CN108443300A - 一种可防止松动的螺纹联接件 - Google Patents

一种可防止松动的螺纹联接件 Download PDF

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Abstract

一种可防止松动的螺纹联接件，由螺栓(01)、内齿垫圈(02)、垫圈(03)、螺母(04)、盖(05)、轴用弹性挡圈(06)、销(07)、有肩销(08)组成。螺栓(01)装入工件1(09)、工件2(10)后，依次装入具有不同圆心角销孔的内齿垫圈(02)、垫圈(03)、螺母(04)，在内齿垫圈(02)、垫圈(03)的相应销孔中装入销(07)，在垫圈(03)、螺母(04)的相应销孔中装入有肩销(08)，在螺母(04)上装入盖(05)和轴用弹性挡圈(06)，用内齿垫圈(02)和螺母(04)的圆心角差〖A&C〗，初步找到最小圆心角差，尔后再用螺母(04)和垫圈(03)的圆心角差〖C&B〗进一步减小圆心角差。使螺母(04)最终在所需扭矩的范围内，销紧工件并可靠防松。

Description

一种可防止松动的螺纹联接件
技术领域
本发明涉及一种可防止松动的螺纹联接件(以下简称为防松联接件)，确切的说是一种紧固件或固定构件和机器零件用的可拆卸器件。在国际专利分类表中分类为F16A2。
背景技术
螺纹联接件在各行各业早已得到普遍的使用，但在某些设备的重要部位上，除联接作用外，还必须满足使用中不可以松动的要求。为此，防松联接件应运而生。现行的防松联接件，有的加工制造复杂，有的材质和热处理要求较高，有的价格偏高，有的可靠性较差。本发明的目的就是研发一种工作安全可靠，加工制造简单，价格相对低廉的防松联接件。
发明内容
一.结构概述
1.对普通螺纹联接件松动原因的分析
普通螺纹联接件工作时大多靠摩擦力来防止松动，在复杂的工作环境中，常常会因高温、震动、交变负荷等原因，造成摩擦力不足，而产生松动。
2.设计思想
要使防松联接件可靠的防止松动，就必须突破它在工作时靠摩擦力来防止松动的传统。我们发现，用销来联接相关零部件，用销的抗剪切力较大的特性，来防止零件间的相互转动，是一种非常可靠的联接方式。
根据螺纹联接的特性，紧固后螺母与螺栓的相对转动角度是随机的，没有任何关联，通常，只用扭矩作为指标。
本发明的设计思想是：将零件安装就绪，并初步旋紧螺母后，在扭矩允许的范围内，将螺母再转动一个较小的角度，最终用销固定相关零件。
具体任务就是：创建形成这个较小角度的具体结构。
这个结构的原理是：两个同心安装的零件，它们的销孔具有相同的分度圆直径，但有不同的销孔圆心角，在这两个零件中的诸多销孔间，找到具有最小圆心角差的对应销孔，用销锁定，起到防松的作用。
我们设计的防松联接件，核心零件由内齿垫圈、垫圈和螺母组成。其中内齿垫圈和垫圈的销孔形成第一级圆心角差，能够初步减小圆心角差，垫圈和螺母的销孔形成第二级圆心角差，是在第一级圆心角差的基础上，再次细分后，得到的较小圆心角差，可使螺母最后旋转到对齐螺母和垫圈的对应销孔时，所需要旋转的角度较小，换言之：就是所需的旋转力矩在扭力允许的公差范围内。
3.结构设计
防松联接件由螺栓(01)、内齿垫圈(02)、垫圈(03)、螺母(04)、盖(05)、轴用弹性挡圈(06)、销(07)、有肩销(08)组成。
螺栓(01)装入工件1(09)、工件2(10)后，依次装入内齿垫圈(02)、垫圈(03)、螺母(04)，在内齿垫圈(02)、垫圈(03)的相应销孔中装入销(07)，在垫圈(03)、螺母(04)的相应销孔中装入有肩销(08)，在螺母(04)上装入盖(05)和轴用弹性挡圈(06)。
图1是防松联接件的轴侧装配图，图中的序号代表防松联接件相应零件的序号，并添加工件1(09)、工件2(10)的序号。(为了表达清楚，对盖(05)作了半剖。)
图2是防松联接件(未安装工件1、2)的轴侧展开装配图。
二.特征
1.闭环联接
要使防松联接件不产生松动，首先要保证各个零件间形成闭环联接。
这个防松联接件主要的特征就是：在依次安装在螺栓(01)上的，具有不同圆心角销孔的内齿垫圈(02)、垫圈(03)、螺母(04)之间，分别用销依次两两锁定，它们和其它零件一起，形成有效的闭环联接。
1.1.圆周旋转方向的闭环联接
1.1.1.圆周旋转方向的闭环锁定一
螺栓(01)的键槽与内齿垫圈(02)的内齿锁定，使其不能相互转动。
1.1.2.圆周旋转方向的闭环锁定二
用销(07)插入垫圈(03)的基准销孔和内齿垫圈(02)的临时标记销孔进行锁定，使其不能相互转动。
1.1.3.圆周旋转方向的闭环锁定三
用有肩销(08)插入螺母(04)的选定销孔和垫圈(03)的选定销孔进行锁定，使其不能相互转动。
1.1.4.小结
以上三个锁定使螺栓(01)和螺母(04)也被锁定，不能相互转动。形成圆周旋转方向的闭环联接，表示如下：螺栓(01)的键槽→内齿垫圈(02)的内齿→内齿垫圈(02)的临时标记销孔→销(07)→垫圈(03)的基准销孔→垫圈(03)的选定销孔→有肩销(08)→螺母(04)的选定销孔。
1.2.轴向闭环联接
1.2.1.轴向锁定一
通过螺栓(01)和螺母(04)的螺纹紧固作用，将工件1(09)、工件2(10)、内齿垫圈(02)、垫圈(03)轴向锁定，各零件间不能相互轴向移动。
1.2.2.轴向锁定二
盖(05)压紧销(07)和有肩销(08)，使它们不能轴向移动。
安装在螺母(04)的挡圈槽内的轴用弹性挡圈(06)挡住盖(05)，使其不能轴向移动。
1.2.3.小结
两个轴向锁定形成的轴向闭环联接表示如下：螺栓(01)→工件1(09)→工件2(10)→内齿垫圈(02)→销(07)→垫圈(03)→有肩销(08)→盖(05)→轴用弹性挡圈(06)→螺母(04)。
1.3.全闭环联接
圆周旋转方向的闭环联接和轴向闭环联接形成全闭环联接，可防止所有零件的松动。
2.零件特性及参数设计
2.1.螺栓(01)
螺栓(01)的轴侧图如图3所示，可在标准螺栓(01)上再加工键槽来制造。
2.2.内齿垫圈(02)
内齿垫圈(02)的轴侧图如图4所示。
2.2.1.内齿
在内齿垫圈(02)的内孔上加工与螺栓(01)上的键槽相匹配的内齿。
2.2.2.孔数A和分度圆直径Aφ
在内齿垫圈(02)的平面上加工均匀分布的销孔，其孔数用A来表示，A为正整数，分度圆直径用Aφ表示，A和Aφ是防松联接件的初始参数，可根据实际工况选择。
2.2.3.圆心角〖A〗
内齿垫圈(02)的相邻销孔的圆心角(以下简称为圆心角)用〖A〗来表示，即：
2.2.4.刻度线
为方便安装，在内齿垫圈(02)的外圆柱面上对全部销孔的轴向中心线分别作出刻度线。
2.3.螺母(04)
螺母(04)的轴侧图如图5所示。
2.3.1.孔数C和分度圆直径Cφ
在螺母(04)的平面上加工均匀分布的销孔，其孔数用C来表示，C为正整数。且C≠A，分度圆直径用Cφ表示，Cφ是防松联接件的初始参数。
2.3.2.圆心角〖C〗
螺母(04)的圆心角用〖C〗来表示，即：
2.3.3.刻度线
为方便安装，在螺母(04)的外圆柱面上对全部销孔的轴向中心线分别作出刻度线。
2.4.圆心角差〖A&C〗
内齿垫圈(02)的圆心角〖A〗和螺母(04)的圆心角〖C〗间的圆心角差用〖A&C〗来表示。
将①、②式代入〖A&C〗，得到：
2.5.圆心角差〖A&C〗的作用
内齿垫圈(02)的圆心角〖A〗和螺母(04)的圆心角〖C〗间的圆心角差〖A&C〗的作用是：形成第一级圆心角差，初步减小圆心角差。
2.6.优选销孔数C
为了得到最小的〖A&C〗，应对螺母(04)的销孔数C进行优选。
2.6.1.当C＞A时，优选销孔数C
设A和C的销孔数的差为n，当C＞A时，得到：C-A＝n ④
式中n是大于0的正整数，即n＝1、2、…n，式中n＜C。
由④式，得到：C＝A+n ⑤
将④、⑤式代入③式，得到：
分别将n＝1、2、…n代入⑥，得到：
显然，在⑦式中，n＝1时，〖A&C〗最小，故选用n＝1，舍去n的其它值，并将n＝1代入⑥式，得到：
2.6.2.当A＞C时，优选销孔数C。
设A和C的销孔数差为n，当A＞C时，得到：A-C＝n ⑨
式中n是大于0的正整数，即n＝1、2、…n，式中n＜A。
由⑨式，得到：C＝A-n ⑩
将⑨、⑩式代入③式，得到：
分别将n＝1、2、…n代入式，得到：
说明：〖A&C〗是“-”值时，代表〖A&C〗＝〖A〗-〖C〗，〖A&C〗是“-”值时，代表〖A&C〗＝-(〖A〗-〖C〗)＝〖C〗-〖A〗
实际上，〖A〗-〖C〗和〖C〗-〖A〗代表了它们的圆心角差的绝对值是相等的，但是它们旋转方向是相反的。
我们需要的是对比〖A&C〗的角度值，故取式的绝对值，得到：
显然，在式中，n＝1时，〖A&C〗最小，故选用n＝1，舍去n的其它值，并取式的绝对值，将n＝1代入式，得到：
2.6.3.确定销孔数C
比较：⑧和式，得到：显然选取较小值，故舍去式，保留⑧式得到：
将n＝1代入⑤式，得到：C＝A+1
将式代入②式，得到：
2.7.垫圈(03)
垫圈(03)的正面轴侧图如图6所示，反面轴侧图如图7所示。
2.7.1.分度圆直径Bφ1和Bφ2
垫圈(03)有两个分度圆直径，较大的分度圆直径用Bφ1表示，且Bφ1＝Aφ：较小的分度圆直径用Bφ2表示，且Bφ2＝Cφ
2.7.2.基准销孔和销孔数B
在垫圈(03)的分度圆直径Bφ1上，任选一点作为中心点，加工一个销孔，作为基准销孔，并将这个面作为基准面，用“右”长久标记。
然后用这个基准销孔的径向线与Bφ2分度圆的交点作为起始中心点。在分度圆Bφ2的圆周上按照顺时针方向依次加工相等圆心角的销孔，其销孔数用B来表示，B为正整数，B是原始参数，可根据实际工况选择。如图6所示(注意：图中孔的加工顺序分别用1、2…B表示)，在基准面的反面，将这个基准销孔，用“左”长久标记，如图7所示(注意：图中用1、2…B表示的孔号，是在基准面加工的孔，在基准面的反面的投影)。
2.7.3.圆心角〖B〗
垫圈(03)的销孔不是均匀分布的，但是它的第1孔到第n孔之间的每一个相邻的圆心角都相等，用〖B〗来表示，由继承圆心角〖Bjc〗和调整圆心角〖Btz〗组成。(注意：第n孔返回到第1孔的圆心角＝360°-(n-1)〖B〗，而不是圆心角〖B〗)。
2.7.3.1.继承圆心角〖Bjc〗。
定义：垫圈(03)的继承圆心角〖Bjc〗和螺母(04)的圆心角〖C〗相等。
即：继承圆心角：〖Bjc〗＝〖C〗
将式代入式，得到：
2.7.3.2.调整圆心角：〖Btz〗
定义：调整圆心角〖Btz〗为：内齿垫圈(02)和螺母(04)的圆心角差〖A&C〗除以垫圈(03)在Bφ2直径上的销孔数B。
即：
将式代入式，得到：
2.7.3.3.优选圆心角〖B〗
垫圈(03)的圆心角〖B〗有〖B+〗和〖B-〗两种情况，下面分别进行推导：
2.7.3.3.1.推导〖B+〗
定义：〖B+〗＝〖Bjc〗+〖Btz〗
将式代入式，得到：
2.7.3.3.2.推导〖B-〗
定义：〖B-〗＝〖Bjc〗-〖Btz〗
将式代入式，得到：
2.7.3.3.3.确定圆心角B
比较式，得到：显然故舍去式，留用式，得到：垫圈(03)的圆心角：
2.7.4.刻度线
为方便安装，对垫圈(03)的全部销孔在两个端面上的径向中心线和圆柱面上的轴向中心线分别作出刻度线。
2.8.圆心角差〖C&B〗
螺母(04)的圆心角〖C〗和垫圈(03)的圆心角〖B〗的圆心角差用〖C&B〗来表示。则：〖C&B〗＝〖C〗-〖B〗
将式代入式，
得到：
2.9.圆心角差〖C&B〗的作用
螺母(04)的圆心角〖C〗和垫圈(03)的圆心角〖B〗的圆心角差〖C&B〗的作用是：形成第二级圆心角差，即在第一级圆心角差的基础上，再次细分后，得到的较小圆心角差，可使螺母(04)最后旋转到对齐螺母(04)和垫圈(03)对应销孔时，所需要旋转的角度较小，换言之：就是所需的旋转力矩在扭力允许的公差范围内。
2.10.其它零件
盖(05)是普通零件，其轴侧图如图8所示。
轴用弹性挡圈(06)是标准件，如：挡圈GB/T894.1-1996。
销(07)是标准件，如：销GB/T119.1-2000 C型。
有肩销(08)是普通零件，其轴侧图如图9所示。
注意：销(07)和有肩销(08)的直径应和内齿垫圈(02)、垫圈(03)、螺母(04)的对应销孔的孔径相同，可根据实际工况选用用间隙配合、过渡配合或过盈配合。
2.11.成本和推广
在防松联接件的零件中，螺栓(01)和螺母(04)即可使用原零件需用的材料和常规机械加工工艺新制，也可以用标准件改制，内齿垫圈(02)、垫圈(03)、盖(05)和有肩销(08)可使用常规材料和工艺制造，而轴用弹性挡圈(06)和销(07)是标准件，所以整个防松联接件的成本仅略微高于普通螺纹联接件，极易推广使用。
3.防松联接件的安装
防松联接件各零件，按照图1的联接方式依次安装。
3.1.垫圈(03)的安装朝向
安装垫圈(03)时，当螺栓(01)和螺母(04)是右旋螺纹时，垫圈(03)标记“右”的面朝向螺母(04)方向，是左旋螺纹时，垫圈(03)标记“左”的面朝向螺母(04)方向。
3.2.寻找圆心角差〖A&C〗
零件依次安装后，紧固螺母(04)至规定旋转力矩的下限，寻找内齿垫圈(02)的圆心角〖A〗和螺母(04)的圆心角〖C〗间最小的圆心角差〖A&C〗，并临时标记内齿垫圈(02)的相应销孔。
3.3.具体寻找方法及注意事项：
当螺栓(01)和螺母(04)是右旋螺纹时，则在寻找圆心角差〖A&C〗时，应将螺母(04)的销孔中心点：C1点作为起点，顺时针寻找内齿垫圈(02)的销孔中心点：A1点，如图10所示。
当螺栓(01)和螺母(04)是左旋螺纹时，则在寻找圆心角差〖A&C〗时，应将螺母(04)的销孔中心点：C2点作为起点，逆时针寻找内齿垫圈(02)的销孔中心点：A2点，如图10所示。
3.4.锁定垫圈(03)和内齿垫圈(02)
稍微旋松螺母(04)，将垫圈(03)的基准销孔和内齿垫圈(02)的临时标记销孔对齐，插入销(07)，锁定垫圈(03)和内齿垫圈(02)，使其不能相互旋转。
3.5.寻找圆心角差〖C&B〗
再次紧固螺母(04)至规定旋转力矩的下限，寻找螺母(04)的圆心角〖C〗和垫圈(03)的圆心角〖B〗的圆心角差〖C&B〗最小的两孔，都临时标记为为选定销孔，慢慢转动螺母(04)，(右旋螺纹顺时针旋转，左旋螺纹逆时针旋转)使两选定销孔对齐，插入有肩销(08)，锁定螺母(04)和垫圈(03)，使其不能相互旋转。
3.6.安装盖(05)。
3.7.安装轴用弹性挡圈(06)。
3.8.安装完成。
4.两个可选择的替代方案
4.1.第二方案
为了能使用标准的GB螺母，我们设计了以下第二方案，如图11所示。
4.1.1.相关零件的修改
第二方案将单一的螺母(04)改为螺母组件(24)，由标准螺母如GB52-2000(24-01)，垫圈(24-02)，两个标准螺钉如GB/T 819.1-2000 H型(24-03)，两个标准销如GB/T119.1-2000 C型(24-04)组成，其装配图如图13，标准螺母(24-01)是在GB螺母上再加工两个螺纹孔和两个圆柱销孔，如图12所示，垫圈(24-02)，如图13所示。
4.1.2.优缺点
和原方案相比，第二方案的优点是使用标准螺母稍加改制，可降低零件成本，缺点是增加了零件数量，且螺母的强度稍有降低。
4.2.第三方案
上面的设计在大部分场合都适用，但是在某些要求直径尺寸较小的场合，尚需稍作修改，为此，我们设计了以下第三方案，如图14所示。
4.2.1.相关零件的修改
第三方案对零件内齿垫圈(02)、垫圈(03)、盖(05)进行了如下修改。
修改相应图号为内齿垫圈(32)、垫圈(33)、盖(35)。
减小了零件内齿垫圈(32)的外圆直径和销孔的分度圆直径，如图15所示。
减小了零件垫圈(33)的外圆直径和销孔的分度圆直径、取消了基准销孔，将第一孔作为基准销孔，如图16、17所示，取消垫圈(33)全部销孔的两个端面上的径向中心线。
减小了零件盖(35)的外圆直径、增加了原内环的厚度和槽，如图18所示。
4.2.2.优缺点
和原方案相比，第三方案的优点是减小了内齿垫圈(02)、垫圈(03)、盖(05)的外圆直径，缺点是安装较麻烦，需要卸下螺母(34)，才能安装销(07)。
附图说明
图1是防松联接件的轴侧装配图。
图2是防松联接件(未安装工件1、2)的轴侧展开装配图。
图3是螺栓(01)的轴侧图。
图4是内齿垫圈(02)的轴侧图。
图5是螺母(04)的轴侧图。
图6是垫圈(03)的正面轴侧图。
图7是垫圈(03)的反面轴侧图。
图8是盖(05)的轴侧图。
图9是有肩销(08)的轴侧图。
图10是左、右旋螺纹的旋转方向选择示意图。
图11是第二方案的螺母组件(24)的轴侧装配图。
图12是第二方案的螺母组件的标准螺母(24-01)轴侧图。
图13是第二方案的螺母组件的垫圈(24-02)轴侧图。
图14是第三方案的防松联接件的轴侧装配图。
图15是第三方案的内齿垫圈(32)的轴侧图。
图16是第三方案的垫圈(33)的正面轴侧图。
图17是第三方案的垫圈(33)的反面轴侧图。
图18是第三方案的盖(35)的轴侧图。
具体实施方式
1.使用举例
1.1.例一
选取内齿垫圈(02)的销孔数：A＝11，垫圈(03)的销孔数B＝12。
1.1.1.圆心角差〖A&C〗
由式得到：内齿垫圈(02)的圆心角〖A〗和螺母(04)的圆心角〖C〗的圆心角差
1.1.2.圆心角差：〖C&B〗
由式得到：螺母(04)的圆心角〖C〗和垫圈(03)的圆心角〖B〗的圆心角差：
1.2.例二
选取内齿垫圈(02)的销孔数：A＝11，垫圈(03)的销孔数B＝18。
1.2.1.圆心角差〖A&C〗
由式得到：内齿垫圈(02)的圆心角〖A〗和螺母(04)的圆心角〖C〗的圆心角差
1.2.2.圆心角差：〖C&B〗
由式得到：螺母(04)的圆心角〖C〗和垫圈(03)的圆心角〖B〗的圆心角差：
1.3.例三
选取内齿垫圈(02)的销孔数：A＝20，垫圈(03)的销孔数B＝20。
1.3.1.圆心角差〖A&C〗
由式得到：内齿垫圈(02)的圆心角〖A〗和螺母(04)的圆心角〖C〗的圆心角差
1.3.2.圆心角差：〖C&B〗
由式得到：螺母(04)的圆心角〖C〗和垫圈(03)的圆心角〖B〗的圆心角差：
1.4.结论
从以上计算结果来看，计算的精度完全能达到防松联接件联接的技术要求，可根据实际工况选择零件的参数。

Claims (6)

1.一种可防止松动的螺纹联接件，由螺栓(01)、内齿垫圈(02)、垫圈(03)、螺母(04)、盖(05)、轴用弹性挡圈(06)、销(07)、有肩销(08)组成，其特征是：内齿垫圈(02)与螺栓(01)锁定，内齿垫圈(02)和垫圈(03)用销(07)锁定，垫圈(03)和螺母(04)用有肩销(08)锁定。
2.根据权利要求1所述的可防止松动的螺纹联接件的内齿垫圈(02)与螺栓(01)锁定，其特征是：同轴安装的内齿垫圈(02)与螺栓(01)，在内齿垫圈(02)的内孔上有与螺栓(01)上的键槽相匹配的内齿。
3.根据权利要求1所述的可防止松动的螺纹联接件的内齿垫圈(02)和垫圈(03)用销(07)锁定，其特征是：同轴安装的内齿垫圈(02)和垫圈(03)，具有相等分度圆直径的销孔，且与销(07)的直径相同。
4.根据权利要求1所述的可防止松动的螺纹联接件的垫圈(03)和螺母(04)用有肩销(08)锁定，其特征是：同轴安装的垫圈(03)和螺母(04)，具有相等分度圆直径的销孔，且与有肩销(08)的直径相同。
5.根据权利要求1所述的可防止松动的螺纹联接件的内齿垫圈(02)、螺母(04)，其特征是：同轴安装的(02)和螺母(04)，都具有均匀分布的销孔，但有不同的销孔数。
6.根据权利要求1所述的可防止松动的螺纹联接件的垫圈(03)，其特征是：垫圈(03)的销孔是不均匀分布的，它从第1孔到第n孔之间的相邻销孔的圆心角〖B〗是相等的。
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