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文档简介
机械工程 , 1 9加 , 地4 弹簧 垫周的功 一 能与 防松 傅德明 摘要)根据 螺 检联接的工作 原理 , 弹簧 垫圈的特性 , 分析了弹簧垫 圈的功能及其防 松 性能 , 衬 “ 弹簧蟹圈不但不起防松 作用 , 反而更易松动 ” 这一论点提出了不同看法 。 主题词 : 弹赞垫 圈联簇件被联接件 刚度 F : , /乙 : 二 : t g r: “负 当外载 荷尸通过 被联接件作用至i J螺栓上 之后 , 联 接件螺栓进 一步伸 长十色 :, 同时 被联接件变形恢复一乙 : 。 根据变形协调原 理a , 卜各 : 。 螺栓上总的作用力 则 为 。 , 。 C , 尸 。 二尸 十尸 2一节户 - 气l ) 七 1 一r b Z 机械工 程109 。年第l期在 “ 弹 簧 垫 圈防松? ” 一文中报道了 “ 弹簧垫圈不但不 起 防松作用 , 反而更 易松动 介的 论点及相应的 试验结果 , 从而引发了对于弹簧垫圈能否防 松的学术讨论 , 这 对深 入认识弹簧垫圈的 作 用无疑是很有必要 的 . 防松是弹簧垫 圈 的一种功能 , 但不是 其 全部功能 , 要理解其功能 , 就得从螺栓联接 的工作原理说起 。 在预 紧力尸 户作用下 螺栓中产生的 拉 应 力为a (相应的应变 为 。 ) 。 当螺栓受外变载 荷且 外载荷在 零 到F间变化时 , 其应力幅a . 为 C , 告 Q ( 一万兴气一 乙七 i 卞七 昌 (2) 式巾 a 外载荷F引 起的拉 应力 所以螺栓中的最大应力为 C 1 a+a ( 一二竺弃 芬 - 七1一七 z (3) 一 、 弹簧垫圈的功能分析 典型的螺栓联接工作 时 的变形情况如图 1所示 。 在预紧力F , 作用下 , 联接件螺栓产 生拉伸变形各 : , 其刚度为 F / 乙 : 二tg r , C ; 被联接件中产生的压 缩 变形为各 : , 其刚度为 厂厂 尸尸尸尸 / / / / / / / / _ _ _ 了了了了 介介 十十十十食5 。 一一一一“饥 -一一钾一1 1 1 ! ! ! 夕 图工螺拴联接工作时的变形情次 由式(l ) 、 式(2)可见 , 在外载荷作用 下 , 螺栓中 的工作应力和相应的 应变:都和 联接件 及被联接件的刚度有关 . 在螺母 一 与被联接件间加上 垫圈(无论 是 什 么 垫圈)后 , 如果被联接件保持原样不 变 , 则联接件螺栓俐工作部分加长 , 垫圈 也参与 变形 , 因而改 变了联接件的 刚度C : 的值 ; 如果 保持 螺栓的工作长度 及刚度C : 不变 , 那必 然要改变被联接件的刚度C : 。 螺栓联 接刚度的改变 , 意味着即使保持螺栓 的 。不 变 , 但它所 受的力F 了及F。都 日经改变了 . 加上垫圈后 , 力 由被联 接件经垫 圈传到 螺栓 上 。 弹簧垫圈的加入 , 使联接件的刚度 C : 减 小 . 由式(1)可知 , 在F及F 甲不变 的 条件下使尸 。愈小, 因而对螺栓的 强度 有 利 ; 由式(2)和(3)可知 , C , 愈 小 , 应 力幅 口 。 愈小 , 氏 。、 愈小 , 对提高螺栓 的疲 劳强度有利 。 因此 , 弹簧垫圈不 仅有防松的 功能 , 而且还有提 高螺栓 疲劳强度的功能 . 为直接比较其摩擦阻 力矩的大小 , , 难 免带来 不正确的结 果 。 二 、 垫圈防松能力分析 比较各种组合方 式 的防松能刀时应该在 相同 的螺纹 副 , 相同的受力条件 , 相同的工 作状态和同样的摩擦条件下 进行 , 而不应在 螺栓内具有相 同应力 的条件下 进行 。 由上分 析可知 , 对于 同一个螺栓 , 即使在相 同的 尸 、 尸作用 下 , 在不同组 合的螺栓联 接中 , 由子其刚度C ; (或C : )不 同 , 螺栓上 的 应 变 。 也 不同 , 所以用螺栓的应变即应力来直 接反映摩擦阻力矩 的大小是不 正确的 。 跳 图3螺性刚度改变对F及F,的影响 _ _ _ 厂 刀刀 一甲甲 书 万万万万万万万万万 . . . 厂 、 丫丫丫丫丫丫丫丫丫丫 一一 味一全全 图4 F 。及F, 保持不变螺栓刚度的变化 图2 螺栓 刚度对F 。的影响 螺栓联接工作时 , 对于 同样的螺栓和 螺 母来说 , 不论是 否使用垫圈 , 使用什么样的 垫圈 , 只要预 紧力相等或螺纹之 间的 正压力 相等 , 其间 的摩擦阻力 矩总是 相等的 . 但 是 , 支承 接触面间的摩擦阻力矩 则和不 同 的 支承面情况有先支承面间的摩擦 阻力矩可 用下 式表示 : 1一 d急 卜代 (4) D 刀 ,工 3 尸 f e 一一2 T f e F 图2表示了当螺栓刚度由C ; (tg r , )变 到C : (tg ,: )时 对预紧力F , 及总载荷F 。 的 影 响 。 由图可贝 , 此时螺栓的应变量虽然不 变(色 : 二各 ) , 但 由于刚度的变化已使F 及F 。发生了 变化 , 即螺栓联接的摩擦 阻 力 矩已发生变化 . 如若 使F 。保 持不变 , 则外 载荷F , 预紧力F z 及螺栓的 刚度C : ( tg r : ) 发生了变化(图3) , 若 要使F 。及Fz 保持不 变 , 此时 的外载荷尸及螺栓刚度也发生了变 化(图4) 。 总之 , 螺栓 刚度 C : 的变化 , 会 使外载荷F发生变化 , 才能使F 。保持不变 . 如果事先未测得C 、及C: 值 , 那么是很难做 到在改变了C 、之后再保 持b 、和F。或 F 之 间 的等比关系的 , 所以 , 用测量邑 ; 的大小来作 式中 一摩擦系数 支承面间 的作用力 刀 :- 一支承面 的外径 d 。 -一 支承面的内径 显然 , 即使了 e 及F相同 , 支承面间的摩 擦阻力矩 还决定于支承面内外径的大小 . 从 支承面情况看 , 与平垫圈或螺母直接与被联 接件接 触 相比 , 弹簧垫 圈的D , 小 , 所以其 防松 能力 最差 。 号机台*贾有 三 、 弹簧垫圈防松能力分析 可以将弹簧垫圈视 作一个两端未经磨平 的单圈弹簧 。 它的钢丝是矩形截面的 , 其最 大压缩变形量 通常是钢丝轴向 厚度多的 1 倍 。 工 作时弹簧垫圈 的最大变形量取决于轴 向 外载荷螺 栓螺母 螺纹间的 轴向作用力 的 总和的大小 。 一般情况下 , 螺栓联接在预 紧时就 把弹 簧垫圈完 全压死 。 在没有压死 时 , 轴向作 用力 与 弹簧垫圈的轴 向变形量 成 线性关系(如图 5中的1段所示 ) 。 当弹簧垫圈压死后 , 若继 续 增加 轴 向压7了 , 弹簧垫圈 钢丝 中的扭转应 力不再 增加 , 在总体上 是受压 缩 , 此时的刚 度 很大 , 因而其轴 向压缩量很 小(如图5中 的2段所 示) , 此 时的变 形 曲线和 平垫圈或 不 使用 垫圈时 的螺栓联接 差不 多 。 的优势 所在 。 当然 , 一 旦弹簧垫圈 不压死 , 其 接触面 积就大 大减小 , 而 且会 引起严 重偏载 , 局部 接 触应 力太大 , 产 生永 久变形 , 从而使支 承 面 间的摩擦阻 力矩严重下降 。 在变形释放的过程中 , 螺纹之间的摩擦 阻力矩 下降 幅度 小 , 而支承面 间 的摩擦阻 力 矩下降较 大 这是 使用 弹簧垫圈 的特点 。 不 使用弹 簧垫圈时 , 变形 释放使 螺纹 间的摩擦 力矩和支承面间正压 力下 降幅 度很 大而接触 面 积没有变化 。 所以摩擦总阻 力矩 下降的幅 度是否使用弹簧垫 圈时更 大些 , 在理论 _ h至 今 还得不到证明 。 四 、 几点看法 压死后 了 才 尸 J /甲 / 尸 泌 们 死压 对 几 ! l . . . .r . . . . . .,三 厂 图5 弹 簧垫圈变形状态 从弹簧垫 圈的变形情况 分析可知 , 弹簧 垫圈在压死之后 , 由于冲击 、 振动等原因使 变形 释放时 , 微 量的变形量 变化 , 会导 致 螺 纹 联 接 中正压力的大幅度 一f 降 , 即其间 的 摩擦阻刀矩大幅度 下降 。 而当弹簧垫圈 进入 弹簧工作状态时 , 由于弹簧的 刚度远比压配 后的联接刚度 小 , 所以相同变形最的释放使 螺 纹联接 中正 压力 的下降幅 度大为减小 , 这 就是使 用弹簧垫圈的螺栓联接在 防松功能上 1 . 由于我们对 某飞机制造 公司所作有关 防松试验的具体方法 、 条件 、 测试条件和过 程等具体情况还不很清楚 , 仅从 公布的资料 中 , 尚不足 以得出试 验结 果是 否完 全正确的 结 论 。 2 . 弹簧垫 圈 的确存在着 支 承面积 小 , 不 压 死时接 触不 良 , 偏 载严重 , 接触表面 易产 生局部 永 久变 形的问题 . 因此弹簧垫 圈在不 压死 状态 下使 用是不合适的 。 在使用 弹簧垫 圈时最好在压死后再加一 点正压 力 。 3 . 弹簧垫 圈在正 常应变范围内工作时 , 可以减小 应力幅和最大应 力 , 有利于螺栓的 疲劳强度 . 4 . 尽 管
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