。

螺纹挤压防松紧固连接方法步骤中止旋扭矩M4数值为表8中数值。

表8

表8中获得的止旋扭矩M4数值处于表1中止旋扭矩数值范围M0的中下区数值。

本实施例4螺纹挤压防松紧固连接系统,采用的螺母和螺栓的牙型新设计和螺母新尺寸与实施例1中完全相同，见表5，这里不再重复描述。

Claims

1.螺纹挤压防松紧固连接方法，包括步骤：1）将螺拴（1）从两被连件前侧A插入安装孔；2）将螺母（2）从两被连件后侧B旋在螺拴外；其特征是增设如下步骤：3）用扭矩扳手（5）将螺母旋压在后被连件（3）表面，并旋紧；4）继续用扭矩扳手旋紧螺母；观看扭矩扳手上标示的扭矩数值达到使螺母螺纹与螺栓螺纹处于挤压变形状态的止旋扭矩，便停止旋紧，防松紧固连接方法完成；且挤压变形状态是通过螺母和螺栓螺纹牙型新设计、或/和设计螺母与螺栓产品材料的硬度有差异的方法来实现的。

2.按权利要求1所述防松紧固连接方法，其特征是:所述止旋扭矩M0获得的的方法为下述A，B，C三种之一：A螺母和螺栓螺纹牙型新设计、螺母与螺栓材料软硬配置和螺母新尺寸三者共同作用获得的止旋扭矩；B螺母和螺栓螺纹牙型新设计和螺母与螺栓材料软硬配置两者共同作用获得止旋扭矩；C螺母和螺栓螺纹牙型新设计和螺母新尺寸两者共同作用获得止旋扭矩；各种公称直径、螺母和螺栓螺纹牙型新设计、螺母与螺栓材料软硬配置、螺母新尺寸和获得的止旋扭矩数值范围M0为表1中序号1-5的数值范围；表1 ｍｍ

。

3.按权利要求2所述防松紧固连接方法；其特征是:所述方法A中螺母采用低碳钢和螺栓采用中碳钢的材料软硬配置用提供螺母经热处理后使钢料维氏硬度≤160HV来替代。

4.按权利要求1所述螺纹挤压防松紧固连接方法所需的螺纹挤压防松紧固连接系统,包括螺母和螺栓；其特征是:提供螺母和螺栓螺纹牙型新设计、或/和设计硬度有差异的螺母与螺栓产品材料，以利于螺母和螺栓连接时螺纹挤压变形紧固，且获得变形紧固时的低止旋扭矩。

5.按权利要求4所述防松紧固连接系统,其特征是:所述防松紧固连接系统为下述A，B，C三种之一：A.螺母和螺栓螺纹牙型新设计、软硬配置的螺母与螺栓材料和螺母新尺寸三者均具有；B.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和软硬配置的螺母与螺栓材料两者均具有；C.螺母和螺栓螺纹牙型新设计和螺母新尺寸两者均具有；各种公称直径、螺母和螺栓螺纹牙型新设计、螺母与螺栓材料软硬配置、螺母新尺寸为表2中序号1-5的取值范围；

表2 ｍｍ

。

6.按权利要求5所述防松紧固连接系统；其特征是:所述系统A或B中，螺栓材料中碳钢选用35Cr；螺母材料低碳钢选用08AL。

7.按权利要求5所述防松紧固连接系统；其特征是:所述系统A中，配置的螺栓材料中碳钢和螺母材料低碳钢用提供螺母产品维氏硬度≤160HV来替代。