規格表上的防鬆扭矩是一個上限,不是拿來相加的數字
有位剛上任幾週的製造工程師,把一份規格表貼到 r/MechanicalEngineering。防鬆扭矩 300 in·lbs、鬆脫扭矩 37,而圖面要他「在防鬆扭矩之上再加 5 到 40」。他算出 305 到 340,供應商回他 42 到 77。他問哪個對。答案是:那張表上的兩個數字在做完全不同的事,而其中一件不是加法。
那串裡的算術,以及它指向哪裡
照他貼出來的數字算。供應商的答案就是 37 + 5 = 42 與 37 + 40 = 77。 被加進去的是 37,而 300 根本沒有進到那個加總裡。 那串最好的一則用一句話講出結構性的原因:扣件規格是在告訴人怎麼做一顆螺帽, 不是在告訴你怎麼設計一個接頭。
他那份航太規格我們沒有讀到,所以下面用的是在公制螺帽這一側管同一件事的 ISO 2320。它的結構解釋了為什麼一張規格表上可以有兩個防鬆扭矩,而它們的行為完全不同。
兩個限,方向相反
ISO 2320 第 8 節的原話:prevailing-on torque 不得超過表上的值,而 prevailing-off torque 必須超過它。一個是天花板,一個是地板。
天花板的存在是為了讓螺帽轉得下去。防鬆特徵在進去的時候抵抗太大, 會吃掉工具的能力、讓嵌入件發熱,也讓人分不出哪裡是貼合、哪裡只是摩擦。 地板才是防鬆的宣稱:接頭被鬆開之後,那麼多阻力還要在。 一顆螺帽會因為太緊而不合這份標準,就跟因為太鬆一樣, 而多數人心裡的自鎖螺帽不是這個樣子。
性能等級 04、粗牙,單位 N·m:
| 螺紋 | 第一次裝入,上限 | 第一次退出,下限 | 第五次退出,下限 |
|---|---|---|---|
| M5 | 1,6 | 0,29 | 0,2 |
| M6 | 3 | 0,45 | 0,3 |
| M8 | 6 | 0,85 | 0,6 |
| M10 | 10,5 | 1,5 | 1 |
| M12 | 15,5 | 2,3 | 1,6 |
| M16 | 32 | 4,5 | 3 |
| M20 | 54 | 7,5 | 5,3 |
注意兩欄之間的差距。M10 進去時最多可以抵抗 10,5 N·m,出來時還必須交出 1,5。這不是同一個量的兩個估計值, 而是這個零件被允許落在哪個範圍的兩端。 而你放進鎖付計算裡的,兩個都不是:是你手上那顆實際量出來的值。
同一張表底下的一則註腳會絆到人。第一次裝入的上限 只適用於全金屬式;非金屬嵌入式的上限是那些值的 一半。所以一顆旋上去手感偏緊的尼龍嵌入式螺帽, 比手感相同的全金屬式螺帽早得多就出規格了。
為什麼另一串裡兩個互相打架的定義聽起來都對
另一串問的是 locking torque 跟 prevailing torque 差在哪。 一則回「靜摩擦對動摩擦」,另一則引 SAE 的文件說兩者就是同一件事。 ISO 2320 繞開這個爭執的方式是定義那個量,而不是替它取名字。 防鬆螺帽是一種與夾緊力或壓縮力無關地抵抗旋轉的螺帽; prevailing-on torque 是在螺帽運動中、而且沒有夾緊力的狀態下量的; prevailing-off torque 則是夾緊力消失之後,接下來那 360 度裡繼續轉所需要的扭矩。
所以它不是接頭的摩擦,量它的時候也完全沒有預力在場。 標準甚至替「兩者從哪裡開始分不開」取了名字:seating point, 也就是夾緊力首次出現的那一點。 那一點之前是防鬆特徵,那一點之後是 扭力對上夾持力, 由同一個摩擦問題主宰。
重複使用這件事,標準做的不是回答它
上面那個「第五次退出」的欄位,就是「可以用五次」這條說法的來源, 而標準寫的是另一回事。交貨檢驗用的是第一次裝入與退出。 第五次退出是初期型式試驗,以及發生爭議時的項目。 它認證的是一個設計,不是授權一顆螺帽可以用五次。
那一條接著把決定明白地交回來:防鬆性能 會隨重複使用次數而下降,而且 使用者在任何一次重複使用之前,應把性能下降的後果納入考量。
一份標準拒絕給出大家最想要的那個數字,而這個拒絕本身才是有用的部分。 它告訴你這個決定是你的,而且要對著後果去做,不是對著一個次數。 五次那一欄真正給你的是衰減的形狀: 五次之後的下限,在整個尺寸範圍上大約都是一次之後下限的三分之二。 三分之二夠不夠,是關於你那個接頭的問題, 其餘的判斷寫在這顆螺絲還能不能鎖回去,那一篇也寫了第五次退出試驗實際上怎麼跑。
確實有一份文件給了數字,而值得知道那是哪一種數字。 有一份航空器維修通報說:若那顆纖維或尼龍防鬆螺帽達不到 依牙徑列出的最小防鬆扭矩, 就不要再用。那也不是一個次數。 那是這份標準交回給你的同一個決定,被換算成一件你可以拿扭力扳手去做的事。
三條會改變你怎麼看自鎖螺帽的規定
| 條文 | 寫了什麼 | 為什麼重要 |
|---|---|---|
| 螺紋 | 非金屬嵌入式的 GO 規,必須能用手自由旋入直到抵住防鬆特徵;全金屬式只要求自由旋入一個牙距 | 手感的差別是規定出來的,不是偶然。全金屬式被允許幾乎一開始就咬住,尼龍的不行 |
| 潤滑 | 製造商可自行選擇對整批施加潤滑劑,以滿足功能要求 | 你摸到的那個防鬆扭矩可能是潤滑過的值,組裝前把零件除油會把它移動 |
| 表下的 NOTE | 用統計製程管制(SPC)去評估防鬆扭矩的結果,不具統計意義 | 一張畫著管制界限的防鬆扭矩圖,看起來像證據,但不是它看起來的那種證據 |
還有兩件值得帶走。使用溫度範圍依型式而不同: 全金屬式 −50 到 +150 °C,非金屬嵌入式 −50 到 +120 °C, 而嵌入式的溫度影響試驗只在顧客要求時才做。 另外表列範圍從 M5 起。M3 與 M4 出現在一個目次標為 參考性(informative)的附錄裡,那和標準正文是不同的地位, 這個問題的一般形式寫在 扣件標準到哪裡為止。
防鬆扭矩在大家會伸手去拿的那些對策裡落在哪,那張表在 螺絲為什麼會鬆: 它處理旋轉,不還原已經失去的夾緊力。 曾經被寫進標準、後來又被拿掉的那個對策,見 雙螺帽。
這一篇不屬於六步中的任何一步。它橫跨各步,或者發生在組裝之後。導致它的那些決定是在哪裡做的,見指定一顆螺絲,那篇寫的是順序,以及為什麼順序做反了是重工。
常見問題
規格表上的防鬆扭矩要加進我的鎖付扭矩嗎?
規格上的那個界限值不用。ISO 2320 列的是第一次裝入的上限與退出的下限,兩個都是「這個零件被允許落在哪裡」的界限,不是你手上那顆的值。圖面寫「在防鬆扭矩之上再加多少」,指的是實際存在的那個防鬆扭矩,那要用量的。把界限值拿去加,就是來源討論串裡那位工程師算出比供應商答案大十倍的數字的原因。
prevailing torque 跟 locking torque 差在哪?
不同文件之間的用語確實不一致,所以來源討論串裡兩個答案會互相打架。ISO 2320 繞開爭執的方式是定義那個量:防鬆螺帽是與夾緊力或壓縮力無關地抵抗旋轉的螺帽;prevailing-on torque 在螺帽運動中、沒有夾緊力的狀態下量測;prevailing-off torque 則是在退鬆過程中,夾緊力消失之後那 360 度裡量的。文件講得含糊的時候,就問它指的是哪一個。
尼龍嵌入式螺帽可以重複用幾次?
它規定的是「第五次退出的試驗」,沒有規定「可以重複使用幾次」,這是兩件事。交貨檢驗用的是第一次裝入與退出。第五次退出是初期型式試驗與爭議時的項目,它認證的是一個設計,不是授權一顆螺帽用五次。那一條接著寫:防鬆性能會隨重複使用次數下降,使用者在任何一次重複使用之前應把後果納入考量。表倒是給了衰減的形狀:第五次退出的下限大約是第一次的三分之二。
為什麼全金屬自鎖螺帽第一圈就很緊,尼龍的不會?
因為標準對兩者的要求不同。非金屬嵌入式的 GO 規必須能用手自由旋入,直到抵住防鬆特徵為止;全金屬式只要求自由旋入一個牙距。全金屬式的設計被允許幾乎一開始就咬住。另外,尼龍嵌入式在第一次裝入的防鬆扭矩上限,只有適用於全金屬式的表列值的一半。
ISO 2320 有涵蓋小尺寸的螺帽嗎?
它的表從粗牙 M5 到 M39、細牙 M8×1 到 M39×3。M3 與 M4 的性能等級 8 與 10 出現在一個目次標為參考性的附錄裡,那個地位比標準正文弱。如果圖面要依賴 M5 以下的防鬆扭矩值,這個地位上的差別值得跟供應商講清楚,不要假設。
參考資料
- ISO 2320:2015 —— 扣件,鋼製防鬆螺帽,功能性質;第 1 節適用範圍與溫度註記、第 3 節定義、第 5 節螺紋、第 6 節潤滑、第 8 節功能要求、Table 1 至 4
- ISO 16047 —— 扣件的扭矩/夾緊力試驗;ISO 2320 的術語與定義建立在它上面
- r/MechanicalEngineering —— 本篇的起點,含 300 與 37 那兩個數字與圖面的註記
- r/MechanicalEngineering —— locking torque 與 prevailing torque 的差別,兩個答案在那裡打架
ISO 2320:2015 讀的是公開的預覽 PDF,預覽含目次、第 1 到第 8 節與 Table 1 至 4 全文。上面每一個數值與每一句引用的要求,都出自那幾節與 Table 1(性能等級 04、粗牙)。預覽在第 9 節試驗方法與三個附錄之前結束,所以本頁不描述試驗怎麼做,也不引 Annex C 的任何數值;「M3 與 M4 在參考性附錄裡」這一句來自目次,而目次在預覽裡。300 與 37 是來源討論串那位工程師說他自己規格上寫的值。那份規格屬於 NASM 與 SAE 的航太系列,我們沒有讀到,所以本篇沒有一句話出自它,對那兩個數字唯一做的宣稱是任何人都能重算的算術:37 加 5 是 42,37 加 40 是 77。ISO 目錄號取自預覽的網址路徑,再用第二個來源確認過,這是本站掛錯過一次之後養成的流程。
詢價
如果詢價裡有防鬆螺帽,請說明是哪一型、哪一個等級, 以及這個接頭在使用中會不會被拆開。 全金屬式與非金屬嵌入式在裝入的上限與使用溫度上是不同的規定, 而重複使用這個決定,標準是交還給使用者而不是替他決定的。