探秘｜号称“永不松动”的螺母究竟有什么技术诀窍？

来源：思博网     发布时间：2016-04-22     点击量：

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　　在最近一次会议上，听到一个蛮有意思的产品：就是一家日本企业拥有一个看似简单别人竟然却怎么学也学不会的技术——中国高铁使用的螺母。

　　Hard Lock螺母成了全世界唯一被广泛应用的绝不松动的螺母，不仅在日本而且在世界各地的主要桥梁和建筑物中也可以看到这种螺母的存在。

　　在Hard Lock的官网上有一个对它的原理比较深入的图解。



　　“Hard Lock螺母”的构思十分简单但巧妙，就是在螺母与螺丝之间揳入楔子以发挥防止松动的作用。但是，若在施工现场将楔子一一揳入要使用的螺母，则既没有效率也不现实。

　　发明人若林克彦想到的法，是在一个螺丝钉上使用呈“凹”“凸”形状的两种螺母。下方呈凸状的螺母，在加工时中心稍许错动（偏心加工），起到楔子的作用。上方呈凹状的螺母，则不作偏离中心的加工（圆形加工），于是形成了锤子揳打楔子的功能。这样的两个螺母合二为一，松动问题就迎刃而解了。

　　Hard Lock螺母的成功吸引很多的模仿者进行模仿，但竟然是无一得逞。因为印象中一直觉得这类机械的东西构思再巧妙，一旦被反向拆解总能模仿，这号称无人能够仿制便吸引了我去深入了解一下这个技术。



　　在我能够检索到的数据库中以若林克彦作为发明人检索到超过60篇专利或专利申请，其中有40篇左右的专利涉及该偏心螺母结构。对这些专利的申请地区进行一个简单分析，可以发现绝大多数专利都是在日本本土申请（上图）。



　　追溯到最早的偏心螺母专利是JPS57184308U的实用新型专利（上图），从专利文件来看，这个1981年的专利申请与现有产品的区别是该专利申请中揭示的“凹螺母”和“凸垫圈”。到了1985年的JPH03526B2发明专利（下图），要求保护的“凹凸螺母”基本上已经是和上文中的原理图以及市面上产品的图片相一致了，该专利的示意图中对于凹凸的夹角α和β有所提及，似乎有技术诀窍的嫌疑。但是我个人觉得夹角这样的技术诀窍不应该成为现在加工技术中无法复制的“拦路虎”。




　　在机械专家面前班门弄斧地小结一下：原理中提及的偏心结构其实质在于当“凹螺母”不断拧紧推进的时候，底下“凸螺母”其中一侧被挤压形变产生强大摩擦力。如果这个假设属实的话，可以看出81年那个专利和85年那个专利尽管“大同小异”，但是实质上有着天壤之别，81年专利能够将螺母和垫圈紧紧咬合，但是底下形变的垫圈难以像螺母一样产生强大的摩擦力，因而料想85年的专利通过挤压使螺母形变产生强大摩擦这个技术方案已经具备了“突出的实质性特点和显著的进步”。

　　因此我个人认为如果说到图片显示的那个永不松动螺母的最初专利，85年申请的JPH03526B2应该算是鼻祖。

　　在此之后，发明人若林克彦还有40篇左右的专利或者专利申请涉及这种偏心“凹凸”结构螺母的改进，其中在中国有2件授权的专利。一件涉及“上螺母”增加一个突出结构，用来提升使用时的方便程度，防止扳手在拧动上螺母的时候同时扰动下螺母；另一件涉及平均产生多个受力形变点，使得挤压形变更均匀，形变摩擦点更多。




　　除了这些改进，我再罗列一些我觉得蛮实用的实例来赞叹一下日本人的敬业。原理都是偏心挤压的原理，但具体实例真的让人脑洞大开（下图）。



　　言归正传，原理基本上是明白了，而且对相关的一系列专利也大致有了了解。但是说到难以复制的技术诀窍，我在研读了这些技术文档之后，觉得不太会是有人猜测的倾角角度或者偏心率等等，因为这类所谓的诀窍在如今的技术（例如3D打印等）面前不应该成为一种障碍。而我觉得最有可能成为其障碍的应该是一个复合问题：螺母金属的冶金工艺以及材料的选取及它们的性质与倾角角度或者偏心率的对应选取关系。也就是说，随便打个比方，它用的假设是某种高强度钢材，那么一定的倾角角度或者偏心率以及通常扭力的作用下会形成一定的形变，但这种形变是可逆的，那么当外力再把它拧松之后两个螺母恢复原状还能继续使用。如果随便用了一种性能不佳的钢材，在完全复制日本螺母参数的情况下，也许就会产生永久或不可逆的形变，这样外力将下螺母彻底锁死而无法再拧松，失去了螺母的意义。

　　当然，将倾角角度或者偏心率说成技术诀窍在广义上也是对的，那就需要研发人员设计合理的实验方案，并通过大量的实验研究不同强度的材质所对应的较好的参数，仅仅简单抄袭确实是行不通的了。

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