防松紧固件的制作方法

本发明涉及防松紧固件领域，尤其涉及一种能够防止在横向载荷的作用下松脱的螺纹副紧固件。

背景技术：

螺纹副联接因具有结构紧凑、便于拆装、联接力大等显著优点而被广泛应用。然而，螺纹副联接存在松动失效问题，如何安全地享受螺纹副联接带来的便利是对螺纹副联接的一大拷问。

松动作为螺纹副联接的主要失效形式之一早已普遍存在。螺纹副联接的松动会带来被紧固件夹紧力的下降，甚至完全丧失，从而导致螺栓加速疲劳、异响、联接松脱等一系列问题，甚至事故的发生。虽然大部分松动失效并不会引发大规模灾难性事故，但，历史上由于螺栓失效引起的重大事故却不胜枚举。举例来说，发动机中螺纹副联接松动的失效不可容忍；一般而言，现代发动机使用到250到320个螺纹副联接，使用到80到160种螺钉和螺栓；谢福林.cy4102bzq柴油机机体结构强度评估.天津大学，2003.中提到：由美国汽车维修商完成的一项调查显示，所有维修问题的23％是由松动引起的，甚至有12％的新车都存在紧固件松动。

迄今，人类用了至少70年的时间研究螺纹副松动失效的机理，但依然没提出一套完整的模型来准确描述螺纹副松动的具体失效过程。1969年，junker首先提出：动态的横向载荷(即垂直于螺栓轴线的载荷)比轴向载荷更能引起松动。并发明了如今仍被广泛应用的junker松动试验机。随后，许多研究者开始对横向载荷是如何引起螺纹副松动的具体机理展开研究，在广泛总结了前人研究的基础上仍然指出：至今仍没有一个形式简单、预测准确的模型可以用于预测螺栓在指定载荷条件下的松动规律。

bengto.frieberg.gb2136077a.1984-09-12，图1-3，图7-8.提出一种楔形防松结构，利用比螺纹升角更大的楔形角在螺栓往松脱方向旋出的时候，从几何结构上阻碍旋出的进一步进行，并在这一过程中迫使螺栓伸长来产生更大的张紧力以获得更大的摩擦力以抵抗横向载荷的作用。实践证明，bengto.frieberg提出的这一结构是有效的，证据可见于在后有多名研究者相继提出了诸多类似结构，有的在其基础上有所改进，有的则别无二致。例如，sydneyl.terry.usre33827.1992-02-18，图10.想到在楔形面之间增设橡胶弹簧的改进，并将垫片做成带六角头的形式以便于拆装；张式沂.cn2423440y.2001-03-10，图5.明确提出在螺栓头部一端也增设楔形结构；徐进.wo2007/033523a1.防盗防松紧固件及其制造方法.2007-03-29，图7-8.提出一种在垫片上开槽的改进，实现需要使用特殊工具才能拆装的防盗功能；陈映里.twm298660.防松防盗螺丝组件(一).2006-10-01，图3.想到让垫片拱起的改进；李宗宪等.cn204099391u.2015-01-14，图6，在时隔张式沂14年后重提了与cn2423440y一致的结构；王兴全等.cn206468669u.2017-09-05，图1.想到在螺母上端开设横槽，使该部分在拧紧时变形的内螺纹紧紧抱紧在螺栓的外螺纹上，达到增加螺纹的摩擦力的效果；有意思的是，马蒂亚斯·安德森等.cn105074235a.2015-11-18，图1a.系时隔30年后，同样来自瑞典马特马尔且同名为nordlock的申请人再次提出，并吸收了usre33827图6所示的小齿(18i、18h)设计。关于在bengto.frieberg之后提出的类似于gb2136077a结构的再改进或再提出还有很多案例，限于篇幅，不一一赘述。

现有技术中有关楔形防松结构的发明大多没有偏离bengto.frieberg所提的基本构型，其防松效果的前提是假定提供楔形面的最底部构件(即与工件接触的垫片)在横向振动载荷的作用下能够保持不动，一旦最底部构件在横向振动载荷的作用下出现松动旋出，特别是在材料松动期结束后，楔形防松结构将无法在结构松动期起作用。从nordlock公司提供的junker测试视频中(https：//pan.baidu.com/s/1_5do8b55233seop8pggk9g或https：//youtu.be/nhgz5ssq78y第3分38秒)可以看出，在横向振动载荷的作用下，底部垫片与工件的接触面之间析了出金属颗粒，表明其已进入材料松动期，若横向振动载荷持续作用，可以预见nordlock垫圈(washer)必将松动旋出。王兆友等.汽车底盘用不同螺栓防松结构的振动试验分析及应用.2015中国汽车工程学会年会论文集(volume3)，第1180页.指出试验中出现松动是由于楔形防松垫圈外齿面未能嵌入到试验垫片(模拟基材)表面(图9)，并指出楔形防松垫圈的硬度达465hvl；根据din50150-2000，465hvl对应于1485-1520mpa的抗拉强度，远远高于常见工件用钢的强度。可见，楔形防松结构的的关键在于最底部构件的防松。

技术实现要素：

基于以上背景，本发明人提出一种新型的楔形防松紧固件，解决现有楔形防松紧固件最底部构件(即与工件接触的垫圈)的防松问题。

现有的楔形防松紧固件结构的最底部构件的外齿(与工件接触的凹凸结构)的设计可见诸于些许专利文献的报道，例如，tw303418b.1997-04-21，图8；wo2007/033523a1.2007-03-29，图5；cn203892344u.2014-10-22，图1；但都没有脱离围绕螺栓轴线的圆周阵列布置的范畴。在一些非楔形防松紧固件与工件接触的外齿设计中，例如，gb1582775.1981-07-01，图2；us4657459.1987-04-14，图1，图2；wo2011/078852a1.2011-06-30，图1；也都没有脱离围绕螺栓轴线的圆周阵列布置范畴。

本发明人认为：现有技术中，将垫圈外齿设计成围绕螺栓轴线的圆周阵列布置是一种对阻止垫圈旋出的直观认知，这种直观认知认为圆周阵列布置的垫圈外齿嵌入工件表面后，是基于有利于对抗来自不同方向的横向振动载荷考虑的。本发明人对现有技术的这种认知持怀疑态度。

为了实现比现有楔形防松螺母紧固件最底部构件更好的防松效果，本发明的技术方案如右：螺纹副紧固件的楔形垫圈，该垫圈的上表面的特征在于具有多个沿圆周布置的楔形面，且至少一有个楔形面的楔形角大于该螺纹副的螺旋升角；该垫圈的下表面的特征在于具有多个沿平行布置的外齿。

本发明人抛弃现有技术的认知，提出上述将垫圈外齿沿平行布置的发明，本发明这种反直观的认知比起现有技术，反而具有显著优越的防松效果。以下结合附图，介绍本发明与现有技术防松效果的对比。

如图1，俯视工件，考察一个与工件接触的垫圈表面100，在一个振动周期内，有一个横向载荷沿x轴正方向作用于垫圈，若工件与垫圈要保持相对静止，垫圈的接触面100上藉由张紧力产生的总静摩擦力应能抵消该横向载荷。为了便于考察接触面100的受力细节，请在接触面100上任意拾取一圆周101，将圆周101等分为多个扇区(图1为20个)，考察每一扇区在圆周101上的受力。圆周101上的各点需要大小相等方向相同的反向摩擦力fi(i＝1，2，……，20)以对抗载荷的横向作用；还需要大小相等且与圆周101相切的反向摩擦力fj(j＝1，2，……，20)以对抗载荷的松动旋出(ω)作用。如图2，fi与fj的合力为fk(k＝1，2，……，20)，作垂直于fk的力臂线，将交于一个偏离到圆心0上方的一点，fk产生的总扭矩m将对抗载荷的松动旋出(ω)作用。如图3，在一个振动周期内，考察横向振动载荷沿x轴负方向作用于垫圈的情况，同理，此时fl产生的总扭矩m将偏离到圆心0点的下方。如此反复，垫圈表面100需要承受交替变换的偏心扭矩，只有在每次横向振动载荷作用时，垫圈表面100承受的反向摩擦力fi总能对抗载荷的横向作用，且反向摩擦力fj产生的总扭矩m总能对抗载荷的松动旋出作用，垫圈表面100才能始终保持静止；可见，只要在某次横向振动的过程中，或因螺纹副材料松动(一种材料疲劳或屈服失效现象)导致张力不稳，或因螺栓产生偏轴弯曲导致垫圈表面100受压不均，垫圈表面100承受的反向摩擦力fi和fj都会随之变化；当总扭矩m无法对抗载荷的松动旋出作用时，垫圈就会往松动方向旋出一些，又进一步降低了螺栓能提供的最大张紧力，当遭受下一次横向振动载荷作用时，垫圈会具有更高的概率发生松动旋出，如此积累，垫圈最终将旋松无疑。

上述基于图1至图3的考察说明，垫圈的松动旋出是一个微观累积的过程。防止旋出的关键是总扭矩m总能对抗载荷的松动旋出作用。由于材料松动不可避免，垫圈必然会发生松动旋出。即使不考虑螺纹副材料松动期的影响，仅仅延长垫圈外齿的材料松动期，对楔形防松螺母紧固件来说也能因具有楔形面特征产生的张拉作用保持张紧力维持较小的下降水平。

如图4，在现有技术惯用的垫圈200中，垫圈外齿201围绕螺栓轴线呈圆周阵列布置；在一个横向振动周期内，垫圈外齿201先后承受不同方向的反向摩擦力fk与fl；基本上，fk与fl以较小的锐角作用于靠近x轴的外齿(例如外齿2011)，以较大的锐角作用于远离x轴的外齿(例如外齿2012)；由于外齿201是圆周阵列布置的，即使横向载荷不以图4所示的x轴方向作用(想象一下x轴旋绕圆心0点转起来)，fk与fl作用在外齿的角度也符合这一规律；也就是说，不论横向振动载荷以何种方向作用，圆周阵列布置的垫圈外齿遭受的综合应力是一致的。

如图5、6，在本发明的垫圈300中，fk与fl作用在外齿301的角度基本一致。图5，当外齿与横向载荷平行时，fk与fl基本以较小的锐角作用于外齿301。图6，当外齿与横向载荷垂直时，fk与fl基本以较大的锐角作用于外齿301。也就是说，当横向振动载荷以不同的方向作用时，本发明平行布置的外齿遭受的综合应力也不同。

注意到，在现有技术惯用的垫圈200中，垫圈外齿201的长度是一致；本发明垫圈300中，垫圈外齿301的长度则不完全一致。可见，综合应力的比较，应考察fk与fl的大与外齿的长度的比值，这一比值可以称为应力指数i。

如图7、8、9，考察大小相同的反向摩擦力以不同方向作用于同一长方体单元时的应力，该长方体单元的尺寸为2mm×1mm×1mm，材料选择45号钢，屈服强度为355mpa，反向摩擦力作用于上表面，总大小为300n(取摩擦系数0.15，对应2吨的张紧力)，分别以0°、45°、90°方向作用。图7至9中，过屈服的材料体积占总体积的比例分别为20.29％、41.56％、60.57％，可见，反向摩擦力越偏离长方体单元的长边方向作用时，过屈服的区域(失效区域)越多。因此，比较应力指数i，可以分别比较反向摩擦力沿长方体单元长边和垂直于长方体单元长边的作用时的两种情况，分别称为ia、ib。

取图3所示的合力fl比较ia、ib在现有技术和本发明中的情况。如图10，将fl(图中虚线化)沿垫圈外齿201和301的长边方向分解为fm(m＝1，2，……，20)，分别计算图示3中情况下的计算结果图示化为图11。由图11可见，当反向摩擦力沿外齿的长边作用时，现有技术的应力指数ia＝0.39，本发明在极大和极小情况下的应力指数ia分别为0.14(为现有技术的36％)、0.42(为现有技术的108％)。

如图12，将fl(图中虚线化)垂直垫圈外齿201和301的长边方向分解为fn(n＝1，2，……，20)，分别计算图示3中情况下的计算结果图示化为图13。由图13可见，当反向摩擦力垂直外齿的长边作用时，现有技术的应力指数ib＝0.41，本发明在极大和极小情况下的应力指数ib分别为0.42(为现有技术的36％)、0.13(为现有技术的108％)。

通过垫圈外齿在两大极端方向上的应力指数对比，很明显，本发明的应力指数极小值远小于现有技术，是其36％；而，极大值是略高于现有技术，仅是其108％；本的平均应力指数是为现有技术的72％，达到显著下降的效果。可见，本发明的垫圈外齿相比于现有技术的垫圈外齿，在相同的横向载荷工况下，综合应力减小28％，屈服疲劳得到明显改善；在垫圈外齿的公称尺寸相同时，嵌入工件表面的能力大为提高，在同样的张紧力条件下，本发明的垫圈外齿能够更好地持稳于工件表面，为楔形防松结构提供了更好的最底部构件防松支持。

为了更好地理解本发明的优点，列出本发明说明书附图。不过，应当理解，本发明说明书附图是出于示意的目的给出的，而不是旨在限定本发明的范围。

说明书附图

图1：垫圈表面受力示意图；

图2：横向振动载荷沿x轴正方向时图1的合力图；

图3：横向振动载荷沿x轴负方向时图1的合力图；

图4：一个横向振动周期中合力在圆周阵列布置的垫圈外齿上的示意图；

图5：一个横向振动周期中合力在根据本发明精神布置的垫圈外齿上的示意图(垫圈外齿与横向振动载荷平行)；

图6：一个横向振动周期中合力在根据本发明精神布置的垫圈外齿上的示意图(垫圈外齿与横向振动载荷垂直)；

图7：长方体单元在载荷沿其长边时的应力云图；

图8：长方体单元在载荷与其长边呈45°夹角时的应力云图；

图9：长方体单元在载荷垂直其长边时的应力云图；

图10：沿垫圈外齿长边的分载荷作用于现有技术与本发明精神的垫圈外齿时的示意图；

图11：应力指数ia的柱状比较图；

图12：垂直垫圈外齿长边的分载荷作用于现有技术与本发明精神的垫圈外齿时的示意图；

图13：应力指数ib的柱状比较图；

图14；根据本发明精神实施的一种垫圈立体图；

图15；根据本发明精神实施的一种垫圈与螺母的装配立体图；

图16；根据本发明精神实施的一种垫圈、螺母、螺栓装配展开图；

图17；根据本发明精神实施的一种垫圈在张紧力的反作用下的示意图；

图18；根据本发明精神实施的一种垫圈在工件表面的压痕仿真图；

图19；根据本发明精神实施的一种垫圈的junker测试图。

具体实施方式

如图14所示，根据本发明的精神，本实施例垫圈下表面的外齿采用平行布置。垫圈上表面具有多个沿圆周布置的楔形面(见图16)，该楔形面的楔形角α(见图15)大于螺纹副的升角。

本实施例采用螺母端防松方案，防松楔形结构设置于垫圈和螺母上，防松的关键在于垫圈能在一定强度的横向振动载荷水下与工件保持静止。在张紧力的反力作用下(见图17)，垫圈在工件表面的压痕如图18。

验证本实施例垫圈防松效果相比于现有技术，例如相比于nordlock楔形防松紧固件，具有更有的防松效果的一种显见的方式是采用低于nordlock的张紧力要求，比较防松效果。

本实施例螺母取m16，螺母强度等级8级，螺栓强度等级8.8级。初始预紧力取35kn，横向振动载荷振动力取7.8kn，频率12.5hz，振动时间240s，根据gb/t10431-2008测试。测试结果如图19；测试结果表明本实施能够仅在35kn的初始预紧力下起到防松的效果。在发明人在进一步的测试中，取得仅在15kn的初始预紧力下起到防松的效果的成绩。根据nord-lock垫圈的官方技术文档数据，对应本实施例强度等级的产品，其最低初始预紧力要求为62kn。可见，本实施例在垫圈的防松效果明显好于现有技术，能够以更小的初始预紧力达到防松效果。

nork-lock垫圈的官方技术文档链接如下：

https：//www.nord-lock.com/globalassets/mediavalet/web-assets/guides/nord-lock/nord-lock_torque-guidelines_washers_steel_metric2.pdf？newtab＝

本发明人于申请前备份的链接如下：

1：https：//pan.baidu.com/s/10lvaccxig1zwhnlkhfkduw

2：https：//www.dropbox.com/s/2rryfqhbuf8r4le/nord-lock_torque-guidelines_washers_steel_metric2.pdf？dl＝0

3：https：//drive.google.com/file/d/16ela-yduyl2ewr0av6a6h6a1mp8xufxc/view？usp＝sharing

该技术文档的sha256值：

46cbc805f0f2f1cac763b9853af5e62127dc9717e2c02a87d730e0453f7cf0d9

上述官方链接或备份链接可能因所在存储条件的调整或网络漏洞等不可抗力的因素而导致失效，应当理解，若其失效不能以此认为对上述链接的引用属于公开不足。

以上是本实施的实施示例。根据本发明的精神，还可以有不同于图15、16的实施。比如，1.类似nord-lock方案，以一对本发明垫圈为组合，可以使用非楔形螺母实施；再比如，在前述1的基础上的组合垫圈中，位于上部的垫圈可以选用非本发明垫圈；再比如，取螺栓头部端为防松端实施本发明；再比如，取螺母和螺栓头部为防松端实施本发明；实施例不胜枚举，不能仅以上述实施例限定本发明。