緊固件旋轉和非旋轉松動分析

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旋轉和非旋轉松動

在絕大多數應用中,螺紋緊固件都是要進行擰緊的,以便在接頭中施加預緊力。松動可以定義為擰緊完成后的預緊力損失。這可以通過兩種方法中的任何一種方法發生。旋轉松動,通常稱為自松,是指緊固件在外部載荷作用下發生相對轉動。非旋轉松動是指內螺紋和外螺紋之間沒有相對轉動,但會發生預加載損失。

緊固件因非旋轉松動引起的松動

裝配后,緊固件本身或接頭變形可能導致非旋轉性松動。這可能是這些界面部分塑性坍塌導致的結果。當兩個表面相互接觸時,每個表面上的微凸體承受支撐面壓力載荷。由于凸點實際接觸面積可能遠遠小于宏觀面積,因此即使在中等載荷下,因表面粗糙度的凸出部分應力也會大于材料的屈服強度,這些凸出處就會承受非常高的局部應力,產生塑性變形。

這會導致擰緊操作完成后表面部分塌陷。這種塌陷通常稱為嵌入。由于嵌入而損失的夾緊力的大小取決于螺栓和被連接件的剛度、接頭內存在的界面數量、表面粗糙度和施加的接觸應力。在中等的表面應力條件下,最初的塌陷通常會導致大約1%到5%的夾緊力損失,這些損失一半在接頭擰緊后的前幾秒鐘內丟失。當隨后通過施加的力對接頭進行動態加載時,由于接頭界面上會發生的壓力變化,接頭會進一步減小。

由于嵌入損失而導致的松動在由幾個薄接合面和螺栓小夾持長度組成的接合處是有問題的。如果表面承載應力保持在接頭材料的壓縮屈服強度以下,則可計算嵌入損耗量,并可通過接頭設計以補償該損耗。

Junker緊固件自松理論

Gerhard Junker于1969年發表了一篇技術論文(“振動下緊固件自松的新標準”SAE論文690055,1969),給出了他完成的試驗工作的結果,以支持他關于螺紋緊固件自松原因的理論。他的關鍵發現是,一旦嚙合螺紋之間以及緊固件的支承面和夾緊材料之間發生相對運動,預緊緊固件就會因旋轉而松動。Junker發現橫向動態載荷比軸向動態載荷產生更嚴重的自松條件。其原因是軸向載荷作用下的徑向運動明顯小于橫向載荷作用下的徑向運動。

Junker研究表明,預緊的緊固件在配合螺紋與緊固件支承面之間發生相對運動時就會發生自松現象。當作用在接頭上的橫向力大于螺栓預緊產生的摩擦力時,會發生這種相對運動。對于較小的橫向位移,螺紋側面和支撐區域接觸面之間就可能發生相對運動。一旦螺紋間隙被克服,螺栓將受到彎曲力,如果橫向滑動繼續,螺栓頭支承面也將發生滑動。一旦出現這種情況,螺紋和螺栓頭將只有很小的摩擦系數,甚至將暫時失去摩擦。由于作用在螺紋螺旋角上的預緊力而在螺紋上產生的轉動扭矩,因此,就會在螺母和螺栓之間就會產生相關的旋轉。

在反復的橫向運動下,該機構可以完全松開緊固件。為了研究松脫的原因,容克開發了一種試驗機,即所謂的“容克機”,它將量化緊固件設計的松脫阻力的有效性。

滾柱軸承用于消除移動和固定板之間摩擦的影響。當從螺母夾緊的移動板上施加橫向運動時,壓力傳感器允許連續監測螺栓荷載。與沖擊試驗標準相比,這是一個主要優勢,因為可以在試驗期間測量預加載損失,并繪制預緊力與循環的關系圖。Junker機器背后的想法是,凸輪產生的橫向位移會導致接頭發生搖擺(滑動),克服緊固件的摩擦力以后就會產生自松作用。

信息來源：標準件網