一种抗震永不松脱螺栓副的制作方法

本发明涉及紧固件制造技术领域，尤其是涉及一种抗震永不松脱螺栓副。

背景技术：

螺栓副是十分常见的一种用于紧固连接的结构件，其通常包括螺栓、与螺栓螺纹连接的螺母、以及相应的垫片等，螺栓副在使用时容易出现的一个问题就是，当遇到震动或者载荷的变化时，尤其是诸如汽车、火车等具有长时间较高频率震动、以及变化载荷的使用场合时，螺母会因为载荷的变化和震动而逐渐自行反转而松开，从而使螺栓副失效。这对于高铁之类的使用场合会造成极大地安全隐患和破坏。我们知道，现有的螺栓副的最常见的一种使用方式是在需要相互紧固连接的零件上设置螺栓通孔，然后将螺栓穿过零件的螺栓通孔，再将螺母螺纹拧紧连接在螺栓伸出零件的尾端，此时的螺母和零件之间会形成沿螺栓轴向的相互挤压力，进而在螺母和零件的表面之间以及螺母的内螺纹和螺栓的外螺纹之间形成静摩擦力，该静摩擦力可避免螺栓自行反转而松动。但是，当紧固好的螺栓副在遇到载荷剧烈变化时，如果载荷瞬间增加，此时的螺栓会被弹性地拉伸而边长，当载荷瞬间变小时，就会使螺母和零件的表面之间、或者螺母和螺栓之间的轴向挤压力瞬间消失或减小，此时的螺母极易形成一个微量的反转。或者当螺栓副经过一定时间的使用后，螺栓形成一个微量的塑性变形而变长，此时的螺母和零件的表面之间、或者螺母和螺栓之间的轴向挤压力也会消失或减小，从而造成螺母的松动而自行反转。当上述反转达到一定量时，就会导致螺栓副的完全失效。

为此，人们会采用具有防松脱效果的螺栓副。其中最简单的就是在螺母下面增加一个可在轴向上弹性压缩的弹簧垫片以及相应的平垫片，当拧紧螺母时，弹簧垫片以及平垫片则被弹性的压扁，从而对螺母形成一个附加的预紧轴向弹力，进而使螺母和零件表面之间、螺母和螺栓之间在轴向上形成一个额外的预紧挤压力。当载荷变化使螺栓变长时，弹簧垫片在轴向上弹性复原，从而使螺母与零件表面之间、螺母与螺栓之间在轴向上始终保持一个挤压力，进而可避免螺母的自行松脱。

然而现有的可防松脱的螺栓副结构均存在如下缺陷：其中阻止螺母反转的作用力均来自相互之间挤压后产生的预紧挤压力所形成的静摩擦力，这样，当螺栓副经过一定时间的使用后，其中的螺栓、螺母、垫片等构件会形成一个塑性变形，从而使上述预紧挤压力逐渐变小甚至完全消失，此时螺母与零件表面之间、螺母和螺栓之间的静摩擦力会逐渐减小直至消失，从而最终导致螺栓副的失效。也就是说，现有的螺栓副防松结构只能在一定的时间内起作用，其难以保证螺栓副长期使用后的防松脱。

针对上述情形，业内有各种防松脱螺栓螺母副产品设计，但它们的原理不外乎是应用变螺距，偏心螺纹，榫铆螺母副加偏心螺纹等手段，增加回退（其实也增加了旋进）的阻力，以此谋取不容易回退的方法来防止松脱发生。但正如前边陈述的那样，在强烈震动的情形下，这些方法都是不可靠的，理论上都是会松脱的。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的防松脱螺栓副结构所存在的防松脱效果差、可靠性低等问题，提供一种抗震永不松脱螺栓副，其结构简单，可有效地防止螺母的自行反转而松脱，并且可消除因螺栓副的长时间使用对防松脱效果的不利影响。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种抗震永不松脱螺栓副，包括具有外螺纹的第一连接件、具有内螺纹的第二连接件，所述第一连接件通过外螺纹与第二连接件的内螺纹相连接，在第一连接件和第二连接件之间设有可使第二连接件单向转动的超越式离合结构，所述超越式离合结构使所述第二连接件可正向转动而逐渐拧紧在第一连接件上、并阻止第二连接件反向转动而松脱。

本发明创造性地在具有外螺纹的第一连接件和具有内螺纹第二连接件之间设置超越式离合结构，从而可实现第二连接件的单向转动。也就是说，超越式离合结构使第二连接件只能正向转动而逐渐拧紧，但是却无法反向转动，从而使螺栓副在遇到长时间的震动、载荷变化等情况下也可有效地避免第二连接件相对第一连接件的反向转动，进而可彻底避免第二连接件在使用过程中的自行松动。特别是，现有的防松结构是依靠相互之间的预紧挤压力所形成的静摩擦力实现的，因此，当使用一定时间后，特别是，在载荷具有较大的变化时，上述预紧挤压力以及相应的静摩擦力会逐渐减小。而本发明的第二连接件是依靠与第一连接件之间的超越式离合结构实现单向转动的，而超越式离合结构在反向转动时的摩擦阻力是依靠相应的结构实现的，其并不需要一个预紧的挤压力，因此，无论是处于震动的环境，或者是载荷的变化，都不会造成超越式离合结构的失效，因而可有效地防止第二连接件的自行反转而松脱，并且可消除因螺栓副的长时间使用对防松脱效果的不利影响。

作为优选，所述超越式离合结构包括设置在第二连接件的内螺纹孔上的防转凹槽，所述防转凹槽的深度在第二连接件的正向转动方向上逐渐变浅，在防转凹槽内较浅一侧设有滚动体，在防转凹槽内较深一侧设有弹性元件，所述滚动体为回转体，弹性元件一端抵压滚动体，另一端抵压防转凹槽较深一侧的侧壁，从而使滚动体向着防转凹槽较浅的一侧移动并定位，滚动体的一侧贴靠防转凹槽的底壁，另一侧贴靠第一连接件。

由于防转凹槽的深度在第二连接件的正向转动方向上逐渐变浅，从而使防转凹槽的纵向截面呈一端大、一端小的楔形。当第二连接件正向转动而逐渐拧紧时，滚动体在防转凹槽内形成向着深度较深的一侧相对移动的趋势，此时的第二连接件可相对滚动体自由地转动。反之，当第二连接件反向转动时，滚动体在防转凹槽内形成向着深度较浅的一侧相对移动的趋势。由于此时的滚动体无法向着防转凹槽内深度较浅的一侧相对移动，因此，防转凹槽的底壁会对滚动体形成一个挤压力，进而在防转凹槽的底壁与滚动体之间、以及第一连接件与滚动体之间形成静摩擦力。当反向转动第二连接件的扭矩越大时，上述挤压力以及由此形成的静摩擦力也越大，进而可避免第二连接件的反向转动。另外，弹性元件可使滚动体始终贴靠第一连接件和防转凹槽的底壁，从而可有效地避免第二连接件形成一个反向转动时的空行程，确保第二连接件有效地反向止转。

作为优选，所述防转凹槽设置在第二连接件内螺纹的牙顶部，并沿着内螺纹的螺旋方向延伸，所述滚动体为球体，从而使滚动体位于第一连接件上与防转凹槽相对应的外螺纹的牙槽内。

与第二连接件内螺纹孔的牙顶部相对应的，在第一连接件上的外螺纹刚好位于相邻螺纹之间的牙槽内。这样，球体状的滚动体可同时与第一连接件上的相邻螺纹的外侧壁贴合，既可有效地增加滚动体与第一连接件之间的静摩擦力，从而确保第二连接件不会出现反向转动，又可对滚动体形成导向作用，使第二连接件可顺畅地正向转动。

作为优选，所述防转凹槽沿着内螺纹的螺旋方向延伸，所述滚动体为圆柱体，滚动体的轴线与防转凹槽的延伸方向相垂直，滚动体的长度等于第二连接件内螺纹孔螺距的2-3倍，从而使滚动体贴靠第一连接件上与防转凹槽相对应的相邻二圈外螺纹的牙顶。

在该方案中，滚动体为圆柱体，从而使滚动体与防转凹槽的底壁之间形成线接触，有利于增加静摩擦阻力。特别是，滚动体的长度等于第二连接件内螺纹孔螺距的2-3倍，因此，滚动体可至少同时贴靠第一连接件上与防转凹槽相对应的相邻二圈外螺纹的牙顶，既有利于增加滚动体与第一连接件之间的摩擦力，又可减小滚动体与第一连接件的外螺纹之间的压强，有利于避免第一连接件外螺纹因挤压而损坏。

作为优选，在第二连接件的外侧面上设有贯通防转凹槽较浅一侧的解锁孔，当所述解锁孔内插入解锁杆时，解锁杆的内端推动位于防转凹槽较浅一侧的滚动体向着防转凹槽较深一侧移动，从而解除对第二连接件反向转动的锁止。

当我们需要拧松第二连接件时，只需用一根细长的解锁杆插入解锁孔内，解锁杆推动位于防转凹槽较浅一侧的滚动体向着防转凹槽较深一侧移动，此时的滚动体间隙地位于防转凹槽内，从而可方便地解除对第二连接件反向转动的锁止。

作为优选，所述第一连接件上设有同轴的光杆，所述光杆的直径小于等于第一连接件的外螺纹小径，所述第二连接件内螺纹孔的一端设有缩口，所述超越式离合结构包括设置在第二连接件的缩口内侧壁上的防转凹槽，所述防转凹槽沿第二连接件内螺纹的螺旋方向延伸，所述防转凹槽的深度在第二连接件的正向转动方向上逐渐变浅，在防转凹槽内较浅一侧设有滚动体，在防转凹槽内较深一侧设有弹性元件，所述滚动体为回转体，弹性元件一端抵压滚动体，另一端抵压防转凹槽较深一侧的侧壁，从而使滚动体向着防转凹槽较浅的一侧移动并定位，滚动体的一侧贴靠防转凹槽的底壁，另一侧贴靠第一连接件的光杆。

在该方案中，第一连接件上形成一段直径小于外螺纹小径的光杆，相应地，在第二连接件上设置没有内螺纹的缩口，并将防转凹槽设置在缩口的内侧壁上。这样滚动体即可直接贴靠在第一连接件的光杆上，有利于增强滚动体与第一连接件的之间的接触面积和摩擦力，避免因滚动体接触挤压第一连接件的外螺纹可能出现的外螺纹的损坏。

作为优选，所述超越式离合结构包括设置在第一连接件的外螺纹上的防转凹槽，所述防转凹槽的深度在第二连接件的正向转动方向上逐渐变浅，在防转凹槽内较浅一侧设有滚动体，在防转凹槽内较深一侧设有弹性元件，所述滚动体为回转体，弹性元件一端抵压滚动体，另一端抵压防转凹槽较深一侧的侧壁，从而使滚动体向着防转凹槽较浅的一侧移动并定位，滚动体的一侧贴靠防转凹槽的底壁，另一侧贴靠第二连接件。

在该方案中，我们将防转凹槽设置在第一连接件上，从而可通过滚动体和第二连接件之间的静摩擦力实现第二连接件的反向自锁。这样，在使用时，我们只需将滚动体以及弹性元件先放入第一连接件的防转凹槽内，再拧紧第二连接件即可。从而方便使用。特别是，第一连接件的外螺纹上设置防转凹槽，可极大地方便其加工，从而有利于降低成本。

因此，本发明具有如下有益效果：其结构简单，可有效地防止螺母的自行反转而松脱，并且可消除因螺栓副的长时间使用对防松脱效果的不利影响。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明沿防转凹槽的长度方向的局部剖视图，图中箭头方向是第二连接件的正向转动方向。

图3是第二连接件反向转动时滚动体的受力示意图。

图4是圆柱体的滚动体的结构示意图。

图5是超越式离合结构的另一种结构示意图。

图6是具有装配塞的第二连接件与第一连接件在连接时的结构示意图。

图中：1、第一连接件11、光杆12、连接头2、第二连接件21、防转凹槽22、缩口23、解锁孔231、螺纹沉孔3、零件31、螺栓通孔4、滚动体5、弹性元件6、解锁杆61、螺钉柱7、装配塞71、连接孔。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图2所示，一种抗震永不松脱螺栓副，其主要适用于至少两个零件的连接固定，包括具有外螺纹的第一连接件1、具有内螺纹的第二连接件2，当然，在需要连接的零件3上应设置相应的螺栓通孔31。这样，将第一连接件的尾端穿过零件的螺栓通孔后与第二连接件螺纹连接，即可实现零件之间的固定连接。和现有技术相类似地，我们也可在第一连接件上套设位于第二连接件和零件表面之间的垫片。此外，我们需要在第一连接件和第二连接件之间设置可使第二连接件单向转动的超越式离合结构，从而使第二连接件可正向转动而逐渐拧紧，当第二连接件拧紧后，超越式离合结构可有效地阻止第二连接件反向转动而松脱，从而实现螺栓副的防松和持续有效。

可以理解的是，超越式离合结构可以有多种形式，其基本原理是利用反向转动时所产生的静摩擦力实现两个零件之间的单向自锁。

为简化结构，本发明的超越式离合结构包括设置在第二连接件的内螺纹孔上的长条状的防转凹槽21，并且防转凹槽的深度在第二连接件的正向转动方向上逐渐变浅。此外，在防转凹槽内设置一个由回转体构成的滚动体4、一个弹性元件5，弹性元件一端抵压滚动体，另一端抵压防转凹槽较深一侧的侧壁，从而使滚动体向着防转凹槽较浅的一侧移动并定位，滚动体的一侧贴靠防转凹槽的底壁，另一侧贴靠第一连接件。

由于防转凹槽的深度在第二连接件的正向转动方向上逐渐变浅，从而使防转凹槽沿其长度方向的纵向截面呈一端大、一端小的楔形。此外，回转体构成的滚动体和防转凹槽的底壁以及第一连接件之间会在相互贴合处形成相切的点接触或线接触，因此，滚动体和防转凹槽底壁之间、以及滚动体和第一连接件之间会形成在接触点处法线方向的相互挤压力，与此同时，形成在接触点处切线方向的静摩擦力。如图3所示，当我们对第二连接件施加一个反向的扭矩时，防转凹槽的底壁相对滚动体形成一个反向转动的趋势，此时防转凹槽倾斜的底壁会对滚动体形成一个法线方向的挤压力p，从而使滚动体与第一连接件之间形成一个相互的作用力p，当滚动体在与防转凹槽接触点处的切线方向和滚动体在与第一连接件接触点处得切线方向之间的夹角为a时，上述挤压力p在反向转动方向的切线上形成的驱动分力为p×tan（a）；与此同时，由于防转凹槽的底壁是倾斜的，因此，滚动体无法继续向着较浅的一侧移动，此时的滚动体只能在防转凹槽底面的驱动下在第一连接件表面移动。设滚动体与第一连接件之间的静摩擦系数为k，则滚动体此时和第一连接件之间的静摩擦力f=k×p，由于滚动体、第一连接件均采用钢材制成，因此，上述静摩擦系数k可取钢-钢静摩擦系数0.15。当静摩擦力f大于等于驱动分力时，即可实现第二连接件的反向锁止，即0.15×p≥p×tan（a），从而得到a≤8.53°。也就是说，我们可针对不同公称直径的第一连接件设计不同的防转凹槽底壁的倾斜度，从而确保反向转动第二连接件的转矩对滚动体所形成的驱动合力始终小于静摩擦力，并且静摩擦力会随着驱动合力的增加自动增加，因而可实现第二连接件的反向自锁。

此外，弹性元件可以是一个压簧，由于弹性元件所需的伸缩量较小，优选地，弹性元件可采用聚四氟乙烯制成的具有弹性的长条或圆柱，其既具有良好的抗油性能，有方便安装使用，并可确保弹性元件的长期有效。由于弹性元件使滚动体始终贴靠第一连接件和防转凹槽的底壁，从而可有效地避免第二连接件在反向转动时形成一个空行程，确保第二连接件有效地反向止转。

另外，对于公称直径较大的螺栓副，其螺纹的牙高、螺距等尺寸相应地较大，此时防转凹槽可设置在第二连接件内螺纹的牙顶部，并沿着内螺纹的螺旋方向延伸，也就是说，第二连接件的宽度小于横截面呈三角形的内螺纹的底宽。相应地，第一连接件上与防转凹槽对应处刚好为二圈相邻的外螺纹之间的牙槽。此外，滚动体为球体，从而使滚动体位于第一连接件上与防转凹槽相对应的外螺纹的牙槽内而贴合牙槽两侧的外螺纹侧壁。这样，可增加滚动体与第一连接件之间的接触面积，从而增加滚动体与第一连接件之间的静摩擦力。

对于公称直径较小的螺栓副，其螺纹的牙高、螺距等尺寸相应地较小，此时可将防转凹槽跨接设置在第二连接件三圈相邻的内螺纹上，防转凹槽长度方向的中线沿着中间一圈内螺纹的螺旋方向延伸。相应地，滚动体为圆柱体，滚动体的轴线与防转凹槽长度方向的中线的延伸方向相垂直，滚动体的长度优选地等于第二连接件内螺纹孔螺距的2-3倍，从而使滚动体可同时贴靠第一连接件上与防转凹槽相对应的相邻二圈外螺纹的牙顶，有利于增加滚动体与第一连接件之间的接触面积和静摩擦力，又可减小滚动体与第一连接件的外螺纹之间的压强，从而避免第一连接件外螺纹因挤压而损坏，并且避免因滚动体的长度过长造成其移动的不畅。

当然，为了方便加工，如图5所示，我们也可在第一连接件上设置同轴的光杆11，并且光杆伸出需要连接的零件上的螺栓通孔，光杆的直径小于等于第一连接件的外螺纹小径。相应地，第二连接件内螺纹孔的一端设置缩口22，超越式离合结构则包括设置在第二连接件的缩口内侧壁上的防转凹槽，防转凹槽沿第二连接件内螺纹的螺旋方向延伸呈螺旋状，防转凹槽的深度在第二连接件的正向转动方向上逐渐变浅，在防转凹槽内较浅一侧设置有球体或圆柱体构成的滚动体，在防转凹槽内较深一侧设置由压簧或条状、圆柱状的聚四氟乙烯构成的弹性元件（图中未示出），弹性元件一端抵压滚动体，另一端抵压防转凹槽较深一侧的侧壁，从而使滚动体向着防转凹槽较浅的一侧移动并定位。滚动体的一侧贴靠防转凹槽的底壁，另一侧贴靠第一连接件的光杆。

在该方案中，滚动体可直接贴靠在第一连接件的光杆上，有利于增强滚动体与第一连接件的之间的接触面积和摩擦力，避免因滚动体接触挤压第一连接件的外螺纹可能出现的外螺纹的损坏。

为了使第二连接件实现反向的可控转动，以方便第二连接件的拆卸，如图2所示，我们可在第二连接件的外侧面上设置贯通防转凹槽较浅一侧的解锁孔23。这样，当解锁孔内插入一根细长的解锁杆6时，解锁杆的内端即可推动位于防转凹槽较浅一侧的滚动体向着防转凹槽较深一侧移动，从而解除对第二连接件反向转动的锁止，此时即可方便地反向转动第二连接件。

进一步地，我们还可在解锁孔的开口处设置一个具有内螺纹的螺纹沉孔231，相应地，解锁杆的外端设置与螺纹沉孔适配的螺钉柱61，并在螺钉柱的端面上设置十字槽，以便于通过螺丝刀转动解锁杆。需要反向转动第二连接件时，我们可先将解锁杆插入解锁孔内，然后转动解锁杆，使解锁杆外端的螺钉柱螺纹连接在解锁孔开口处的螺纹沉孔内，此时的解锁杆即可定位在解锁孔内，并使滚动体向着防转凹槽较深的一侧移动并定位，从而解除对第二连接件反向转动的锁止。反之，需要防止第二连接件反向转动时，我们只需旋松解锁杆使其抽离解锁孔，滚动体即向着防转凹槽较浅的一侧移动并定位，并在螺纹沉孔内螺纹连接一个封堵螺钉。

当解锁杆的螺钉柱螺纹连接在所述螺纹沉孔内时，解锁杆的内端顶推滚动体向着防转凹槽较深一侧移动；当旋松解锁杆使其抽离解锁孔时，滚动体向着防转凹槽较浅的一侧移动并定位，此时的螺纹沉孔内螺纹连接一个封堵螺钉，既可以防止第二连接件的反向转动，又可阻止杂质进入解锁孔内。

为了方便储运和使用，如图6所示，加工好的第二连接件内可设置一个由塑胶制成的具有弹性的装配塞7，装配塞可旋入第二连接件的内螺纹孔内，内螺纹即可在装配塞的表面挤压出螺纹槽，使装配塞与第二连接件形成螺纹连接，避免第二连接件内的滚动体和弹性元件的脱出。此外，在装配塞的中心设置正方形的连接孔11，相应地，在第一连接件远离第一连接件头的尾端设置与连接孔适配的正方形的连接头12。这样，在使用时，先将第一连接件穿设在零件的螺栓通孔内，此时第一连接件的连接头伸出零件的螺栓通孔；然后将内螺纹孔内塞有装配塞的第二连接件与第一连接件对接，使第一连接件上的连接头适配在装配塞的连接孔内。然后转动第二连接件，使第二连接件逐步螺纹连接在第一连接件上，此时的装配塞则与第一连接件连接成一体。当第二连接件完全连接到第一连接件上时，装配塞从第二连接件内旋出而与第二连接件完全脱离。

需要说明的是，本发明的超越式离合结构中的防转凹槽也可设置在第一连接件上，并且使防转凹槽的深度在第二连接件的正向转动方向上逐渐变浅。此外，和前述方案相类似地，我们需要在防转凹槽内较浅一侧设置由球体或圆柱体构成的的滚动体，并在防转凹槽内较深一侧设置由压簧或聚四氟乙烯柱构成的弹性元件，弹性元件一端抵压滚动体，另一端抵压防转凹槽较深一侧的侧壁，从而使滚动体向着防转凹槽较浅的一侧移动并定位，滚动体的一侧贴靠防转凹槽的底壁，另一侧贴靠第二连接件。需要说明的是，此时第二连接件无法解除反向的自锁，也就是说，其适用于无需拆卸的装置或结构。

和前述相类似地，当滚动体为球体、并且防转凹槽设置在第一连接件的外螺纹上时，球状的滚动体贴靠第二连接件对应的螺纹槽两侧的内螺纹侧壁；当滚动体为圆柱体、并且防转凹槽设置在第一连接件三圈相邻的外螺纹上时，圆柱状的滚动体同时贴靠第二连接件上与防转凹槽相对应的相邻二圈内螺纹的牙顶；当一连接件上设置光杆、第二连接件上设置相应的缩口时，防转凹槽设置在光杆上，此时的滚动体贴靠缩口的内侧壁。

可以理解的是，对于通过多头的螺纹段实现快速连接的快速接头，其同样可采用本发明的方案，即在具有外螺纹段的公头的外侧壁上、或在具有内螺纹段的母头的内侧壁上设置深度由浅至深的防转凹槽，并在防转凹槽内设置滚动体以及弹性元件，从而可避免母头相对公头的反向转动。