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自锁螺母拧紧扭矩,要不要加上防松扭矩?

浏览次数:312 发布时间:2023-12-20

锁紧螺母又称自锁螺母,目前主要有全金属锁紧螺母,非金属嵌件锁紧螺母,还有一种金属夹片的锁紧螺母等。全金属锁紧螺母有分为端面压3点的对螺纹的螺距产生一定的影响,形成锁紧特性;还有一种是对边压扁,使端部螺纹由圆形变为椭圆形形成锁紧特性。

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摩擦系数会影响最终的预紧力,这方法大家都已经比较认同和重视,但是,对于自锁螺母,大家是如何设计这个拧紧扭矩呢?


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VDI2230中对自锁螺母类零件扭矩的描述

VDI2230中,对于自锁螺母的拧紧扭矩有如下描述:

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该描述说明,对于自锁螺母类的零件,在确定拧紧扭矩或拧紧扭矩计算的时候,除了正常的螺纹拧紧扭矩MG和端面拧紧扭矩MK外,还有螺纹旋入力矩MU(自锁螺母)和端面附件阻力矩的MKzu(例如带齿的螺栓拧紧)影响。


但是,VDI 2230标准又有一个说明,对于高预紧力连接副,螺纹旋入力矩MU可以忽略不计。这句话的意思是:如果螺栓拧紧到高预紧力时,螺纹旋入力矩MU就不用加到总扭矩中了。到底这个拧紧到高预紧力需要多少,才不需要加进去,如何来衡量这个高预紧力呢?

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锁紧螺母的实测摩擦系数

以尼龙嵌件锁紧螺母为例,试验中仅仅进行螺母的拧紧来说明相关的问题。锁紧螺母的扭矩-转角、轴力-转角曲线如下图,从图中测试结果可以看出锁紧螺母有一定的旋入扭矩,也就是从螺栓拧入到螺母,螺栓达到螺母的锁紧部分,就会产生一定的旋入扭矩或锁紧扭矩;等螺栓完全伸出螺母后,旋入扭矩会达到平稳阶段,在该阶段扭矩不会继续上升;螺母与被连接件完全贴合后扭矩会出现正比例上升。


在旋入扭矩阶段,螺栓的轴力基本为零,基本呈水平直线形态,也就是说即使显示出一定的拧紧扭矩了,但是,此时螺栓的轴力是基本为零的。2024年澳门原料网

锁紧螺母的螺纹摩擦系数-转角、总摩擦系数-转角曲线如下图,从螺纹摩擦系数曲线可以看,摩擦系数是随着拧紧的角度变化而变化的,在螺母完全贴合被连接件以后,螺纹摩擦系数和总摩擦系数是随着轴力增加(或旋转角度的增加)而降低,这也就是说明了:锁紧螺母拧紧扭矩如果比较低时,拧紧扭矩的设定或计算就不能按照正常扭矩轴力来进行计算,需要按照实际的摩擦系数来计算,或者需要考虑一定的旋入扭矩才能够更加符合实际情况。


锁紧螺母支撑面摩擦系数相对来说变化不大,在螺母贴合被连接件以后,螺母的支撑面摩擦系数与正常非锁紧螺母的摩擦系数曲线基本一致,随着预紧力的(螺栓轴力)的增加支撑面摩擦系数基本不会产生很大的变化。


如果锁紧螺母正常拧紧的时候,在锁紧螺母按照要求的摩擦系数进行开发时,就按照正常拧紧扭矩拧紧即可,不需要再考虑旋入扭矩的问题了。


因此,在锁紧螺母开发时候,摩擦系数的测试也是按照75%的保证载荷时进行的,也就是说在正常拧紧扭矩拧紧时摩擦系数是满足开发时要求的摩擦系数的。


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从上面实际测试结果可以看出,锁紧螺母的螺纹摩擦系数在拧紧到1600°时,基本保持不变,也就是说锁紧螺母拧紧到1600°,约为50%的最终预紧力情况下,螺纹摩擦系数就基本不发生很大的变化,可以认为此时与最终的摩擦系数基本不变,能够保持一致了。


因此,从这个测试结果可以确定,锁紧螺母如果实际设计的预紧力能够达到40%保证载荷以上,基本就能够不需要再考虑旋入扭矩了。也就是说VDI 2230标准中说的高预紧力可以认为至少要达到40%保证载荷以上。如果设计的扭矩太低就需要考虑自锁螺母的旋入扭矩。


另外,需要说明的一点,对于螺栓头、螺母支撑面带齿的螺栓或螺母来说,VDI 2230标准也没有说明在何种情况下可以不需要考虑,也就是对于带齿的螺栓螺母,在任何情况下都需要考虑头下的这个附加扭矩。


可以这样理解:对于带齿的螺栓螺母,在拧紧过程中摩擦系数(或者说等效摩擦系数)是会逐渐增大的,特别在预紧力比较大的时候,等效摩擦系数会非常大,相当于螺栓头会切削这个被连接件的表面。

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03


哪些部位(情况)需要考虑锁紧螺母旋入扭矩

例如,在减振器活塞杆与mount安装螺母。由于活塞杆为了减重等因素,活塞杆的外径不会设计的很大,往往有效接触面只有3mm左右,甚至某些设计会更小,因此,在满足要求的前提下,安装螺母拧紧扭矩不能制定太高,否则,会容易使mount产生压溃或永久塑性变形,造成拧紧扭矩的衰减。

根据受力要求,此处不需要很大的夹紧力即可满足外部载荷要求,因此,减震器顶端螺母往往不需要设计很大的拧紧扭矩。该螺母设计采用M14x1.5的螺纹规格,但是拧紧扭矩往往就是60Nm左右。在这种情况下,由于自锁螺母本身具有一定的旋入扭矩,例如,M14x1.5-10的全金属自锁螺母旋入扭矩标准最大值为31Nm,如果设计旋入扭矩接近31Nm,那么,如果拧紧扭矩设定到60Nm会对夹紧力是不是会降低呢?从这个方面来说,自锁螺母的摩擦系数确定是非常重要的。

对于自锁螺母,如果拧紧扭矩为正常的扭矩,计算拧紧扭矩时候不需要加上螺纹部分的旋入扭矩,因为,此时正常拧紧扭矩预紧力比较高。


对于部分采用自锁螺母的零件,拧紧扭矩远远低于正常拧紧扭矩,如50%的正常拧紧扭矩,此时就需要考虑自锁螺母的旋入扭矩问题,这一点非常重要,否则,实际夹紧力会达不到所需要的夹紧力要求,造成零件的松脱。


高预紧力,可以按照40%的螺栓保证载荷来考虑。


对于带齿螺栓螺母,就需要在任何情况下都要对这个附加扭矩有所考虑。