力学创新小论文
课题名称:自锁螺母的原理分析
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生活中无处没有螺母的影子,螺母虽小,但是却起着至关重要的作用。值
得注意的是,机械运转时的交变荷载会导致螺母松脱,可能导致严重的机械事
故和巨大的经济损失。而自锁螺母的出现则有效地解决了这一问题,下面就自
锁螺母的原理做简单的分析。
自锁螺母的防松原理在于它的独特结构。
如图1,在阴螺纹的牙底有一个30°的楔形斜面,当螺栓、螺母相互拧紧时,
螺栓的牙尖就紧紧地顶在自锁螺纹的楔形面上,从而产生很大的锁紧力。由于牙
形的角度改变,使螺纹间接触所产生的法向力与螺栓轴成60°角,而不是象普通
螺纹那样形成30°角。显然该螺纹法向压力远远大于扣紧压力,因此所产生的
防松摩擦力也就必然大大增加。
图2为普通螺纹与自锁螺纹的受力状态。当螺栓张力同样为P0时,传统的
60°角螺纹的法向压力P=1.15P0,而自锁螺纹由于牙底有一个30°角的楔形斜
面,其法向压力的角度、大小均有改变,法向压力P=2P0,二者法向压力之比约为
12∶7,自锁螺纹的防松摩擦力相应地增加了。自锁螺纹的楔形面还可以清除普
通螺纹受力不均匀、脱扣咬死等问题。普通螺纹—60°角V形螺纹,在其第一螺
纹啮合面和第二螺纹啮合面承载了70%~80%的负荷,而以后几个啮合面承受的
负荷很少。这样一来普通螺纹紧固件在工作振动负荷条件下,就很容易克服螺纹
接触面上的锁紧力而产生转动,进而松脱,这就是普通螺纹紧固件松脱的原因所
在。
由于普通螺纹紧固件主要受力点仅仅是螺母的第一、第二牙螺纹接触处,其
余各牙基本不受力,因此当拧紧力矩较大时,应力集中在第一牙螺纹处,第一牙螺
纹很容易产生弯曲和剪切变形,只有这样,才使第二牙螺纹面承受应力并产生锁
紧力。由此类推,承载负荷面将受力逐个传递,相应造成螺纹依次的剪切和磨损,
各牙的剪切和磨损破坏严重,导致螺母和螺纹强度大幅度下降,最终导致滑丝。
而自锁螺纹由于结构独特,全部螺栓牙尖紧紧地顶在30°楔形斜面上,而且
螺旋线上每牙承受的负载都比较均匀,同样负荷能分散到每个面、每个点上,使
螺纹上各处产生防松摩擦力相近,能够有效抗阻横向振动。据密西根大学的研究,
自锁螺纹第一个承受负载面承受17%的负荷,而最后一个承载面也承受12.5%的
负荷。因此它的每牙螺纹能均匀承受负载,不存在应力集中,就不易产生松脱或
滑牙问题,疲劳强度也得到成倍的改善。
由此看来,自锁螺母是通过使得受力均匀和增大法向压力来达到防滑效果
的,仅仅是一个简单的改动就可以达到意想不到的效果。生活中还有许多不足
的地方等待着我们去探索发现并运用我们所学的知识做出合理的改变,创造更
加美好的生活。