CN219795815U - 一种自锁紧变螺距防松螺母 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种自锁紧变螺距防松螺母，包括螺母本体，螺母本体内设置有螺纹段；以及六角法兰面，六角法兰面设置在螺母本体一侧端面上；其中，螺纹段中的螺纹间距从防松螺母靠近六角法兰面的一侧到防松螺母的另一侧逐渐增大。本实用新型提供的螺母，当自锁紧变螺距防松螺母与标准螺栓啮合时工作时，自锁紧防松螺母自下而上的每圈螺纹都会产生径向的变形，使得螺母与螺栓螺纹间的间隙减小，每圈螺纹牙能够更加平均地承载，提高了螺纹联接预紧力，实现自锁防松功能。

Description

一种自锁紧变螺距防松螺母

技术领域

本实用新型属于机械基础零部件技术领域，具体为一种自锁紧变螺距防松螺母。

背景技术

在当今社会中，任何一部机械结构都是由许多零部件以一定的方式联接而成的，螺纹联接便是最常用的一种联接方式。迄今为止，作为最普遍的一种连接方式之一，螺纹连接在航空航天领域、装备制造业、轻工业、医疗领域、交通运输业中大量使用并被广泛运用到各种机械结构中。螺纹连接作为紧固手段由来已久，可以追溯到1457年制造的一个勇士头盔上固定羽饰的螺栓螺母[陈晓东.双螺母防松振动性能分析与研究[J].价值工程,2011,030(024):37.]。在随后的发展中出现了威氏螺纹、赛勒氏螺纹等标准，最终在1962年一统于ISO公制螺纹[杜春涛.薄壁大螺纹装配过程力学分析与实验研究[D].中国工程物理研究院,2014.]。统一标准后的螺纹连接具有良好的互换性，加之具有连接力大、结构紧凑、拆卸方便等特点，逐渐在各领域机械结构的连接中被大量地应用。目前一架波音747飞机上的螺纹紧固件数目有250万之多[何竞飞，汤涛，汪成生.交变横向载荷下螺栓联接自松弛有限元研究[J].现代制造工程，2016(3)：1-6.]，相比于其他传统连接方式结构机，螺纹连接具有可拆卸、易维修等优点。

然而，在生产生活中发现螺纹连接在载荷周期往复、振动较为频繁、高速、重载等工况下容易发生松动[翟斌.往复式压缩机传动机构故障建模与分析[D].2017.]。在以高速、精密、重载为重要发展标志之一的现代机械中，螺纹联接件的松动、松脱将造成设备工作可靠性降低，尤其是汽车、火车、飞机、汽轮机、发动机、核反应堆等一些关键部位的螺纹联接一旦失效，将造成严重的后果。轻则使机械设备发生故障，重则“机毁人亡”。根据有关资料统计，世界各国因紧固件松动、松脱所造成的直接经济损失达数十亿元以上。因此，随着工业化的发展，各领域机械装备日益高速化、高精密化、复杂工况的需求与螺纹连接这一特点的矛盾愈发突出。螺纹紧固件联接的防松问题变得越来越突出，提高螺纹联接的防松性能是一个迫切而又严重的研究课题。

螺纹联接松动的根本原因在于剩余预紧力的降低，通过改变螺母螺距，改善螺纹牙工作时的受力分布与形变，可以增强螺纹联接的剩余预紧力，提高防松性能，这对工业的可靠性、安全性发展具有重大意义。

影响螺纹连接松动的因素有很多，诸如螺栓预紧力、工作载荷、被连接件尺寸等，在对其长期的研究中并没有形成统一的理论[翟斌.往复式压缩机传动机构故障建模与分析[D].2017.]。因此，开展螺纹连接松动机理的相关理论研究，针对具体工况建立螺纹连接的力学模型并且根据该力学模型提出针对性的防松方法的研究是及其必要的。

螺纹松动现象很早就引起了国内外许多专家学者的注意。从最初设立螺纹连接防松的课题开始探究螺纹连接松动影响因素已有80年左右，但是由于一方面螺纹连接松动的影响因素很多，而且松动的过程是非线性的，其中包含材料非线性和接触非线性，另一方面，松动过程具有跨尺度效应的特点，后期宏观的松动易于观察，前期的初始松动难于监测，所以对于螺纹连接松动机理研究至今仍然受到重视而且没有形成一个统一的理论。早在1945年，Goodier、Sweeney[杨国庆.固定结合面的螺栓连接工艺设计理论与方法研究[D].西安交通大学,2013]等通过实验研究了轴向振动下的螺纹连接结构的松动机理。其研究结果指出，承受轴向振动载荷的螺纹连接，螺纹连接宏观松动是由于内螺纹直径变小而外螺纹直径变大导致的。该研究虽然指出了承受轴向振动载荷是能宏观观测到螺纹连接松动的直接原因，但是其松动的机理并不清楚。

南佛罗里达大学机械工程系的J.A.Sanclemente,D.P.Hess[Sanclemente J A,Hess D P.Parametric study of threaded fastener loosening due tocyclictransverse loads[J].Engineering Failure Analysis,2007,14(1):239-249.]通过嵌套因子实验对承受横向交变载荷的螺栓连接做了研究。他们将预紧力、螺栓材料弹性模量、螺杆公称直径、螺距、孔轴配合和螺栓头结合部、螺纹啮合部以及螺母结合部润滑这些螺栓松动因素做了64组嵌套因子试验，并以螺栓预紧力的损失为螺栓松动的表征，定义损失预紧力与初始预紧力之比为振动响应值，量化了这些指标对螺纹松动的影响。试验结果显示大的预紧力、低的螺栓材料弹性模量、大直径螺栓杆、有润滑、紧配合和细牙螺纹不利于螺栓连接松动。在早些时候，即使假设了接触面的接触状态也难以通过其他的方法佐证其正确性。随着计算机性能的提升，可以使用有限元方法有效地研究现今仍然不能在实验中直接监测的接触状态的变化。

南佛罗里达大学机械工程系的N.G.Pai和D.P.Hess[Pai N G,Hess DP.Experimental study of loosening of threaded fasreners due to dynamicshearloads[J].sound&vibration,2002,253(3):585-602]通过对前人有关螺纹连接松动机理实验结果的分析提出，螺纹啮合面部分和螺栓头接触面部分的完全滑移或局部滑移是引起螺纹连接松动的重要原因。他们使用有限元方法建立了螺纹连接有限元模型，设计了仿真实验，证明了在承受相对较低的剪切载荷的工况下，局部滑移是螺栓松动原因的这一结论。

空军工程大学王葳、徐浩等人[王崴,徐浩,马跃,等.振动工况下螺栓连接自松弛机理研究[J].振动与冲击,2014,33(22):198-202.]使用ANSYS有限元软件建立了带有螺纹的单螺栓连接有限元模型，设计了螺栓的初始预紧力、螺纹啮合面摩擦因数、螺栓头承压面摩擦因数、螺母承压面摩擦因数、连接物之间摩擦因数和横向激励幅值六个因素对螺栓对在横向激励下螺栓的松动影响的仿真实验。在建模过程中，采取“降温法”加载螺栓预紧力。仿真结果表明：承受横向振动载荷的螺栓连接完全滑移在螺纹啮合处先发生；螺栓的初始预紧力越大、螺纹啮合面及螺栓头、螺母承压面摩擦因数越大，横向激励幅值越小螺栓连接松动越不易发生。

日本信州大学、信州旭化成株式会社若里、长野[Kasei S.A Study of Self-Loosening of Bolted Joints Due to Repetition of Small Amount ofSlippage atBearing Surface[J].Journal of Advanced Mechanical Design Systems&Manufacturing,2007,1(3):358-367.]研究了由于螺栓连接支撑面微小滑移对螺栓自松弛的影响，他们基于螺栓杆弹性扭转产生的恢复力使螺纹连接旋转松动的假设，提出了一种有关能量的螺纹连接松动理论。他们设计了M10和M10x1.25的螺栓试件准静态状态下的实验，证明了螺纹之间和支撑面之间消耗功是影响螺纹连接松动的影响因素之一。基于实验结果，他们认为阻碍啮合螺纹之间和支撑面之间的相对滑移是螺栓连接防松的重要途径，比如在防松要求比较高的场合使用带有锁紧装置的六角螺母。

中南大学的何竞飞[何竞飞，汪成生，汤涛.轴向偏心交变载荷作用下螺纹副滑移研究[J].机械科学与技术，2015，34(8)：498-503.]等通过有限元软件分析了承受横向交变载荷下的螺栓螺母啮合螺纹的微观滑移，指出残余预紧力的下降和螺母的旋转松动是螺栓连接松动失效的原因。何竞飞等利用解析法研究了偏心载荷作用下螺纹连接件的螺纹副沿螺旋线的载荷分布规律，并在螺栓连接振动试验台上开展了滑移试验，结合有限元分析计算，得出在轴向偏心交变载荷下，偏心距越大，滑移力的范围和滑移力的角度越大的结论。螺纹承载不均匀可能是螺纹松动的重要影响因素之一。

陈海平[陈海平,曾攀,方刚,等.螺纹副承载的分布规律[J].机械工程学报,2010,046(009):171-178]等利用解析法、光弹试验法和有限元法研究了螺纹副的承载分布情况，系统地考察了螺纹类型、啮合扣数等因素的影响，研究发现螺纹副载荷主要集中在前三扣螺纹牙。

三峡大学的方子帆、吴行[方子帆,吴行,曹钢,等.动态组合载荷作用下螺栓连接结构松动机理研究[J].机械强度,2017(2):386-391.]等通过有限元仿真分析研究了动态拉压和剪切组合载荷工况下随动装置回转机构的螺纹紧固连接发生松动的现象。研究发现螺纹连接松动时，螺栓扭转变形、连接件竖直变形、滑移量比不松动时大；当受载方向不确定时，不建议使用弹簧垫片；增加螺栓个数有利于防止松动。但是没有研究分析多个螺栓分布、预紧等因素对松动的影响。针对工程实际中受载情况比较复杂的螺纹连接，石家庄铁道大学的沈英明、杜彦良[方子帆,吴行,曹钢,等.动态组合载荷作用下螺栓连接结构松动机理研究[J].机械强度,2017(2):386-391.]等从螺纹连接结构的初始变形、轴向载荷对螺纹连接结构的作用、横向载荷对螺纹连接结构的作用三个方面总结归纳了螺纹连接松动的主要原因。螺纹连接由于螺纹啮合面、支承面、被连接件接触面产生的初始变形导致预紧力小幅度下降，发生初始松动；循环的轴向载荷使啮合螺纹面产生相对滑动，导致螺纹连接松动；循环的横向载荷也会使得啮合螺纹面产生相对滑动，导致螺纹连接松动。

北京理工大学机械与车辆学院的侯世远、廖日东[侯世远,廖日东.螺纹联接松动过程的研究现状与发展趋势[J].强度与环境,2014(2):39-52.]提出了与螺栓预紧力相区别的螺栓张紧力的概念。螺栓张紧力是螺栓在工作状态下因为弹性伸长而产生的弹性恢复力，有压紧被紧固件的作用。他们认为螺栓的张紧力是螺栓连接防松的关键，而预紧力只是螺栓在预紧结束时的张紧力，不足以描述若干循环后的螺纹松动[侯世远.螺纹联接松动机理研究[D].北京理工大学,2015.]。张紧力是螺栓所受到的轴向力，是一个随着时间变化的力，而预紧力仅仅是预紧加载后那一刻的力。

综上，以上研究中均无法得到满足人们使用需求的防松螺母。

项知火等在中国发明公开专利CN104110433A中公开了“一种自动锁紧防松螺母”，包括设有螺纹孔的螺母本体，所述螺母本体一端设有向外延伸的环形凸台，所述环形凸台的环形孔内固定有环形的弹性锁紧片，所述环形的弹性锁紧片的中心孔与螺纹孔同心，所述弹性锁紧片的内径小于螺纹孔的内径。所述锁紧片的内表面设有向孔心径向凸出的凸出部。螺母本体上还设有法兰部，所述法兰部的端面上设有连续的辐射状防滑齿。该方案通过弹性锁紧片来实现锁紧，但其所受应力会集中于前三个螺纹牙，容易发生螺母松动。且其在法兰面增设的防滑齿容易划伤紧固件表面，且防滑齿加工难度高，增大了螺母制作成本。同时防滑齿的增设降低了螺母与紧固件的接触面积，会降低螺母的防松性能。

实用新型内容

为了解决现有技术中螺母容易发生松动的问题，本实用新型提供了一种自锁紧变螺距防松螺母，通过将螺纹段的螺距防松螺母的顶面到底面方向逐渐增大，能够有效改善螺纹牙受力分布，使得可以避免螺母所受应力集中于前三个螺纹牙，提高螺母的防松性能。

为实现上述目的，本实用新型提供的一种自锁紧变螺距防松螺母，螺母本体，螺母本体内设置有螺纹段；以及

六角法兰面，六角法兰面设置在螺母本体一侧端面上；

其中，螺纹段中的螺纹间距从防松螺母靠近六角法兰面的一侧到防松螺母的另一侧逐渐增大。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述螺母本体为一体成型。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述六角法兰面为凸出的圆台状结构。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述自锁紧变螺距防松螺母的六角法兰的直径大于螺母本体外壁所在的直径。

作为本实用新型一种优选的技术方案，螺母本体的外表面镀有防锈涂层。进一步优选地，所述防锈涂层的材料可以选择氧化铁红。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述六角法兰面的外表面镀有防锈涂层。进一步优选地，所述防锈涂层的材料可以选择氧化铁红。

作为本实用新型一种优选的技术方案，所述自锁紧变螺距防松螺母螺纹段内螺纹按单侧面等螺旋升角将标准螺纹以此切削。

与现有技术相比，本实用新型至少能够实现以下有益效果：

(1)螺纹联接松动的根本原因在于剩余预紧力的降低，本实用新型通过改变螺母螺距，以改善螺纹牙工作时的受力分布与形变，可以增强螺纹联接的剩余预紧力，提高防松性能，这对工业的可靠性、安全性发展具有重大意义。

(2)本实用新型通过改变标准螺母的螺距，对标准螺母单侧螺纹牙按等量递增进行螺纹切削，切削后使螺母从靠近顶面的螺纹间距到靠近底面的螺纹间距逐渐增大。当自锁紧变螺距防松螺母与标准螺栓啮合时工作时，自锁紧防松螺母自下而上的每圈螺纹都会产生径向的变形，使得螺母与螺栓螺纹间的间隙减小，每圈螺纹牙能够更加平均地承载，提高了螺纹联接预紧力，实现自锁防松功能。

(3)此螺母能够生产用于复杂工况(高温、高腐蚀等)下的极端工况，无需考虑垫圈材料的使用和配合。

(4)本发明所提供的一种自锁紧变螺距防松螺母，无需增加其他配件，且节省了垫圈的生产成本，易于实现的，且可以进行规模化生产，可在工业螺纹连接结构中广泛应用。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例中提供的的一种自锁紧变螺距防松螺母结构示意图。

图2为图1中A向的结构示意图。

图3为本实用新型与标准螺栓啮合时的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、图2所示，本实用新型提供的一种自锁紧变螺距防松螺母100，包括螺母主体1、螺纹段2以及六角法兰面3。所述螺母主体1内设有所述螺纹段2，且所述螺纹段2中的螺纹间距从防松螺母靠近所述六角法兰面3的一侧到防松螺母的另一侧逐渐增大，所述六角法兰面3设置在所述螺母主体1的一侧端面上，所述六角法兰面3能够增大支撑面积与应力面积，提高了防松性能。

在本实用新型其中的一些实施例中，所述螺母本体1为一体成型。

在本实用新型其中的一些实施例中，所述六角法兰面3为凸出的圆台状结构。且所述六角法兰面3直径大于螺母本体1外壁所在的直径。

在本实用新型其中的一些实施例中，如图3所示，根据工件300和工件400的孔径和受力情况，可以确定螺母的直径、螺距、螺纹长度。螺纹段2由标准螺母螺纹经单侧螺纹牙按等量递增进行螺纹切削，切削后使螺母从靠近顶面的螺纹间距到靠近底面的螺纹间距逐渐增大。当自锁紧变螺距防松螺母100与标准螺栓200啮合时工作时，螺母螺纹牙未切削一侧与螺栓相触。螺母螺纹牙切削侧因间隙不同，在受载过程中由于产生径向变形而逐步相触从而改变了螺母的受力分布，每圈螺纹牙能够更加平均地承载，提高了螺纹联接剩余预紧力，实现自锁防松功能。

在本实用新型其中的一些实施例中，螺母主体1与六角法兰面3的外部均电镀有防锈涂层，通过电镀的防锈涂层可以增加螺母主体1与六角法兰面3耐锈和抗腐蚀性，提高该自锁紧变螺距防松螺母的使用寿命。在本实用新型其中的一些实施例中，螺母主体1与六角法兰面3的防锈涂层的材料为氧化铁红。可以理解的是，在其他实施例中，也可以采用其他防锈材料。

本实用新型无需填加其他配件，节省了垫圈的生产成本。本实用新型可以大批量规模化生产，且易于实现，可在工业螺纹连接结构中广泛应用。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：包括：

螺母本体(1)，螺母本体(1)内设置有螺纹段(2)；以及

六角法兰面(3)，六角法兰面(3)设置在螺母本体(1)一侧端面上；

其中，螺纹段(2)中的螺纹间距从防松螺母靠近六角法兰面(3)的一侧到防松螺母的另一侧逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：所述螺母本体(1)为一体成型。

3.根据权利要求1所述的自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：所述六角法兰面(3)为凸出的圆台状结构。

4.根据权利要求1所述的自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：所述六角法兰面(3)直径大于螺母本体(1)外壁所在的直径。

5.根据权利要求1所述的自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：螺母本体(1)的外表面镀有防锈涂层。

6.根据权利要求5所述的自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：螺母本体(1)上的所述防锈涂层的材料为氧化铁红。

7.根据权利要求1所述的自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：六角法兰面(3)的外表面镀有防锈涂层。

8.根据权利要求7所述的自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：六角法兰面(3)上的所述防锈涂层的材料为氧化铁红。

9.根据权利要求1所述的自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：所述六角法兰面(3)用于增大支撑面积与应力面积。

10.根据权利要求1-9任一所述的自锁紧变螺距防松螺母，其特征在于：螺纹段(2)由标准螺母螺纹经单侧螺纹牙按等量递增进行螺纹切削制得。