2022-08-No1-扣件技術新訊

各位先進們大家好，與您分享本期扣件技術新訊 (2022-08-No-1)：

#技術主題：扣件典型及新型防鬆脫方法綜合評述

Hao 等人[1] 綜合評述了扣件防鬆脫方法，包括 (1) 防鬆脫結構設計對防鬆脫性能之影響，(2)典型防鬆脫結構設計(墊片 / 螺帽)與(3)新型防鬆脫結構設計(改變内外螺紋、承面設計、材質)，説明如下：

一、防鬆脫結構設計對防鬆脫性能之影響：

1. 周期性橫向振動是導致螺紋扣件鬆脫的主要原因，可利用預緊力振動周期保持率，定量評估不同防鬆結構性能。

2. 增加防鬆脫性能之設計參數：增加預緊力、增加承面摩擦係數、增加螺紋表面複雜幾何、降低孔間隙、降低螺紋配合間隙、降低牙距。

3. 增加螺紋表面摩擦力的結構設計，比增加軸承表面摩擦力的墊圈形式的結構要好得多。

4. 偏心雙螺母和預置扭力螺母在任何情況下都表現出優異的防鬆能力；在工程應用上，常將一般螺帽與預置扭力螺帽組合成混合雙螺帽(Hybrid double nuts)以提供更佳之防鬆脫能力。

5. 楔形墊圈和錐形墊圈，能有效地防止鬆動；平墊圈和彈簧墊圈容易因劇烈振動，造成承面表面磨損而失去防鬆性能。

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二、典型防鬆脫結構設計，包括墊圈和螺帽設計，其説明如下：

2.1 典型墊圈防鬆結構設計：

1.平墊圈 (Plain washer)：設計目的不是爲了防鬆脫，而是保護鎖固物表面，且具有良好的鎖固力量分佈。

2. 彈簧墊圈 (Spring washer)：能增加承面間的摩擦力，但在硬的鎖固物表面，容易滑移而導致鬆脫。

3. 蝶形墊片 (Belleville washer)：重負荷鎖固用；透過儲存應變能量，抵抗橫向振動避免鬆脫。

4.楔形墊圈 (Wedge washer)：利用楔形特徵，在鎖固時增加預緊力，以抑制鬆脫滑移。

5. 鋸齒墊圈 (Serrated washer)：鋸齒刺入接觸面以增加摩擦力；外鋸齒設計之防鬆性能優於内鋸齒設計。

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2.2 典型螺帽防鬆脫結構設計：

1. 雙螺帽 (Double nuts)：增加接觸面積，提升摩擦力以防鬆脫；缺點為需正確鎖固才能有效防鬆脫。

2. 偏心雙螺帽 (Eccentric double nuts)：利用凸螺帽之凸轂特徵(boss)鎖入凹螺帽中，形成楔合强力鎖固以防鬆脫。

3. 楔形鎖緊螺帽 (Wedge locking nut)：透過修改牙型設計，螺牙根部為特殊楔形坡道設計；螺帽能持續保持緊固，直到螺栓疲勞失效爲止。

4. 預置扭力螺帽 (Prevailing torque nut)：

(1) 組成：金屬尼龍嵌入件 + 帶槽的金屬螺帽 + 橢圓形螺牙頂部橢圓形特徵 + 彈簧鋼嵌入件。

(2) 螺帽鎖固時產生較大的摩擦力矩，提供優越的防鬆性能

(3) 當軸向載荷超過了螺栓之殘留預載，則螺帽可能會完全從螺栓上脫落。

5. 棘輪螺帽 (Ratcheted nut)：

(1) 承面上之棘輪特徵，施加預載時，可能刺入接觸面，增加摩擦力以防鬆脫。

(2) 承受劇烈衝擊負荷時，棘輪表面材料容易磨損，降低防鬆脫能力。

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三、新型防鬆脫結構設計：

1. 改變螺帽內螺紋：改變螺帽内螺紋形狀或螺距，產生干涉量，增加承面接觸前的鎖固扭矩。

2. 改變螺栓外螺紋：

(1) 改變螺栓外螺紋牙距，與常規螺帽鎖固時，因干涉而增加額外的扭力。

(2) 減少導程角可降低扭矩傳遞而防止鬆脫。

(3) 改變螺栓外螺紋形狀，採用軸向力鎖緊方式，配合雙螺帽防鬆。

3. 改變螺帽或螺栓頭的承面設計：

(1) 傾斜角度的承載面設計，以增加内外螺紋間的干涉量。

(2) 改變承載面特徵，增加軸向負荷鎖固方法，如球形加壓後能增加螺栓張力。

(3) 增加承載面之摩擦力，如具有棘刺特徵之承載面或配合的墊圈。

4. 同時改變螺栓和螺母的外螺紋和內螺紋：改變螺紋形狀抑制螺紋表面沿徑向發生滑動或相對運動。

5. 改變螺栓或螺帽的材料類型：使用形狀記憶合金，如透過形狀恢復的過程，能將軸向和徑向恢復力轉化爲摩擦力矩，以防止内外螺紋旋轉。

應用該技術，可協助產業透過『扣件典型及新型防鬆脫方法綜合評述』技術，建立『扣件防鬆方法』之技術能量及相關研究開發之參考資料。

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#參考資料：

[1] Hao, G. O. N. G., Jianhua, L. I. U., & Huihua, F. E. N. G. (2021). Review on anti-loosening methods for threaded fasteners. Chinese Journal of Aeronautics.

[2] 台灣扣件產業服務雲, 扣件技術新訊, Vol. 08-No1, https://www.tw-fastener.com/tfsc/knowledge/BLP_e4889e3b-ef92-4f6d-ab57-0389466385bf

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