机械自锁一般原理的发现与自锁螺纹技术的发明，可以说是一个偶然的事件引起的，但或许也是一个必然的过程。因为以哲学的言语来说，必然性是以偶然性来开拓的。这个故事挺有意思，说出来相信可以给大家一些启发。

    一、初缘

    那是1993年秋天的事了。这天，我翻看着新到的《机械工艺师》杂志，内中有一篇介绍美国人发明的一种“自锁螺母”技术的文章引起了我的注意。这种“自锁螺母”，也就是现时我们熟知的那种螺母牙底有一个30度楔角(斜角)的那种。

    我敏感地发现，篇中介绍的“自锁螺母”，可实现“用一个内螺纹与一个外螺纹组成的螺纹副就具有自锁性能”的结构。它清楚地指出，这种自锁螺纹副，不是用弹簧垫圈去防止螺纹副的松动，也不是靠螺纹副间的过盈配合实现抗振防松的，而是螺纹副本身就具有自锁的性能。文中还介绍说，由此螺母与标准外螺纹组成的螺纹副，其使用装拆，和我们平时常用的普通螺纹并没有更明显的差异。

    尽管没有第三方的证明，但拟有一个初步的结论，就是 “一个纯粹的螺纹副是应该具有自锁性能的，客观上存在这种结构的可能性”。——这不就是我多年来一直追寻一直思考未果的东西吗？我直觉得这个螺纹副结构会很不简单，内藏有很大的玄机与秘密，得好好琢磨琢磨。哈哈，真有点“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”之意。

    二、此前一件令人印象深刻的事

    “普通螺纹按原理设计应该自锁，但现实却不自锁”，其“原理”与“现实”在我心中是久有了的，并形成了巨大的反差甚至冲击，与多年前发生的一件事相关。

    在1988年中，某厂应用等温锻压工艺生产毛坯。这种生产工艺，需要用电加热圈从外围对整个锻压模具预热加温到400多度，然后再放入已加热的坯料进行精密模锻。

    我们发现了一个很奇怪的现象：用以紧固模具的并且有弹簧垫圈的螺纹副，在静静加热的过程中竟会缓缓地自动返松！到了要锻压生产时，螺纹的紧固作用已基本丧失，生产时稍有的振动，便使螺纹副完全松脱，一点作用也没有。原以为是拧紧不力，多次试过用三个人，并加长力臂去拧紧，但最终都没有任何的改善。后来，生产的工人说，已找到了解决螺纹返松的办法，很简单，用双螺母拧紧就行了。往后的事实证明，还真一点不假。

    这件事的过程使人印象深刻。但其中的现象，到现在我还未想得明白：一个普通螺纹副被证明不具有锁紧防松抗振的功能，为什么串联两个普通螺纹副一起用就可以？

    三、对普通螺纹副结构原理的思考

    我们平时所用的普通螺纹，本来就是按“斜面—滑块”力学模型中的自锁原理设计的，满足其边际力学条件，与相关的物理公式（物理原理）绝对相符。不论是生产粗牙螺纹还是细牙螺纹，都符合相关的原理，由此组成的螺纹副，按理不会出现不自锁的情况。

    在现实中明摆着有其难以解释的一面：螺纹副在拧紧时并处于静态时候，没有什么问题，不会出现松动，证明我们的设计符合“斜面—滑块”的自锁原理，也证明了这个原理是存在的是正确的。但普通螺纹不知怎的就是怕振动，特别是怕横向振动，碰到振动场合就会松动失效，额外加上弹簧垫圈也解决不了问题。

    这倒是令人深思了：螺纹副作为仅由两只零件组成的最简单不过的机械副，它绝对是按那个自锁原理设计，显然也就只执行那唯一的原理，并没有再加入其它的东西（原理）。

这个物理原理也够显浅易懂的，普通螺纹副按理是应该具有自锁性能的，因为原理是肯定不会有错的。既然设计所依据的原理绝对正确，与现实的强烈反差与矛盾就明摆着！

    符合原理结构的东西存在问题，并且是那么典型那么尖锐！有意思的是，上百年来，这个看似简单的问题，人们真是司空见惯进而见惯不怪？还是内中隐藏的道理太深，大家难以想得明白？

    四、充满哲学思维的发现与发明过程

    传统螺纹副设计所依据的“斜面—滑块”自锁力学模型所表达的物理原理，不能被实践所肯定，但眼前该文介绍的这个螺纹副结构，又肯定了“一个内螺纹与一个外螺纹结成的螺纹副，就具有自锁性能”的基本概念。这两种螺纹副的结构有什么差异当然要搞清楚，而我的思维非常清楚，“普遍性寓于特殊性之中”，最兴奋的是，发现自锁螺纹原理的机会来了！

    我先试图找出这个新的自锁螺纹副的力学模型的边际力学条件。因为文中介绍的实施例子，是一个30度的楔角的结构，那么，29度、25度、20度又成不成？因为从原来的“斜面—滑块”的“自锁角”判断，该自锁螺纹副真能产生自锁性能，其楔角也不能比“自锁角”大才对。但为此而确立的力学模型使我很失望，这个自锁螺纹副如是靠楔角产生自锁的话，则这个角度比传统的“自锁角”还要小！它否定了这个力学模型在自锁螺纹力学模型中的基本作用！

    自锁螺纹副的实现原理并不是“斜面—滑块”的自锁原理，那么又会是什么呢？

    那时我想，这小小的浅白的螺纹，不会还深深的隐藏着什么新的大的机械基本原理，不会未被全世界这么多聪明的人发现而留给我再发现吧，原理肯定在已有的机械基本原理内，或是一种新的表达与表述，只是还没有人找出了它。事后的事实，证明这个思维是正确的。

思路确定后，要找到该问题的答案就容易多了。因为大学里念的课程，学过的机械基本原理也就那么几个，现在来个排它法，一个一个“对号入座”，看那个原理会更接近。

    大概花了一个星期时间的苦思冥想，就基本上有了个眉目。最接近的原理，应是机械夹具设计时所用到的“消除六个自由度的六点定位原理”，巧的是，它还有一个实施例，那就是“漏斗—球”的自动定位、自动定心的典型结构，这个结构如果想象成一个螺旋状，就和螺纹副的结构十分相象！

    剩下要解释这个力学模型与自锁螺纹的力学模型有关系，找出个说法就简单了。重要的是，这个新的自锁螺纹副的力学模型包容着传统螺纹副的力学模型，其差异原因也找到了。

为自锁螺纹副的力学模型找个说法，实质便成了“螺纹自锁一般原理”的提出。

    如果说，传统螺纹副设计所依据的，是两个螺旋的滑块组成的力学结构模型，那么自锁螺纹副设计所依据的，是一个螺旋体与一个螺旋球（或根本就可以说成是“两个相切的螺旋体——曲面”）所组成的力学结构模型——这就是“自锁螺纹副的理论力学模型”；而这种“由内外螺旋体相切组成的连续的螺旋线，客观地消除了螺纹副全部的六个自由度的原理”，这就是“螺纹自锁的一般原理”。

    自锁螺纹副力学模型的被发现，在我的心中出现了一阵轻喜：爱因斯坦的相对论将牛顿定律包括了在内，这回，我的自锁螺纹理论，也将传统螺纹的理论包括了在内！创意与成功的美意流在心头，真是舒心极了。

    “机械自锁一般原理”的提出，是哲学的思维再帮了一个忙。

    有了螺纹自锁的一般原理，就必然有机械自锁的一般原理。因为“从特殊到一般”，“机械自锁一般原理必然寓于螺纹自锁的一般原理之中”。那么，它如何进行表述的呢？

机械自锁一般原理就是：一个机械副要实现自锁，它必须同时在六个自由度的方向都满足实现自锁边际力学条件。换句话说，一个机械副要实现自锁，它必须同时在六个自由度的方向都实现机械效率为零。其极限条件或极限表述是：消除了六个自由度，机械副就能静止不动。

    五、两个力学模型的自锁特性分析

    根据机械自锁一般原理与自锁螺纹副力学模型分析，对传统螺纹副设计所依据的“斜面—滑块”力学模型作出判断与解释就很简单：满足这个力学模型的螺纹副，其自锁角（磨擦角）所解释的，也只是仅满足“Y”轴方向的平动的自由度实现自锁的条件而已。这个力学模型并没有错，但它只是解释了自锁螺纹副六个自由度运动关系中的一个！

    最完整解释这个“斜面—滑块”力学模型（机械副）的运动关系是：该力学模型，消除了两个自由度，外加提出了一个自由度方向的自锁条件，还有三个方向的自由度未能消除或满足自锁条件。如果这个机械副的螺旋升角超过了其自锁角（磨擦角），则这个结构理论上就只消除了两个自由度，还有四个自由度未能消除。普通螺纹副为什么怕横向振动，就因为

横向（“X”与“Z”方向）的那两个平动的自由度并未得到限制，满足其自锁的条件。

    自锁螺纹副的力学模型又是一种什么情形呢？因为“漏斗—球”的结构，是自动定位、自动定心的，它自然地消除了机械副的六个自由度，它在六个自由度的方向，不存在任何可移动或运动的空间。我们对这个“球”加力夹紧之后，这个机械副还能施展出什么动作呢？除非这个机械副直被破坏了！所以，由此演化出的“相当于内螺纹的螺旋体与相当于外螺纹的螺旋球所组成的自锁螺纹副”，它也是一个消除了六个自由度的机械副，绝对不会出现被振动而松动失效的情形。

    六、发现与发明

    如果说，上述的有关自锁螺纹力学模型与螺纹自锁一般原理及机械自锁一般原理的提出都属于发现的话，那么，提出自锁螺纹最简单最优的实施方案（参数方案），便成了发明了。

    最简单的自锁螺纹副的提出：

    满足“由内外螺旋体相切组成的连续的螺旋线，消除了螺纹副全部的六个自由度原理”，最简单的自锁螺纹副，与传统螺纹牙型并不矛盾，这只需将内外螺纹的牙型角设计成互不相等就可以了。

    1994年，我动手将这个创意写成专利申请文本。在实质审查时，国家专利局提供的一份对比文件使我知道，这个世界还真有与我同样发现了最简单自锁螺纹结构秘密的人——一份英国的专利，清白无误地提出了同样的方案！这已是1996年的事了。

    我无功而返。但这印证了一个现象：发现是一回事，发明又是另一回事。

    过了几年，我的一份名为“理想极限螺纹技术”，系统全面地提出如何设计生产包括自锁螺纹、匀应力螺纹、小锥密封螺纹等高性能螺纹的方案，最终获得了发明专利权。而源于此再提出的“统一了螺纹与普通机械零件精度关系”的“高精度螺纹技术”，包括了角度干涉自锁螺纹、径向干涉防松螺纹等技术，也获得了发明专利权。

    “高精度螺纹技术”的发现与发明过程，也有一段故事，或将整理出来，再与大家一齐分享这个成果。

作者：广东肇庆鸿银机电科技有限公司 欧阳先生

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