我們平常所說的“自鎖螺紋”,其實是特指“自鎖螺紋副”,包含了內外兩隻螺紋組成的螺紋副。因為單一的螺紋,是談不上具有“自鎖”這種屬於配合性質的性能的。
市面上,我們也總會見到是螺母類的“自鎖螺紋”,但為什麼我們沒能見到“自鎖螺栓”呢?其實,以“自鎖螺紋”的理論,能生產出“自鎖螺母”,就必然能生產出“自鎖螺栓”,只是我們不能真正明白自鎖螺紋的機理,未能自如地設計生產出能適合於各種場合,具有包括自鎖性能在內的特種性能的螺紋來。
要自如地設計出具有自鎖性能的各種自鎖螺紋,就得明白螺紋的自鎖機理,就得知道自鎖螺紋的理論力學模型是什麼。
1.介紹一種特殊的機械力學模型
加工球型零件,我們得有一種夾具“V形內錐”——一個漏斗結構的夾具,以定位、對中。
這個夾具說來有點神奇,就是隨意將這個球體零件放到這個“V形內錐——漏斗”,這個零件總會自動定位於“V形內錐”的中心,其基準,就是該“V形內錐”的軸線中心。夾緊後,我們就可以進行各種的機加工了。
別小看了這種定位夾具,它極巧妙地運用了機床夾具的設計原理,一個這麼簡單的結構,就能消除了被加工零件的“全部的6個自由度”。
在這裡讓我們複習說明一下,消除了6個自由度,它意味著什麼。
我們知道,任何一件物體,“只要是消除了沿X、Y、Z軸三個方向各自存在的一個平動和一個轉動的自由度,總共6個自由度,這個物體的位置就是確定了的”。再引伸一下,以方便我們理解:只要我們再施加一個適當的外力,那麼,無論來自任何方向的力(振動),只要這個螺紋副的機械強度不被破壞,這對螺紋是絕對不會鬆動失效的。
“消除6個自由度的原理”,這是自鎖螺紋設計時將會運用到的很重要的一個機械原理。
2.自鎖螺紋副的理論力學模型
我們不再深入討論“機械自鎖的一般原理”,而只使用“螺紋副的自鎖原理”,直接運用自鎖螺紋副的理論力學模型去設計生產各種具有自鎖性能的螺紋來。
自鎖螺紋副的理論力學模型,可以簡單地比喻為 “相當於一個V形螺旋內錐與一個螺旋狀的具有曲面的球體的配合體”,其V形螺旋內錐,活象內螺紋,而具有曲面的螺旋球體,相當於外螺紋。簡單地說,就是前面所說的“V形內錐——球體”結構模型的螺旋體。反過來說,即內錐相當於外螺紋,螺旋球體相當於內螺紋,這個力學模型同樣是成立的。
這個自鎖螺紋副的力學模型最大的特點,就是內外螺紋配合時,總會以其軸心線為對稱中心,並重合。它互為消除了內螺紋或外螺紋的6個自由度。
3.傳統普通螺紋的“斜面——滑塊”力學模型說明了什麼
說自鎖螺紋的力學模型是“相當於一個V形螺旋內錐與一個螺旋狀的具有曲面的球體的配合體”,那麼,一直以來,我們運用的設計普通螺紋時採用的“斜面——滑塊力學模型”,它又到底說明了什麼問題呢?
簡而言之,“斜面——滑塊力學模型,只說明瞭軸向(或X軸)的平動的那個自由度的運動關係”。而以自鎖螺紋的原理關係來說,它只消除了軸向的那一個自由度;如果該斜面設計的角度大於“自鎖角”的話,則該結構連一個自由度也不能消除。
4.現實的普通螺紋副,到底消除了幾個自由度?
說到這,使大家仍搞不清楚的倒是,我們現在所使用的普通螺紋副,理論上它又消除了幾個自由度呢?為什麼普通螺紋副總是不能防振,特別是來自徑向(橫向)載荷呢?
要說清楚和理解這個問題有點困難。我只能說個結果供大家先行接受。
從表面上看,實際使用的普通螺紋副,好象與上述自鎖螺紋副的理論力學模型完全一樣,但實質上是有極大的差別的:前者是一個面接觸的螺旋體,後者是一個線接觸的螺旋體。但這又有什麼差別呢?
差別在於,前者的這個面接觸螺旋體,從理論上說,它完全不符合自鎖螺紋的理論力學模型,原因在於現實中的內外螺紋,其表面不是絕對光滑,牙型角、整個螺紋副的牙型不是絕對吻合;其配合面總是“點陣”接觸,遇到振動,就會產生塑性變形。理論上,它只消除了3個自由度;不嚴格地說,它最多消除了5個自由度,剩下的徑向的那一個自由度是不能消除的。
上述這一段話並不容易理解。但有一個最大的表面特徵我們是可以理解的,這就是普通螺紋副,它起碼是不能消除內外螺紋間的徑向間隙,螺紋副在橫向載荷的情況下,必然出現鬆動失效。
再舉出一個極限認識關係:就是如果普通螺紋是一種表面絕對光滑,沒有任何的形狀誤差,是一種“理想螺紋”的話,則 “由理想螺紋組成的螺紋副,就具有自鎖性能”。顯然,這種“理想螺紋副”在現實中是不存在的。
5.最簡單的自鎖螺紋副
既要符合自鎖螺紋副的原理,又要與普通螺紋的牙型配合關係相似或相近的螺紋,它是一個什麼形狀關係呢?
在這裡也只能說出一個結果,這就是,只要內外螺紋的牙型角不相等,它們所組成的螺紋副,擰緊後,就是一對自鎖螺紋副,就具有自鎖性能。我國和英國分別有兩套發明專利都不約而同地提到了這個關係。而運用了高精度螺紋技術(主要是為了消除螺紋副的徑向間隙)設計生產的“徑向干涉配合自鎖螺紋副”,能最大限度地實現或表達這個自鎖性能。
6.生產與使用
我們可以運用生產傳統螺紋的一切工具,生產這種自鎖螺紋副,生產成本、工藝流程等是完全一樣的。可以重複裝拆、重複使用。
7.自鎖性能的檢驗
在這裡,提供一項檢驗自鎖螺紋自鎖性能的檢驗標準——《GJB 715.3》,它是我們國家的軍用標準,等效採用美國的軍用標準。該標準只提供了檢驗自鎖性能的方法,它直接檢驗螺紋副的抗橫向振動的能力;自鎖性能的量值指標,是抗振的時間(總次數)。
用這種方法檢驗的螺紋,如果其振動時間(次數)能超過某一個公認的數值,則可以認定這種自鎖螺紋具有良好的自鎖性能。抗振能超過3分鐘的,只有雙螺母鎖鎖緊、槽形螺母鎖緊和和以本技術生產的自鎖螺紋副。普通螺紋副,包括帶彈簧墊圈的螺紋副,都不堪一擊,幾下就檜鬆動失效了,可以說是完全沒有自鎖性能。使用帶尼龍嵌件的螺母、高鎖螺母組成的螺紋副,有一定的防松(而不是自鎖)性能。
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