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工杞帅节纶任噱吒阳松艮讥中是远择个弹饕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fl甫边机械产品山被广泛地采用-采用弹第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 支承面起防松作用。结构简单、成本低、使用简便。GB/T93 GB/T859和GB/T7244等传统使用的弹簧垫圈由于哼力不均

2、也不丨-分口炸 多用于不战重要的联接广泛用于经常拆H的联援处(而机械工程师电子手册对弹簧 垫圈介绍是:由于弹力不均也不分可党 多冃于不甚車找的联:覆 对联接衣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li伽支承面迹盖较人的扎皿以及防止拥伤盂件表面“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:弹垫的幵口容易嵌入螺母及工件 具止.尼到防松国LI的,： 如果下面增加平垫会大大消减其防松效果。因为加了平垫之后弾钺空的切口尖角不是嵌入被

3、联接件而是卡在平垫上了如果半舉打丄件Z M座擦丿j不够人更容易松扣了 和川了 个徑擦面州加了 个不稳朮的因索”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來减小冬件衷血压弓岂 很多公司的产品粧是T；垫与弹簧垫一起使用的。"实践是检验真理的唯一标准I!也有考虑更细的人分炎怔:机械要紧固的话只用幷址 尤其对于汶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）也须配介丫垫便川 以防破坏零件表川i（只能用于振动不大的场合）；当 靠预紧力保证连接

4、时 只用半举圏不月弹黄垫圈“另外 辻有-个新的论点 就是曲栓联接防松不使用沖赞垫圈 甚至不技 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辻.彳亍了折动防松试验其结.果浪有点息-（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w:防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

5、加而急速下降。以不加垫圈为对比基准f 11亍.J丨 厂-一飞三动。试验分析:接触面大而预紧力保持相同则摩擦丿J人 防松效处好根据圧擦恥式定律可知 旳实际接刖Mi积増丿川时.摩擦力增大.防松效果就好。面。钢与钢摩擦系数取0.1-0.3 远小于I所以M松动活动接他田期松动.数量越多训罐动的儿率就越丿s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）。史总；i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）!：:.讥r I门 小戈林fL*. iJ对,；：对；-;- " F隙 预紧力急速下降 联接松动。上面的试验起码说明了

6、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 厂、T册、文威上祁有明确门.戟 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:垫圈在一般怙况时不匸冃 只有在金屈攥栓（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垂圈的 无论是国标、化工、石化标准 还是国外标准都是这样规定的“实际上对丁压力容器都不用加理垫.这是因为预紧力很大 远远大丁弹垫所提供的预紧力（预紧力时会破坏弹垫）。据报道 林准弹簽塑圈（GB/T93）在汽车行业上使用得越来越少了。而齿形弹

7、性垫圈川的连接垢形由于锁紧力人而4均匀 在汽车行业川使用较多。尤防松要求咬装面平幣的场合可以不用垫圈很多蒂幣设备上都不用 垫圈就可以证明德国在1987年版的弹簧垫圈DIN127"适用范围"'I1明确规宦该垫西只适用于5.8级或5.8级以下螺栓的连接。1987佯美国|下|防远右枚发布了斥制的国防血小准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。丨1木人在机械设计实践一书中认为 沖簧垫圈会使零件表而受损 而实际起不到什么作用。对于要求可執灾个性耍求高的产品来说弹贲举圈肚-种不可靠的防松 紧固件。下面列出弹簧垫圈存在的缺点:1阶松可集性节

8、有贯料衷明 共防松恋命比全金屈口锁煤母低20侣 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.逍成爭故“込讣来航空产品使用的弹赞垫圈标准紧同件发4过彩起氢脆问题丰要发4在经过表面镀锌和镀镉，弹簧垫圈上，。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。（沖簣華圈化匚过枉中或装配咕 出现幵口值m出人咼策观滋 也就是棒賁垫圈的肖從变人 向外皿 这种现彖 有人称为"涨圈"。）航空紧同件林委会讣作过试脸 发观引此弹贲举圈产牛漲国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以小°

9、为了避免涨 圈 应尽最伙川选门标准片0；幷煤母；当必须选冃小六角螟毋时 嗓母的支承面 不能倒角不选用中径杆螺栓或使用六角法兰而螺母已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煤栓拊抗疲劳件能；6. 增加被连接件的柔性.即降低连接件的刚度仗紧固杀统的抗眩貂T能一卜 降。基于以上原因们川外的许多产品设计中早已采用各种新型防松紧固件来 替代传统的弹簧垫圈防松。我们知道右叱场台如输口诜嗒、桥梁、E机、船肋、篙洋半台、人造I星等嫖松叹接要求很严:尤英是&ljv：T.业 煤林松动会造成严市肯杲 对安全性的要求非常严格因而对螺栓联接不但要有禅论扌S导 坯要进行探

10、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： _.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、 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12多万次后-.ji '- H-v. t 20倍以上簧垫圈高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。内齿和外齿弹仅抿动/这是因为J r- nB其抗压能力很性垫圈、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

11、预紧力的槽螺母低 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 低尤法承受林准规疋的装忸丿J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其抗压能力很宜采用。齿形弹簧和弹簧垫圈除了抗振寿命短、防松可靠性差之外低无法承受林准规左旳装咛丿J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。既然弹簧垫圈在重要连接中不宜采用就必须有解决皆代弹饕垫圈的力法：除了国家标准有规定的场合左下面几种方法可以采用。1. 选用尼龙圈自锁螺

12、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螟母的防磴能丿J来白于嵌1'，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咗-的射点是便用温度受疋限制（-50+100C）.只能用于常温和低温不适用于高卅 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短其锁紧性能是各种口锁螺母中最优的一种即第一次拧入最大力仁能课持最小 第15次拧出最小力矩能保持最大。其

13、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（其尼龙圈材料是未加防老化剂的尼龙66）装在空军的飞杞上 然石按泾 军常规进行飞行作业选七年之久卩卜将螺母拆下 测宦其宦人拧打力炬和笫15 次最小拧出力知试验结果完全符合标准规立的性能指标°这

14、说明尼龙圈白锁 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 噪母谀紧洱分足嵌装在螺母体上 没百内!烁铁的尼龙圈:、当外蜒 纹件拧入后,由于尼龙林料丧好的呻件产纶锁紧力达到锁紧-该.炎摞母由于尼 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：眶论与实践表明 该种螺母经拧紧、松退

15、400次以上时其性能基本稳圧适用于经常拆装的场合 4不易损坏外螺纹； 乂由于许没有预紧力的条件下 处有保证的松退力炬；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脸口诜讦明 热老化以后 尼龙圈矢史 沖性锁紧力反而倍:曾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.尼龙圈内孔占勺嗦铁力鰹栓拧入时挤山形成 血不得预先用丝粧如肪纹；2. 适当增大拧紧力矩；3. 选配适为长度的喋栓-般以煤杵末端外覊23牙为宜；4. !關;上不得存丿卜口销此坎毛刘 以犯拧坏尼龙圏；螺母拧紧后少量尼龙丝挤山圈外不彤响防松效杲"为便于装噩可加润滑油（脂）但锁紧性能唯有降 低。）

16、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。用厌氧胶锁紧的螺即、螺拴连接件其抗振寿命高达10小时血仍未失效比阳勿外曲圈的扰扳寿命高100倍以上 在抗振试齡后拆卸该连接件吋拧出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匚衣辰二 氏亍七订，点打匸Pl产疋池亍壮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摞栓与!赊母瞄台时 摞纹的干沙乩台便产牛了强人的摩擦 阻力从而阴止紧周件的松转。这种螺母的特点是在保证锁紧性能的条件下休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NAS3350全金属自锁螺母标准日前 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自锁螺母特别在耍求高强度、高可靠的帀耍结构上也大量采用。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许与螺纹精度较低的螺栓