螺栓连接在循环载荷作用下容易发生自松动。一旦失去预紧力，连接失败的风险就会增加。为了防止因自松而导致的失效，了解自松的机理是有帮助的。
大多数螺栓连接包括至少两个连接部件以及紧固系统。所述紧固系统可以是螺栓和螺母、螺栓或螺钉和螺纹或丝锥连接组件、带有各种垫圈设计的螺栓和螺母等。在最基本的形式中，由两块板以及螺母和螺栓组成的接头如图2所示。
螺栓预加载到螺栓中的力(Fb)．螺栓中的拉伸量与螺栓的刚度和活动长度(L)成正比。
螺栓拉伸方程如式1所示:
dL = (FbL) / AE
精确的方程对于本文的讨论并不重要。然而，重要的是要注意拉伸与预紧力和螺栓长度成正比。如果螺栓长度是固定的，负载是恒定的(因此，拉伸)，那么这是一个静态应用。
1969年，Junker6指出横向加载(垂直于螺栓轴)最有可能导致自松动。从那时起，许多研究已经证实，循环横向加载导致类似的事件模式，导致卸载预应力螺栓。图1显示了每个振动周期中关节成员之间的相对滑移(a)。
当这种滑移发生时，很容易看到螺栓上的载荷也会发生变化。这在容克的测试数据中显示出来，在每次振动中都有负载振荡。这种预紧力的变化将与相对横向位移的量和螺栓的刚度成比例。如果螺栓预紧力在每个循环中发生变化(dF ' b)，那么螺栓拉伸也必须按比例变化(dL ')。每个周期内力的变化方程可在式2中求解。
dF ' b = (dL ' AE)/L
从极端的角度来看，如果a或螺栓刚度的值很大，那么力的变化就会更大。相反，当这些值接近零时，预紧力将没有预期变化。此外，如果螺栓长度越长，则每次循环的力变化就越小。这是因为较长的螺栓增加了紧固系统的弹性。更极端的情况是，如果螺栓无限长，那么在每一个循环中载荷都不会发生变化。这将成为一个静态应用程序。一般来说，由于振动引起的预紧力损失遵循类似的一般模式，并发生在两个观察阶段。阶段I显示从初始预紧逐渐松弛。一旦负荷下降到某个临界值以下，阶段II开始，并有一个快速松动。
紧固件组件相对于关节的角度旋转有一个关系，该值为ϴ，如图3所示。
这在直觉上是有道理的。如果螺母后退(旋转)，那么人们会期望负载迅速下降。许多旨在防止螺栓自松失效的产品旨在减少或消除曲线第二阶段的损失。这些产品包括减少或抵消螺母或螺栓头相对于关节的旋转的方法。在防止组件旋转方面，每种方法都有其优点和缺点。一些例子是机械锁定紧固系统，如锁丝或销，螺纹锁定化合物，弹性止动螺母或螺栓尼龙贴片材料，改进的螺纹系统，锯齿垫圈系统和锁或齿垫圈。与其减少阶段II的负荷损失，不如减少阶段I的负荷损失，从而使阶段II永远不会发生。在阶段i中几乎没有角旋转。大多数人认为这一阶段的预紧力损失是由于在每个加载周期中应力构件的塑性变形的嵌入。假设这是正确的，那么也可以合理地假设嵌入的速率随周期而减小。
这条曲线与这一假设一致，假定在一些早期损失之后，负荷损失会趋于平缓，达到一个相对较低的速率。根据前面讨论的预紧力变化方程，如果螺栓长度较长，则系统弹性增大，由于预埋而引起的预紧力变化将成比例地减小。另一种增加螺栓系统弹性的方法是使用Belleville弹簧。Bellevilles可以将螺栓的有效长度增加10倍或更多。
现在，考虑一个案例，在紧固系统中添加一个Belleville，弹簧的增加弹性(挠度)为0.015英寸(图4)。
在相同的装配条件下，假设握把长度和振动位移，载荷变化减少了11倍(因为螺栓拉伸没有损失)。每次振动时的载荷变化为±91磅力(lbf)。这实际上是一个静态应用，因为力的变化很小。这样至少可以在一定程度上减少嵌入。即使发生了相同的嵌入，在没有Belleville的情况下，负载损失也将是系统的1/11。因此，负载将仅下降到5940 lbf。
应该指出的是，不应忽视摩擦。如果螺栓系统中的摩擦接近于零，那么任何螺栓连接都不会保持预紧力。载荷可以通过扭矩施加到螺栓上，但一旦扳手被移除，螺母就会立即卸载，因为摩擦是唯一使其保持在原位的东西。有许多研究证实，振动会增加这种趋势，因此摩擦力应该是任何螺栓系统设计的一个考虑因素。至少，要明白，通过润滑等方式减少摩擦，可能不会改善系统中因振动而卸载的预紧力。
增加受振动影响的螺栓系统的弹性可以减少系统卸载的趋势，原因有两个:每个振动周期中的力变化较小或由于嵌入而造成的负载损失将减少。有几种方法可以增加紧固系统的弹性，包括使用更长的螺栓、减小直径的螺栓和使用Belleville弹簧。
参考文献
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