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 听到两位老丁稈师争论在螺栓防松设计中是选择 一个弹簧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 在普通机械产品山被广泛地采用.采用弹赞垫圈 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 GB/T7244等传统使用的弹簧垫圈 由于弹力不均 也不丁分可寡 多用于不S 重要的联接广泛用于经常拆幵的联按处

2、.(而机械工程师电子手册对弹簧 垫圈介绍是:由于弹力不均 也不小分可靠多用于不甚車些的联接.对联接农 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 以增加支承面 遮盖较人的扎眼 以及防止损伤零件表面。 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:弹垫的幵口容易嵌入螺母及工件 真正起到防松的0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 更容易松扣了 增加了一个摩擦面増加了 一个不稳也的因索 G 平垫和弹垫使用论者:一起使用能做到不损伤工件表面 弹垫可以防松平支承面起防

3、松作用。结构简单、成本低、使用简便。 GB/T93 GB/T859 和 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 弹赞垫的切口 尖角不是嵌入被联接件而是卡在平垫上了 如杲半垫与工件之间摩擦丿J不够大 垫能使产品的受力面积增加 来减小零件表面压强很多公司的产品都是半垫 与弹簧垫一起使用的。实践是检验真理的唯一标准0 也有考虑更细的人 分类考堆:机械要紧固的话 只用弹垫 尤其对于度 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 零件）也须配合平塔使用 以防破坏零件表面（只能用于振动不大

4、的场合）;当 靠预紧力保证连接时 只用半垫圈 不用弹赞垫圈 C 另外 还有一个新的论点 就是螺栓联接防松不-使用弹赞垫圈 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 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 因而锁不州随振动时间的延长预紧丿J继续下降“ 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

5、对比基准 发现弹-簧垫圈水但不起如松作用 反皿更容易松 动。 试验分析: 接触面大而预紧力保持相同 则摩擦力大 防松效.果好.根摩擦-项式 定律可知 当实际接触面积増加时.摩擦力增大.防松效果就好。 以不加垫圈为对比基准 每增川一个垫圈 就增加一个可松动的活动接触 面。钢与钢摩擦系数U取0.1-0.3 远小于I 所以可松动活动接触而易松动. 数量越多 可松动的儿率就越人 C （如有色金属 验证弹簧垫圈和平垫圈的防松效果 进行了振动防松试验n其结果很有意思 （由于振动试验与测试不是按标准进行的 結杲仅供参考。） 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）0 加弹赞垫圈 多

6、了一个可松动的活动接触面的活动接触面；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幵时.接触面发生变化（幵口两端接触）支承面减 小 螺栓接触而很快松动；山于弹簧垫圈支承而而积小 不T：很容易辿渥载而 划伤和损坏 由于接触不a.局部表而压应力很高 当受技复载荷.冲击或振动 作用时 局部表面，压应丿J址一步増人 而产牛永久变形（压坏）使联接山现问 隙 预紧力急速下降 联接松动。 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 八 手册、文献上都有明确记载 大家可以查一查。 F面是我了解的一些关于使用垫圈的建议和规定 HG

7、/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 悄况时不户使用 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。 管道法兰一股是不使 ffl 垫圈的 无论是国标.化丁，石化标准 还是国外 标准都是这样规左的n实际上对于虫丿J容器都不用加弹址.这是因为预紧 力很大远远大于弹垫所提供的预紧力（预紧力时会破坏弹垫）0 据报道 标准弹赞垫圈（GB/T93）在汽车行业上使用得越来越少了。而齿形 弹性垫圈川的连接齿形由于锁紧力人而4均匀 在汽车行业川使用较多。 无防松嘤求 安装面V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

8、年版的弹簧垫圈DIN127适用范围川 明确规左该垫圈只适 用于5.8级或5.8级以下螺栓的连接。 1987年美国国防部首次发布了米制的M防部标准防部标准DODw-70336弹簧垫 圈 该标准没有使用范围的限制。日本的标准与之相近。 H木人在机械设计实践一书中认为 弹赞垫圈会使零件表而受损 而 实际起不到什么作用。 对于要求可靠、安金性要求高的产品来说弹簧垫圈是一种不可靠的防松 紧固件。下面列出弹簧垫圈存在的缺点 1. 防松可靠性弟有资料表明其防松寿命比全金属口锁螺母低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.造成爭故:,近年来 航空产品使用的

9、弹赞塑圈标准紧固件发牛过多屈氢.脆问题 要发牛任经过表 面镀锌和镀镉，弹簧垫圈上，0 3. 垫圈幵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。（弹赞垫圈在装配过程中或装配后岀 现幵口值m增大弟现象 也就是丼簧垫圈的肓径变大向外膨胀“这种现象 有人称为涨圈0 ）航牢紧同件标委会作过试齡 发现引尼弹赞垫圈产牛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 C 为了避免涨 圈 应尽量使用选用标准型六角螺母；当必须选用小六角螟母时母的支承面 不能倒角 不选用山径杆螺栓 或使S六角法兰面螺母. 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

10、力降低螺栓的抗疲劳性能; 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讣川.早已采用各种新型防松紧固件来 替代传统的弹簧垫圈防松。 我们知道 有些场台如输电铁塔、桥梁、飞机船舶、海洋平台、人造卫 星等 螺栓联接要求很严 C 尤其是航牢T业 螺栓松动会造成严車丿舀果 对安 全性的要求非常严格 因而对螺栓联接不但耍有理论指导 还要进行探索性的 试。 F面是航空工业的工程师为了选择弹簧垫圈最佳者替代品 能进行了对比试验结果（试验方法按美航天标准 NAS3350）。 试验所选用的紧固件有:有（无）预紧力的槽螺母和幵口销、尼龙圈自锁螺母、

11、 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幵口销和尼龙圈自锁螺母的抗振寿命最长 多万次后仍.无任何松转迹象.英抗振寿命为内齿沖性垫圈的20倍以上比弾 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。内齿和外齿弹所做的防松性 振动了 12 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。 除了国家标准有规定的场合 有下而几种力法可以采用: 1.选用尼龙圈自锁螺母替代部分弹簧垫圈防松 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 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

12、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 50+100C）.只能用于常温和低温 不适用丁高淋。 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仅振动了 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 在螺母槽内受到反复冲击而出现早期疲劳断裂。 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 低无法承受标准规左的装在LJJ炬.由于预紧丿J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

13、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 就必须有解决替代弹赞垫圈的方法 这是一种有效力矩型的嵌件型自锁螺母 螺母的防松能力来白于嵌件即尼 66 这 松可靠性。这种螺母的优点较全面 K唯一的弱点是使 ffl 温度受一定限制（- 的&锁丿J知 其锁紧性能是各种a锁螺母川星优的一种 即第一次拧入星大丿 J 矩能保持最小 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

14、好特 很W的防松能力 C 用高、低限螺栓多次拧入拧出丿|2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（其尼龙圈材料是未加防老化剂的尼龙 66）装在牢军的飞机上 然C按空 军常规进行飞行作业选七年之久.山将螺母拆下测宦其最.火拧出力炬和第15 次晟小拧HiMP.试验结果充金符合标准规圧的性能抬标。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 G

15、B/T6182-2000 锁紧螺母和 GB/T6183.16183-2000 非法兰面锁紧螺母锁紧部分是抿装在螺母体上 没有内螺纹的尼龙圈.当外螺 纹件拧入后，由于尼龙材料良好的弹性产牛锁紧丿J达剑锁紧 C 该类螺即由于尼 龙熔点的限制，一般最高工作温度应小于 120 C ,以100 C以下为宜。如遇特殊需 要,改换材料可达240 C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 该种噤母经拧紧.松退 400次以上吋其性能基本稳左 C 适用于经常拆装的场合 口一不易损坏外螺纹;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

16、持 乂由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+调蔡位置的场合.经热老化的试验研究讦明热老化以后尼龙圈失左 弹性 锁紧力反而倍增 直至拧碎才可松退螺母.所以 设讣川不必考虑老化 问题。 安装时应注意: 1.尼龙圈内扎上的螺纹在螺栓拧入时挤压形成 而不得预先用丝锥攻出螺 2.适当增大拧紧力矩； 3. 选配适当长度的血索栓 一般以螺栓末端外露23牙为宜; 4. 螺杆上不得右开口销孔及毛刺以免拧坏尼龙圈；螺母拧紧后少量尼龙丝 挤山圈外不影响防松效杲.为便于装配可加润滑油（脂）但锁紧性能唯有降 低。） 2.用涂胶来锁紧螺纹紧固件 其抗振寿命高达10小时而仍未失效比齿形弹性

17、垫圈的抗振寿命高100倍以上。 /上扌儿振试验丿口拆卸该连接件吋 拧iJj M10螺母的瞬间拧动力矩高达 31N - 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有条件的话选用全金属口锁螺母替代沖簧垫圈防松 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变形 .使螺纹 孔径小于螺栓栓径.当螺栓与螺母啮合时 螺纹的下涉配合便产一了强大的.摩擦 肌丿J从而防止紧M件的松转 C 这种螺母的特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。 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 美国早在50、60年代就制定了 MIL-N-25027和NAS3350全金属自锁螺母标 准“ B前 类、英、加等国在航天器上仍然实诞这些标准 选用了大量的全金 属白锁螺僚 特别在要求高强度，高可靠的重要结构上也大绘采用。 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 允许与低强度螺栓配口 否则啮合时会破坏螺拴的螺才 由于这种螺母对螺栓螺纹公差适应性要求很严一所以不