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螺纹连接松弛的原因及解决方法

2019-04-10  tftmtgh

螺栓连接设计的历史背景:

Junker关于紧固件自松的理论

  • Gerhard Junker 在1969年发布了一篇技术论文,他发现横向动态载荷引起的紧固件自松的情况比仅仅的轴向载荷要明显的多。

  • 出现这种情况的原因是轴向载荷下径向移动的量要比横向载荷产生的移动量小很多。

  • 螺纹副之间,承压端面之间以及受夹紧力的工件之间发生相对位移,会立即引起预加载荷的紧固件的松脱。

Haviland 以及Kerley的研究:

20世纪80年代,来自乐泰(Loctite)公司的 Girard Haviland 以及来自NASA的James Kerley 基于Junker的理论进行了测试。主要结论如下:

1. 横向运动 (也就是他们所说的侧滑) 是紧固件产生松脱的主要原因

2. 低频率-高振幅的横向运动相比较高频率-低振幅的运动更容易引起紧固件的损坏


3. 侧滑是引起紧固件松脱的主要原因,弯曲载荷可能会导致紧固件松脱


如何测试螺栓是否会松脱?

Junker机

  • 为了查找螺纹松脱的真正原因,Junker发明了一台以他名字的测试设备—— “Junker 机”,这台机器可以用来量化松脱的程度以及紧固件设计的稳固性。

  • Junker机的设计原理是通过一个横向的凸轮机构的往复运动来实现对紧固件的动态冲击。

  • 当这些冲击导致紧固件足以克服之间的摩擦力之后,紧固件就会出现自松现象。

加入垫圈能否避免螺栓松脱?

01

六角螺栓的松脱曲线:加入平垫圈

紧固件之中加了平垫片会加快紧固件的松脱。

02

六角螺栓的松脱曲线:加入弹簧垫圈

在紧固件中加入弹簧垫圈会加快紧固件的自松。

03

六角螺栓的松脱曲线:弹簧垫圈加上平垫圈

在原有的弹簧垫圈下加装一个平垫圈做同样的测试,紧固件的轴向载荷会下降的非常迅速。

结论:普通的平垫圈和弹簧垫圈并不能有效防止螺栓松脱。

应该如何避免螺栓松脱?

六角螺栓的松脱曲线:碟形带自锁垫圈和Nord防松垫圈

碟形自锁垫圈和Nord自锁垫圈可以有效地防止螺栓松脱

加了螺纹胶的螺栓可以保持其长时间的螺栓张力(就好比螺栓在正常使用的时候表面被保护了),会有10%到20%的螺栓张力由于结合面的微观颗粒作用而损失

六角螺栓的松脱曲线:施必牢(Spiralock)螺栓牙型

施必牢Spiralock螺纹对标准内螺纹副做了部分改动,即在螺纹底部增加了一个30°的升角

仅通过紧固件自锁原理能否避免螺栓损坏?

即使通过紧固件通过自锁原理可以保证其在测试时表现良好,但其预加载荷仍有可能由于材料的互相嵌入,变形而导致整个紧固件的轴向载荷为零

下图螺栓是一个承受动态剪向载荷的螺栓,该螺母已经用螺纹胶防松。但是即使螺母没有发生旋转,即Junker测试结果良好,但是实际上螺杆的状况已经不能满足正常使用!

结论:仅通过紧固件自锁原理不能避免螺栓损坏

总结

目前广泛使用的防松方法如下:

① 摩擦防松
这是应用最广的一种防松方式,这种方式在螺纹副之间产生一不随外力变化的正压力,以产生一可以阻止螺纹副相对转动的摩擦力。

这种正压力可通过轴向或同时两向压紧螺纹副来实现。

如采用弹性垫圈、双螺母、自锁螺母和尼龙嵌件锁紧螺母等。

这种防松方式对于螺母的拆卸比较方便;但在冲击、振动和变载荷的情况,一开始螺栓会因松弛导致预紧力下降,随着振动次数的增加,损失的预紧力缓慢地增多,最终将会导致螺母松脱、螺纹联接失效,这在使用垫圈的连接中特别明显;虽然某些结构可以比较有效地保证连接。

② 机械防松

用止动件直接限制螺纹副的相对转动。如采用开口销、串连钢丝和止动垫圈等。这种方式造成拆卸不方便。

③ 冲铆焊防松

在拧紧后采用冲点、焊接、粘接等方法,使螺纹副失去运动副特性而连接成为不可拆连接。这种方式的缺点是栓杆只能使用一次,且拆卸十分困难,必须破坏螺栓副方可拆卸。

④结构防松。

利用螺纹副自身结构特点来进行防松,如唐氏螺纹防松方式:

唐氏螺纹同时具有左旋和右旋螺纹的特点。它既可以和左旋螺纹配合,又可以和右旋螺纹配合。联接时使用两种不同旋向的螺母。工作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。使用时先将紧固螺母预紧,再将锁紧螺母预紧。

在振动、冲击的情况下,紧固螺母会发生松动的趋势,但是,由于紧固螺母的松退方向是锁紧螺母的拧紧方向,锁紧螺母的拧紧恰恰阻止了紧固螺母的松退,导致紧固螺母无法松动。

更多紧固件知识,参见 阅读原文 链接。

广而告知:

《汽车紧固连接设计与管理》4月13-14日  上海

内容纲要

这次课程的内容极为丰富,首先非常详尽地介绍紧固件基础、连接点设计要点,接着到具体应用场景设计实战(底盘篇)、设计实战(新能源篇)、再到工程师较为关心的紧固件典型失效模式分析、《汽车标准件手册》(2012版)解析,最终回归主机厂紧固件数据库案例剖析。每个章节都可以单独拿出来作为一个课程,可以说是诚意满满。

第一天

上午

1、紧固件基础

1)   螺栓:图解螺栓的力学性能、强度等级、关键尺寸、末端形式以及制造工艺等

2)   螺母:介绍螺母的强度等级、制造工艺等

3)   锁紧类紧固件:介绍不同的锁紧类型及选用要点

4)   容纳油漆紧固件:介绍不同主机厂过油漆后紧固件装配的解决方案

5)   其他紧固件类型

6)   紧固件的表面处理:介绍电镀、涂覆、防腐策略以及整车紧固件腐蚀评估

下午

7)  紧固扭矩解析:系统介绍动态扭矩、残余扭矩以及静态扭矩的作用和开发

2、螺纹连接点设计选择要点

详细介绍连接的正向设计过程,以实际案例介绍连接的理论计算及选择要点。

1)   连接点设计选择的主要步骤

2)   工作载荷分析:线性滑移、旋转滑移和复合载荷的计算

3)   紧固连接CAE分析:介绍紧固连接CAE分析的基本原理和判定方法

4)   尺寸校核

第二天

上午

5)   匹配件的强度校核

6)   被紧固件校核

7)   扭矩和关键特性的制定:详解不同拧紧方式的影响因素及优缺点;介绍紧固件在整车上的不同级别分类及控制策略。

3、紧固连接设计实战(底盘篇)

深入介绍悬置系统正向设计流程,辅以丰富图例讲解设计要点

1)   载荷分配和安全系数计算

2)   滑移有限元分析

3)   扭矩夹紧力校核

4)   界面尺寸检查

5)   界面压应力校核

6)   支架工具空间检查

下午

4、紧固连接设计实战(新能源篇)

1)   轻量化趋势

2)   铆接类紧固件

3)   铝制套筒

4)   SPR和FDS

5)   案例1:电池包与车身的连接

6)   案例2:雨刮臂的紧固连接

7)   案例3:轻质玻璃尾门与车身的连接

5、紧固件典型失效模式分析

1)   典型失效模式

2)   失效原因分析:介绍装配时夹紧力过低的原因,底盘螺栓松动的可能原因,底盘螺栓断裂的可能原因

3)   底盘紧固件失效案例剖析

6、《汽车标准件手册》(2012版)解析

1)   《汽车标准件手册》主要内容介绍

2)   《汽车标准件手册》的贡献及局限性

7、主机厂紧固件数据库案例剖析

主要介绍汽标、美系、日系主机厂紧固件数据库的特点,客观分析其优缺点。

专家介绍

授课老师:高级工程师,中国汽车工程学会(CSAE)特聘汽车紧固件标准审核专家。现任某汽车公司紧固件经理。过去 11 年间一直在主机厂从事紧固件设计及管理工作,期间参与了30余个整车项目的紧固件设计/管理工作,在整车各功能块紧固件的应用及问题解决方面积累了丰富的经验。担任《汽车紧固件实用技术手册》(科学出版社)副主编,《汽车标准件手册》(2012版)编委。早期曾在国内某知名汽车紧固件企业工作两年多,对紧固件的生产制造工艺也有相应的了解。

会议细节

费用

1、2500元/人(含两天午餐)

2、优惠活动:完成以下两项可享受优惠价2000元/人

a)提前付款(3月8日之前)

b)将此报名信息转发朋友圈并截图上传至报名表中

会议地址:

上海市浦东新区王桥路999号中邦MOHO 1022栋


来源:阿普拉斯科普柯,兹懋仪器科技

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