永不鬆動的螺帽

生活科學趣談

永不鬆動的螺母無需檢修 成本大幅下降 – 走進日本發布於2011年12月19日

小時候喜歡到萬華火車站看火車,當機車頭往後駛向已裝滿貨物的一列車廂時,自動車鉤會將機車頭與第一節車廂連結並發出聲響。接著火車司機還會繼續將機車頭向後行駛,讓後面的所有車廂一個接著一個發出聲響來確定所有的車廂都已正確連結(從聲響次數也能知道總共拉了幾節)。最後機車頭開始拉動列車前行時,又會從頭一個接著一個再度往後發出聲響,此時的聲響就是敲擊到背隙(backlash)所發出的。

螺帽與螺桿之間的螺紋也有背隙,此背隙除了能避免元件卡死之外,也能讓元件之間存在著彈性變形的空間。因為背隙存在的緣故,當母材(機器本體)振動時,就可能會讓螺帽產生微量的旋轉而鬆動。因此螺帽在鎖定後,通常會在母材、螺帽、螺桿上畫線作記號,做為將來維護人員以肉眼來判斷螺帽是否因振動而鬆動的依據

這個 Nord-Lock 的防鬆脫機制來自於「墊圈內表面的楔形角度 α 大於螺桿螺紋的斜面角 β」。因為上墊圈與螺帽若要同時旋鬆某一角度 θ時(註1),墊圈所上抬的距離將會大於螺帽往上移動的距離,產生的抬升張力將使墊圈與螺帽之間推擠得更緊。由於最大靜摩擦力與正向力成正比,即可讓螺帽與螺桿螺紋之間更不容易滑動,從而達到鎖緊而不鬆脫的效果。這種防鬆機制稱為楔入式防鬆,也就是類似在榫卯結構中敲入楔子可緊固連接件一樣。

下則影片則是標題這篇文章提及的「永不鬆動之Hard Lock螺母」的測試影片

官網的解說影片如下↓

動畫說明則是↓

這個防鬆的機制與 Nord-Lock 相似,當下方凸形螺帽與上方凹形螺帽同時旋鬆某一角度 θ時,因為下方凸形的圓心設計成偏離螺桿的圓心,一起旋轉時凸形螺帽就會施加一個側向力給上方的螺帽。上方螺帽與螺桿的螺紋之間就會產生更大的正向壓迫力,因此也能達到讓螺帽與螺桿螺紋之間更不容易滑動,從而達到鎖緊而不鬆脫的效果。

【註1】楔入式 防鬆系統由預裝好的一對墊圈組成,墊圈內表面呈楔形,外表面為放射狀鋸齒,硬度高於與之接觸面的材料硬度。在擰緊螺栓時,墊圈外表面的放射狀鋸齒和其所接觸的工件表面咬合,防鬆系統楔形內表面的摩擦係數顯著低於鋸齒狀外表面的摩擦係數,位移只會發生在墊圈的內表面之間,當連接件受到振動,並使螺栓發生鬆動趨勢時,僅僅允許兩片墊圈內側斜齒面間相對錯動,產生抬升張力,從而達到鎖緊效果。楔入式防鬆系統防止由於振動和動力負載引起的鬆動安裝拆卸容易,鎖緊效果不受潤滑影響,可以控制預緊力的高低,可重複使用。資料來源:鉗工小李

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