光机丨螺纹问题（一）

1 定义

螺纹紧固件与螺母配合使用的，是螺栓。螺栓和螺柱的主要作用是连接，用于常拆装的情况。

和螺纹孔或者钢丝螺套一起使用，是螺钉。螺钉可用作紧固件和调节装置；若使用灌封环氧树脂或锁紧螺母，可用于一次性调节，调节精度受限于螺纹螺距和连接处的摩擦力。

有些工程师是不区分这两个概念使用的，需要注意二者是不同的。

2 预紧力

在装配过程中通过施加扭矩产生预紧力，连接零件。光机结构在工作过程中，受到外界静载荷/动载荷，以及由于机械结构零件热膨胀系数差异产生的热载荷。

在螺栓上施加扭矩进行紧固，被连接零件产生压缩，螺栓上形成拉力。

一般来说，预紧力产生的应力为屈服应力的75%，摩擦在实现所需的预紧力时起到了重要的作用！

图 预紧力作用下的螺纹摩擦力

根据力的平衡状态可得，拧紧过程中扭矩和预紧力之间关系式为：

式中：F为预紧力，N；

Dm为螺纹中径，mm；

Dc为螺栓头部直径，mm；

l为导程，即螺纹间距离，mm；

μ为螺纹摩擦系数；

μc为螺栓头部摩擦系数；

α为牙型角，可取60度，注意，方形螺纹牙型角为0。

拧松过程中关系式为：

一般来说，拧松扭矩大约为拧紧扭矩的60%-70%。

对于没有润滑的螺栓，摩擦系数典型值一般取0.15，有润滑的情况下，取0.08。

注意：大约40%的扭矩用于克服螺栓头部和螺母之间的摩擦，40%用于螺纹摩擦，20%用于螺栓拉伸。

如果把典型摩擦系数值代入公式（1），可得扭矩与预紧力之间的关系式。

然而，以上的摩擦系数取的是典型值，而实际过程中，摩擦系数数值是不确定的，在预紧力十分关键的地方，会设置1.25倍的安全系数。

润滑的作用：

① 减小螺纹与螺栓头部或者螺母之间的摩擦；

② 减小摩擦影响的不确定性；

③ 防止相似材料之间的磨损。

常用的固体润滑采用二硫化钨或者二硫化钼。

注意：螺纹和头部经常需要同时润滑，有时会用润滑螺套代替螺纹润滑；

螺钉润滑了，螺母和螺套可以不用再润滑。

如果螺母没有润滑，而螺栓头部采用润滑，会出现预紧力差异。

3 垫圈

预紧力变化导致螺栓拧紧或松弛太多，可采用垫圈，垫圈刚度是远远小于螺栓刚度的，可以大大降低预紧力的变化。

3.1 平垫片

平垫片作用是均匀分布螺栓/螺母下的载荷，也有助于控制摩擦，以便在扭矩作用下产生合理的预紧力；最后还提供一个光滑的平面，使螺栓不容易松动！

3.2 锁紧垫片

锁紧垫片常用的有两种类型，开口垫圈和齿形垫圈。锁紧垫圈的作用是防止螺栓在外载荷作用特别是振动载荷下产生的松动，不过，它的作用一直是存在争议的。

溯源依然是《fastener design manual》

锁紧垫圈起作用，是由于开口垫圈的弹簧效应，当垫圈完全的压缩时，就变成了平垫圈，丧失了“弹性”，就成了了没啥用的废物。

回归到光机结构设计，为啥不用这种锁紧垫圈？

① 振动环境中的作用是极其“微小”的！

② 无论是开口还是齿形垫圈-它起作用，是通过“啮合”产生的机械锁紧，而这个“啮合”是真正的问题所在，在啮合时，产生微粒污染，这对有光学零件的场合，是不希望出现微粒的，因此，可以理解为啥是NASA提出，不要使用这种垫圈的！

3.3 锁紧螺母

锁紧螺母是采用变形的螺牙形式，可以防止螺纹松动，代价就是，高的工作力矩和摩擦，从而降低螺栓的预紧载荷控制能力。

3.4 弹簧垫圈

弹簧垫圈刚度是远远小于螺栓本身的刚度（差一个数量级），材料之间的不同热膨胀变形很容易被弹簧吸收，减小热变形带来的影响。

同上，使用弹簧垫圈时，应注意控制扭矩保证合理的预紧力。

为得到所需预紧力，弹簧垫圈可能使用几层堆叠，或者相互并联方式增加载荷，或者上下颠倒减小载荷，或者组合使用上述两种方式。

同时，垫圈之间的摩擦会增加预紧力的不确定性，增加装配的难度。

文中：大约40%的扭矩用于克服螺栓头部和螺母之间的摩擦，40%用于螺纹摩擦，20%用于螺栓拉伸。

和经典的541原则数值是有区别的，这里无法确定具体比例数值。

本文参考文献《光学结构分析》第14章内容

作者QQ及微信：49922779