眼鏡螺絲一直鬆:小螺絲平常只鎖到強度的一成,再鎖一次,扭力係數從 0.27 跳到 0.48
2023 年 12 月有人在 Yahoo!知恵袋問:眼鏡的精密螺絲很快就鬆,只好定期鎖回去,有沒有讓它不鬆的方法?2014 年工學院大學的小林光男等人在日本機械學會九州支部發表了一份 2 頁的講演論文,量的正是小螺絲鎖了多緊、振動後還剩多少。結論第一條:平常鎖小螺絲時的夾緊力,不到螺絲強度的 10%。M5 未熱處理品那一組試件,第一次鎖的扭力係數平均約 0.27,論文文字說第二次以後約 0.48。論文最小只做到 M3,也沒有測眼鏡螺絲,這一頁會把能說和不能說的分開。閱讀約 8 分鐘。
2023 年的那個問題
提問在 2023 年 12 月 15 日貼上 Yahoo!知恵袋的「メガネ、サングラス」分類:眼鏡的精密螺絲「すぐ緩んできて」, 發問者只能定期鎖回去,想知道有沒有讓螺絲不鬆的訣竅或點子。
兩則回答都從檢查開始。一則先問有沒有清洗、鏡架有沒有變形、零件有沒有磨耗,都正常還是鬆,再試 OS 防鬆螺絲, 不在意外觀的話可以從背面加一顆螺帽;鏡架本身加工精度差的,只能換一副。另一則問鎖回去之後多久又鬆: 幾天到一週就鬆,就送眼鏡行換螺絲、有座金的換座金,或請店家點防鬆劑;用了很多年的鏡架, 可能是螺絲孔裡的牙已經磨掉,換了新螺絲也一樣很快鬆。它最後補了一句:單手摘眼鏡會讓螺絲很快鬆,也容易弄壞。
2020 年 12 月同一分類還有一題「メガネのネジが直ぐに緩む」。有人建議在螺絲孔裡擠木工膠再鎖, 發問者回說鉸鏈固定住不能動也很困擾;最佳解答則說要看是哪個位置的螺絲在鬆,自己處理至少要能判斷鉸鏈咬合與鏡架變形。
這些回答都是經驗談,沒有人量過一顆小螺絲到底鎖了多緊。小林等人的講演論文量了,只是量的是 M3 到 M6。
一份兩頁的講演論文量了什麼
作者在前言寫,電氣與電子機器用了大量小螺絲,組裝時往往鎖得「比較隨便」,搬運途中的振動、衝擊與熱就會讓它鬆掉; 但成系統的小螺絲鎖緊數據很少。他們用最常見的扭力法鎖螺絲,把結果整理成扭力係數 K,再做振動鬆脫試驗。
| 項目 | 條件 |
|---|---|
| 螺絲 | 鋼製小螺絲 M3、M4、M5、M6,熱處理品與未熱處理品,螺紋長 50 mm |
| 鎖緊工具 | 市售扭力顯示扳手 0.1、0.5、1 N·m 三種 |
| 量夾緊力 | 壓縮型荷重元(應變規式)墊座金,螺栓與螺帽鎖在上面 |
| 次數 | 每個尺寸 10 支,每支鎖 10 次,共 100 次 |
| 事前量測 | 螺栓用萬能投影機與三針法量尺寸;螺帽用硫磺 60%、石墨 40% 熔成的鑄模翻出牙形 |
| 鬆脫試驗 | 機械式振動試驗機上,用懸臂樑當槓桿共振,撬動鎖住的部位 |
K 是 T = K·F·d 裡的係數:T 是扭力,F 是夾緊力,d 是公稱直徑,牙面與座面的摩擦都打包在裡面。 K 越大,同一個扭力換到的夾緊力越小。這個式子本站在同一支螺栓鎖二十次那一頁用過, 那頁是 M8 以 20 N·m 鎖放二十次;這一頁的扭力小了一到兩個數量級。
平常只用到強度的一成
先看螺絲本身能承受多少。熱處理品的最大拉伸荷重大約是未熱處理品的兩倍。
| 尺寸 | 未熱處理 | 熱處理 |
|---|---|---|
| M3 | 2.24 kN | 5.98 kN |
| M4 | 5.42 kN | 10.60 kN |
| M5 | 7.68 kN | 18.15 kN |
| M6 | 10.43 kN | 25.05 kN |
作者的結論第一條是:平常鎖小螺絲時的夾緊力,不到小螺絲強度的 10% 左右,「使用効率」需要檢討。 用他們最大的那支 1 N·m 扳手、第一次的 K 0.27 換算,M5 得到約 741 N,是未熱處理品強度 7.68 kN 的 9.6%; K 變成 0.48 時只剩約 417 N,5.4%;換成熱處理品的 18.15 kN,同樣 741 N 只佔 4.1%。 這三個比例是本站換算,論文沒有寫 M5 實際鎖到多少扭力,這裡只是示範量級。
對照本站另一頁:M8 以 20 N·m 鎖的原裝螺栓,第一次預力約是保證載荷的 75%(那一頁的本站換算)。 兩頁的螺栓尺寸、扭力與試驗方法都不同,不能直接比;放在一起只是看量級。論文前言對小螺絲的描述是組裝時常鎖得「比較隨便」。
第二次以後,同一個扭力只換到五成多
論文用 M5 未熱處理品當例子,把第 1 次、第 10 次與全部 100 次的 K 值畫成直方圖。 扭力和夾緊力在每一次都是直線關係、都在彈性範圍內,變的是斜率。
| 資料 | K 平均 | 標準差 | 標準差/平均 |
|---|---|---|---|
| 第 1 次 | 0.268 | 0.061 | 0.23 |
| 第 10 次 | 0.479 | 0.154 | 0.32 |
| 全部 100 次 | 0.382 | 0.125 | 0.33 |
內文寫的是:第一次 K=0.27,標準差與四分偏差都小;第二次以後 K 升到 0.48,標準差與四分偏差高出 0.1 左右。 扭力不變時夾緊力和 K 成反比,0.27 除以 0.48,第二次以後同一個扭力只換到第一次的 56%(本站換算)。 圖只給了第 1 次與第 10 次,第 2 到第 9 次各自的數值論文沒有列出。
作者推測原因是牙面與座面被壓變形,接觸面的摩擦跟著改變;論文沒有做表面量測去確認。 熱處理品第一次與之後的差異比較小,所以作者認為要重複使用的話,熱處理品比較合適。 另外,熱處理品的 K 離散較小,平均值比未熱處理品低「約 50%」,論文只有這句文字,沒有列出數值。
這和二十次那一頁看的東西不同。那頁追的是 M8 在四種潤滑狀態下二十次的走勢,有的往下、有的往上; 這裡是未熱處理的小螺絲在第一次和第二次之間就跳了一級,之後的細節沒有數據。兩頁能一起說的只有一件事: 同一支螺絲拆了再鎖,原來那個扭力值換到的夾緊力已經不是原來的數字。
振動之後,M3、M4 的夾緊力歸零
鬆脫試驗把鎖好的螺絲裝在振動試驗機上的治具,用一支懸臂樑當槓桿,讓它在共振狀態下來回撬動鎖住的部位, 振完再量剩下的夾緊力。論文表 2 列了三種槓桿長度的最大振幅與共振轉速(600 mm:90 mm、550 rpm;400 mm:60 mm、1,200 rpm;200 mm:4 mm、250 rpm), 但沒寫正式試驗用的是哪一組。
每個尺寸設在同一個鎖緊應力,所以初始夾緊力隨尺寸變大。
| 尺寸 | 初始 Ff | 振動後 Fr | 殘留率 | Ff/最大拉伸荷重 |
|---|---|---|---|---|
| M3 | 286 N | 0 N | 0% | 12.8% |
| M4 | 509 N | 0 N | 0% | 9.4% |
| M5 | 811 N | 357 N | 44% | 10.6% |
| M6 | 1,161 N | 578 N | 50% | 11.1% |
M3 與 M4 振完一點夾緊力都不剩,M5、M6 還留四到五成。每個尺寸只有一個數字,論文稱為「實例」, 沒說是單次還是平均。表 3 本來還有四行,應該是熱處理品,在公開的 PDF 上是黑底,數字讀不出來。
作者從這張表讀出兩件事:尺寸越小越容易鬆,熱處理品反而比較容易鬆;他的解釋是夾緊力的大小對鬆動的影響很大。 後一句乍看和上一節「重複使用宜選熱處理品」相反,其實講的是兩件事。熱處理品強度高一倍,若夾緊力相同, 它的強度只用掉一半左右(若和未熱處理品同一個 Ff,約 4.5%–4.8%,本站推算);上一節講的是 K 的重現性。 結論第五條把它寫成一個比例:使用效率=初始夾緊力 ÷ 螺絲強度,越高越不容易鬆。
不過看未熱處理這四行,利用率都在 9%–13% 之間,M3 反而最高,卻是歸零的那一個。表裡分出輸贏的是尺寸本身, 也就是夾緊力的絕對值。小螺絲為什麼對同樣的振動更敏感,論文沒有分析; 本站在螺絲為什麼會鬆寫過一個推論:嵌入是幾微米的絕對距離, 螺絲越短越細,那幾微米吃掉的預力比例越大。這個推論沒有在這篇論文裡被測試。
換回眼鏡:論文碰不到的部分
論文最小的是 M3。本頁的三份來源都沒有給眼鏡鉸鏈螺絲的尺寸,所以這裡不寫它是幾號(小尺寸可以對照本站的微型螺絲規格表); 作者的前報做過 M1 到 M6 的乾燥狀態 K 值,但本站沒有讀到那份前報,這一頁不引用它的任何數字。
論文證明的是:在 M3 到 M6 之間,同一個應力下尺寸越小越容易鬆。M3 以下是否延續同樣的趨勢,要另外做試驗才知道。 數字更不能搬:0.27 跳到 0.48、M3 歸零,都是 M3 以上、這一批螺絲、這一種振動的結果。
還有一個差別。論文的振動是撬動一個固定的接合,眼鏡則是每天開合鉸鏈,受力方式不同。 開合造成的鬆脫,論文沒有測;知恵袋回答說的「單手摘眼鏡會鬆」,同樣是經驗,沒有數據。
實際怎麼做
下面分兩種讀者。這是本站依論文與知恵袋回答整理的做法,論文沒有驗證這些步驟。
眼鏡一直鬆的人
- 先算鬆的速度。回答者用的分界是「幾天到一週」:鎖回去幾天就鬆,自己再鎖下去意義不大,送店處理。
- 知道再鎖一次換到的比較少。論文的 M5 未熱處理品第二次以後,同一扭力只剩第一次的五成多。這是 M5 扭力法的結果,不能直接套到靠手感鎖的眼鏡螺絲,只能提醒一件事:舊螺絲轉到同一個手感,不代表夾得和第一次一樣緊。
- 請店家換螺絲或座金,或點防鬆劑。換新螺絲可以避開舊螺絲已經磨過的接觸面,但論文沒有證明換新就能回到第一次的 K。用了很多年的鏡架,回答者說螺絲孔的牙可能已經磨掉,換螺絲也可能很快又鬆,這時要重攻牙修理或換一副。
- 不要自己灌膠。2020 年那題有人建議木工膠,發問者擔心膠乾了鉸鏈會固定住不能動;這個效果沒有人驗證過,回答者建議的是送眼鏡行。
設計小螺絲接合的工程師
- 算一次使用效率。把預定的扭力、假設的 K 換成夾緊力,除以螺絲強度。論文說平常不到 10%;如果你的接合會被搬運、振動,先知道自己落在哪裡。
- 換高強度螺絲不會自動變緊。夾緊力不變時,強度高一倍,使用效率就減半;論文表 3 的文字也說熱處理品比較容易鬆。熱處理品的 K 較低,同一扭力能換到較多夾緊力,所以實際落在哪裡要用自己的扭力和 K 算。要的是夾緊力,強度只是讓你有空間把扭力往上加。
- 要重複拆裝的位置,選熱處理品,或規定換新。論文的未熱處理品第二次以後 K 從 0.27 跳到 0.48,熱處理品差異較小。維修手冊若沿用第一次的扭力值,第二次組裝的夾緊力會少一截。
- 考慮大一號,但先驗證。論文的試驗裡,同一個應力下 M5、M6 振完還有四到五成,M3、M4 歸零;表 3 只是實例,正式改尺寸前要用自己的接合與振動條件試過。
- 拿自己的組合量 K。論文的設備是壓縮型荷重元加市售扭力扳手。本站建議換了鍍層、材料或螺帽就重量一次 K,這不是論文的結論。
這一頁不能下的結論
這是講演會的 2 頁講演論文,篇幅只放得下結論與幾個實例;試驗只有 M3 到 M6 的一批鋼製小螺絲,沒有 M1、M2,也沒有眼鏡用的鉸鏈螺絲。 K 值的細節只公開了 M5 未熱處理品的第 1 次與第 10 次,第 2 到 9 次、其他尺寸與熱處理品都沒有數值。 振動試驗每個尺寸只有一個數字,熱處理品那幾行讀不出來,用哪一組槓桿長度、初始夾緊力怎麼給的(M6 的 1,161 N 以 K 0.27 換算約要 1.9 N·m,超過論文列出的 1 N·m 扳手)都沒交代;振動時間或循環數、各尺寸實際用的振幅與頻率也沒寫,不能確認各尺寸受到完全相同的振動。表 3 沒有重複次數或誤差範圍。鎖緊試驗的潤滑與表面狀態、材料牌號與強度等級也沒有交代。 「牙面與座面變形改變摩擦」是作者的推測。本頁的 9.6%、56%、利用率與殘留率是本站換算。 論文沒有測轉動造成的鬆脫,也沒有測防鬆劑、OS 防鬆螺絲或背面加螺帽的效果;這些對策來自知恵袋回答,本站沒有數據替它們排名。
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
小螺絲鎖到的夾緊力大概是強度的幾成?
小林等人 2014 年以 M3 到 M6 鋼製小螺絲試驗,結論是平常鎖小螺絲時的夾緊力不到螺絲強度的 10% 左右。本站以論文最大的 1 N·m 扳手、第一次 K 0.27 換算,M5 約 741 N,是未熱處理品強度 7.68 kN 的 9.6%。
同一顆小螺絲拆下再鎖,會鎖得比較鬆嗎?
在這篇論文的 M5 未熱處理品上是的:第一次扭力係數 K 平均約 0.27,第二次以後 0.48,同一個扭力換到的夾緊力只剩約 56%(本站換算)。熱處理品的差異較小,作者因此認為重複使用宜選熱處理品。其他尺寸的逐次數值論文沒有列出。
為什麼小螺絲比較容易振鬆?
論文在同一個鎖緊應力下振動,未熱處理的 M3、M4 振完夾緊力歸零,M5 留 44%、M6 留 50%。作者的解釋是夾緊力大小對鬆動影響大,尺寸大的能給更高的夾緊力。小螺絲為什麼更敏感,論文沒有分析。
這些數字可以套到眼鏡螺絲嗎?
數字不行。論文最小只到 M3,沒有測眼鏡螺絲,也沒有測鉸鏈開合造成的鬆脫。論文能說的是在 M3 到 M6 之間尺寸越小越容易鬆;M3 以下是否一樣,要另外試驗。
參考資料
- 小林光男、福田勝已、小澤蛍(2014)—— 小ねじの締付けとゆるみの評価(Evaluation of Loosening and Tightening of Small Screw),日本機械学会九州支部講演論文集 2014, 1G2
- Yahoo!知恵袋(2023-12-15)—— めがねの精密ねじがすぐ緩んできて定期的に締め直しをしています
- Yahoo!知恵袋(2020-12-27)—— メガネのネジが直ぐに緩むんですが、どうすれば良いですか?
- 同一支螺栓鎖二十次:原裝的預力從 22.8 kN 掉到 15.7 kN,上了機油的反而多兩成
- 螺絲為什麼會鬆:兩件不同的事共用一個詞
- 微型螺絲規格表:M1–M5,以及表格說不出來的事
論文全文(2 頁)由本站讀過,表 1、表 2、表 3 與圖 3 的數值對照 PDF 頁面影像轉錄;表 3 的熱處理品各行在公開 PDF 上無法判讀。9.6%、5.4%、4.1%、56%、利用率、殘留率與熱處理品同 Ff 時的利用率為本站換算。論文引用的前報(M1–M6、衝擊方式)本站未讀。「實際怎麼做」是本站整理的建議,論文沒有驗證。
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