机械设计实践使用弹簧垫圈探讨

1、机械设计实践 使用弹簧 垫圈探讨记得刚参加工作不久听到两位老1程师争论碎眄桧殳汁中是远择个弹黄垫圈还是选一个平垫圈加一个弹簧垫圈？那个更有效？我们知道弹簧垫圈(G8/T93-1987)是一种用来锁紧螺母或螺钉的标准紧固件。它是一种传统的防松紧固件在普通机械产品中被广泛地采用采用弹簧型图作为产品防松手段的基本选择至今没有改变。在机械设计手册(化学工业出版社)对弹簧垫圈工作原理及使用是这样介绍的：依靠弹簧垫圈在压平后产生的弹力及其切口尖角嵌入被联接件及紧固件支承面起防松作用。结构简单、成本低、使用简便。 GB/T9& GB/T859和GB/T7244等传统使用的弹簧垫圈由于弹力不均 也不十

2、分可至：多用于不甚重要的联接广泛用于经常拆开的联接处?(而机械工程师电子手册对弹簧垫圈介绍是：由于弹力不均也不十分可免 多用于不甚重要的联接.对联接.及面不允许划伤和经常拆卸的场合不宜选用。)机械设计手册是这样介绍平垫圈 (G8/T97.1-1985)的：一般用于金属零件以烟加支承面遮养较大的孔眼以及防止以伤零件表面.前面所提的两位老工程师谁也没说服对方实际上他们的这种争论现在工作中依然经常能听到。在一些机械设备的论坛中也常看到讨论。单弹垫使用论者：弹垫的开口容易嵌入螺母及工件真正起到防松的目的。如果下面增加平垫会大大消减其防松效果。因为加了平垫之后弹簧.拉的切口尖角不是嵌入被联接件而是卡在平

3、垫上了如果平华，件之M摩擦力不够人更容易松扣了 增加了 .个匹擦面用皿了 ,个不稔定的因索-平垫和弹垫使用论者：一起使用能做到不损伤工件表面弹垫可以防松 平垫能使产品的受力面积增加招成小零件表lili压担，：很多公川的产品恭是、T与弹簧垫一起使用的"实践是检验真理的唯一标准也有考虑更细的人分类考虑：机械要紧固的话只用弹垫 尤其对于硬度较好的黑色金属零件直接用弹簧垫更能防松防逆转（前题是对工件表面损伤无要求）；如果螺栓孔比较大可以配合平垫使用。如果被联接件硬度较软（如有色金属零件）也须配合平垫使用 以防破坏零件表面（只能用于振动不大的场合）；当 靠预紧力保证连接时只用平垫圈不月弹贲垫圈

4、,、另外 还有一个新的论点 就Q脸栓联接防栓不使用弹簧垫图 甚至不使 用平垫。因为发现国外对弹簧垫圈很少使用 ；一些国外的图纸里面就不用垫圈； 有些进口的国外设备不使用弹簧垫圈。到底弹簧垫圈和平垫圈的防松效果如何 ？大家可以参考下面的记载有人为验证弹簧垫圈和平垫圈的防松效果进行了振动防松试嗡其结果很有点:总.（由于振动试验与测试不是按标准进行的结果仅供参考。）试验结果：以同时加弹簧垫圈和平垫圈的为最差。带法兰盘螺帽明显优于没有垫圈的但因没有锁紧结构同时加弹簧垫圈和平垫圈不如只加弹簧垫圈加弹簧垫圈不如加平垫圈加平垫圈不如不加垫圈。加弹簧垫圈振动次数随着预紧力的增加而急速下降。以不加垫圈为对比基准

5、.：动。试验分析：接触面大而预紧力保持相同则军擦力大防松效果好根据.摩擦一项式定律可知 当实际接触面积增加时.摩擦力增大.防松效果就好。以不加垫圈为对比基准每淄，加一个型图 就州加一个可松动的活动接触面。钢与钢摩擦系数 医取0.1-0.3 远小于l所以可松动活动接触面易松动.数量越多可松动的几率就越大.弹簧垫圈防松机理理想的认为是靠垫圈压平后产生的弹力（增加摩擦力）。加弹簧垫圈 多了一个可松动的活动接触面；弹簧垫圈支承面面积小；当弹簧垫 圈压不平或一旦受冲击振动张开时.接触面发生变化（开口两端接触）支承面减: 小喋柠像触J川松耳；臼十孑黄海匚二"1'，-很容幼M承我上'

6、;小二葭/ hk接七二良.二部；、:面.它：三一 mi,二行:一上振二 作用时，局部表血压应力进一步增大 而产上永久变形（压坏）便联接出现间 隙 预紧力急速下降 联接松动小上面的试验起码说明了使用弹簧垫圈的防松效果有问题。国外在螺母防松上已很少使用加垫圈的方式了 （国与国并不一样）°手册、文献上都有明确记载 大家可以查一查。下面是我了解的一些关于使用垫圈的建议和规定：HG/T20646.5-1999化工装置管道材料设计技术规定中规定：垫圈在一般 情况时不宜专用 只有在金属螺栓（柱）和螺母用于紧固非金属或有色金属连接 件时才使用。管道法兰一般是不使用垫圈的 无论是国标、化工，石化标准

7、还是国外 标准都是这样规定的实际上对于压力容.器都不用加弹垫“这是因为预紧 力很大 远远大于冲垫所提供的预紧力（预紧力时会破坏弹垫）。据报道 标准弹簧垫圈（GB/T93）在汽车行业上使用得越来越少了。而齿形弹性型圈中的连接齿形由于锁紧力大而U,均匀 在汽车行业中使用较多0 ,无防松要求 安装面平整的场合 可以不用垫圈 很多精密设备上都不用 垫圈就可以证明 德国在1987年版的弹簧垫圈DIN127"适用范围"l 明确规定该垫圈只适用于5.8级或5.8级以下螺栓的连接。1987年 美1玉1恒防科首次发布了米制的国防部琢准DODw-70336弹簧垫 圈。该标准没有使用范围的限制。

8、日本的标准与之相近。II木人在机械设计实践一书中认为 弹簧垫圈会使零件表血受损 而 实际起不到什么作用。对于要求可品、安全性贤:求席的产品来说弹贲里圈是一种不可拳的防松紧固件。下面列出弹簧垫圈存在的缺点：1 .防松可阜性差 行资料表叫 其防松洋命L匕全金属门锁爆母低20倍 比尼龙圈自锁螺母低60倍以上。2 .电镀锌的钢弹簧垫圈会产生氢脆断裂.形成多余物.造成事桢。近年来航空产品使用的弹簧垫圈标准紧固件发生过多起氢脆问题主要发生花经过表面镀锌和镀镉，弹簧垫圈上,03 .垫圈开口处的尖棱易损伤被连接表面。4 .弹簧垫圈有时会出现"涨圈"现象。（弹簧垫圈在装配过程中或装配后 出现

9、开口值m增大屈军现象 也就是弹洸垫圈的膏性变火 向外北张-这种现象 有人称为"涨圈"。）航空紧固件标委会曾作过试将 发现引起弹簧型圈产生涨圈的主要原因是螺母支承面太小 特别是螺母支承面的倒角圆太小.为了避免涨 圈 应尽量使川选用标准梨六井蝶母；当必须选月小六角螺母时 原母的支承面 不能倒角不选用中径杆螺栓或使用六角法兰血螺母5 .使紧固系统受力偏斜.破坏了螺栓作用力的中心性.使螺纹承受附加的弯 曲应力降低蝶梓的抗疲劳七七能；6 .增加被连接件的柔性.即降低连接件的刚度使紧固系统的抗疲劳性能下降。基于以上原因在国外的许多产品设计中.早已采用各种新型防松紧固件来 替代传统的弹簧

10、垫圈防松。我们知道有四场合如瑜亡铁塔，桥梁、&机,船的，海洋平台、人造I星等 爆怜朕接要求很严尤其是航空.业 燥轮松动会造成严屯后果 对安 全性的要求非常严格 因而对螺枪联接不但吸有婢论指导 还要进行探索性的 试。下面是航空工业的工程师为了选择弹簧垫圈最佳者替代品、,.;: 1能进行了对比试验结果（试验方法按美航天标准 NAS33501试验所选用的紧固件有：有（无）预紧力的槽螺母和开口销、尼龙圈自锁螺母、全金属自锁螺母和内（外）齿弹性垫圈等9种。试验结果表明：有预紧力的槽螺母加开口销和尼龙圈自锁螺母的抗振寿命最长振动了 12多万次后 仍无任何楂转迹窿其抗振寿命为内齿弹性型圈的20倍以上

11、 比弹 簧垫圈高60倍以上。无预紧力的槽螺母、全金属自锁螺母的抗振寿命也比较长。内齿和外齿弹 性垫圈、弹簧垫圈、无锁紧装置的普通螺母抗振寿命最短11256000 次。无预紧力的槽螺母的抗振寿命远比有预紧力的槽螺母低这是因为开口销其抗压能力很在螺母槽内受到反复冲击而出现早期疲劳断裂0 齿形弹簧和弹簧垫圈除了抗振寿命短、防松可靠性差之外 低.无法承受标准规定的装配力矩由于预紧力不足.又使抗振寿命大为缩短 齿形弹性垫圈是因为其结构形式而无法承受高压力。这些垫圈在重要连接中不宜采用。齿形弹簧和弹簧垫圈除了抗振寿命短、防松可靠性差之外其抗压能力很低 无法承受标准规定的装配力矩由于预紧力不足.又使抗振寿命

12、大为缩短 齿形弹性垫圈是因为其结构形式而无法承受高压力。这些垫圈在重要连接中不宜采用。既然弹簧垫圈在重要连接中不宜采用就必须仃解决替代冲簧垫圈的方法.：除了国家标准有规定的场合有下面几种方法可以采用。1.选用尼龙圈自锁螺母替代部分弹簧垫圈防松这是一种有效力矩型的嵌件型自锁螺母媒母的防松能力来自于嵌件印尼龙圈与螺栓啮合时所产生的强大摩擦阻力。尼龙圈的材料采用工程尼龙66 这种材料除了具有强度高、弹性好（包括良好复原性和反复使用性）等优点外它对外来的冲击、振动还有良好的吸收和阻尼作用。所以这种螺母具有很高的防松可靠性。这种螺母的优点较全面其唯一的弱点是使用温度受一定限制（-50+100C ）.只能

13、用于常温和低温不适用于高温日十分优良的防松能力。优良的防松能力是因为螺母具有非常稳定而可靠的自锁力矩其锁紧性能是各种自锁螺母中最优的一种即第一次拧入最大力知能保持最小 第15次拧出最小力矩能保持最大。其抗振寿命是各紧固件中首屈一指的。良好的反复使用性和对螺栓螺纹公差的适用性。由于尼龙材料的良好特性使这种螺母可以在不需要润滑的情况下拧入拧出50次甚至100次后仍能保持很高的防松能力。用高、低限螺，栓多次拧入拧出后螺母不变形并仍能保持非常稳定的自锁力矩。适用范围宽广。适用于从低强度到高强度、从低螺纹精度到高螺纹精度的各种螺栓。尼龙圈的防老化性能好。中国曾经进行了尼龙圈自锁螺母的老化试验。将螺母（其

14、尼龙圈材料是未加防老化剂的尼龙66）装在空军的飞机上 然后按空 军常规进行飞行作业选七年之久.M将螺母揖下 测定其最大拧出力矩和第15 次最小拧出力矩试监结果完全符合标准规定的性能指标C这说明尼龙圈自锁螺母的防老化性能是能够满足型号要求的。机械工程师电子手册对非金属嵌件六角锁紧螺母介绍是:GB/T889889.2-2000 和 GB/T6182-2000 锁紧螺母和 GB/T6183.16183-2000非法兰面锁紧 螺母恻紧吊分是嵌装隹蜷母体上 没有内原纹的尼龙圈.当外爆 纹件拧入后,由于尼龙材料良好的弹性产生锁紧力 达件锁紧-该类干母由于尼 龙熔点的限制，一般最高工作温度应小于 120C,

15、以100c以下为宜。如遇特殊需 要，改换材料可达240c由于尼龙属惰性物质，不受工业中常用化学产品的腐蚀，但受无机酸、弱酸与强碱的腐蚀理论与实践表明 该种螺母经拧紧、松退400次以卜.时 其性能.基本稔定,.适用于经常揖装的场合 叱不易损坏外螺线； 乂由于在没有预紧力的条件下 亦有保证的松退力矩；故在振动不大的情况下还可用于调整位置 的场合经热老化的试腼研究许明 热老化以后 尼龙圈失工 弹性锁紧力反而倍出直至拧碎才可松退螺母所以设计中不必考虑老化问题。安装时应注意：1 .尼龙圈内孔卜一朝蝶纹在蝎梓拧入时挤心形成 而不得预先用丝俳攻出蝶 纹；2 .适当增大拧紧力矩；3 .选配适当长度的螺栓 一般

16、以螺栓末端外露23牙为宜；4 .螺杆上不得有开口销孔及毛刺 以免拧坏尼龙圈；螺母拧紧后少量尼龙丝挤出圈外不影响防松效果，为便于装配可加润滑油（脂）但锁紧性能略有降 低。）2 .用涂胶来锁紧螺纹紧固件涂胶锁紧的优点是防松可靠性很高。用厌氧胶锁紧的螺母、螺拴连接件其抗振寿命高达10小时而仍未失效 比齿形弹性垫圈的抗振寿;命高100倍以上 在:抗振试验后拆卸该连接件时拧出M10螺母的瞬间拧动力矩高达 31NI- m可 见其防松能力极佳。凡是要求高可靠而且装配后不再拆卸的螺纹连接部位应尽可能采用涂胶锁紧。3 二条的二3用士 口飞蝶母.X产可口停切松这种螺母之所以能防松是因为在螺母体上的某一部分进行收口

17、变形.使螺纹孔径小于螺栓栓径.当蝶栓与一螺母端合忖 蝶坟的干涉配合使产生了面人的摩擦 阻力从而防止紧冏件的松转。这种螺母的脖点是在保证锁紧性能的条件下体积和质量都可以做得很小. 螺母壁厚也可以很薄.而且可用于较高的温度。所以.它是使用广泛的一种自锁螺母。在飞机、火箭、导弹的壳体和各种重要结构上应用非常广泛。美国早在50、60年代就制定了 MIL-N-25027和NAS335修金属自锁螺母标准口目前 美、英、加等国在航天器上仍然实施这些标准 选用了大量的全金 属自锁螺母特别在要求高强度，高可靠的市要结构上也大量采用小在选用全金属自锁螺母时应注意如下几个问题。由于螺母强度较高（低强度无法保证弹性自锁所需的强度特性）所以不允许与低皿度螺栓配用 否则啮合时会破坏螺拴的螺牙由于这种螺母对螺栓螺纹公差适应性要求很严一所以不允