機械設(shè)計實踐使用彈簧墊圈探討

1、機械設(shè)計實踐 使用彈簧 墊圈探討記得剛參加工作不久聽到兩位老1程師爭論碎眄檜殳汁中是遠擇個彈黃墊圈還是選一個平墊圈加一個彈簧墊圈？那個更有效？我們知道彈簧墊圈(G8/T93-1987)是一種用來鎖緊螺母或螺釘?shù)臉藴示o固件。它是一種傳統(tǒng)的防松緊固件在普通機械產(chǎn)品中被廣泛地采用采用彈簧型圖作為產(chǎn)品防松手段的基本選擇至今沒有改變。在機械設(shè)計手冊(化學(xué)工業(yè)出版社)對彈簧墊圈工作原理及使用是這樣介紹的：依靠彈簧墊圈在壓平后產(chǎn)生的彈力及其切口尖角嵌入被聯(lián)接件及緊固件支承面起防松作用。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用簡便。 GB/T9& GB/T859和GB/T7244等傳統(tǒng)使用的彈簧墊圈由于彈力不均 也不十

2、分可至：多用于不甚重要的聯(lián)接廣泛用于經(jīng)常拆開的聯(lián)接處?(而機械工程師電子手冊對彈簧墊圈介紹是：由于彈力不均也不十分可免 多用于不甚重要的聯(lián)接.對聯(lián)接.及面不允許劃傷和經(jīng)常拆卸的場合不宜選用。)機械設(shè)計手冊是這樣介紹平墊圈 (G8/T97.1-1985)的：一般用于金屬零件以煙加支承面遮養(yǎng)較大的孔眼以及防止以傷零件表面.前面所提的兩位老工程師誰也沒說服對方實際上他們的這種爭論現(xiàn)在工作中依然經(jīng)常能聽到。在一些機械設(shè)備的論壇中也?？吹接懻?。單彈墊使用論者：彈墊的開口容易嵌入螺母及工件真正起到防松的目的。如果下面增加平墊會大大消減其防松效果。因為加了平墊之后彈簧.拉的切口尖角不是嵌入被聯(lián)接件而是卡在平

3、墊上了如果平華，件之M摩擦力不夠人更容易松扣了 增加了 .個匹擦面用皿了 ,個不稔定的因索-平墊和彈墊使用論者：一起使用能做到不損傷工件表面彈墊可以防松 平墊能使產(chǎn)品的受力面積增加招成小零件表lili壓擔(dān)，：很多公川的產(chǎn)品恭是、T與彈簧墊一起使用的"實踐是檢驗真理的唯一標準也有考慮更細的人分類考慮：機械要緊固的話只用彈墊 尤其對于硬度較好的黑色金屬零件直接用彈簧墊更能防松防逆轉(zhuǎn)（前題是對工件表面損傷無要求）；如果螺栓孔比較大可以配合平墊使用。如果被聯(lián)接件硬度較軟（如有色金屬零件）也須配合平墊使用 以防破壞零件表面（只能用于振動不大的場合）；當(dāng) 靠預(yù)緊力保證連接時只用平墊圈不月彈賁墊圈

4、,、另外 還有一個新的論點 就Q臉栓聯(lián)接防栓不使用彈簧墊圖 甚至不使 用平墊。因為發(fā)現(xiàn)國外對彈簧墊圈很少使用 ；一些國外的圖紙里面就不用墊圈； 有些進口的國外設(shè)備不使用彈簧墊圈。到底彈簧墊圈和平墊圈的防松效果如何 ？大家可以參考下面的記載有人為驗證彈簧墊圈和平墊圈的防松效果進行了振動防松試嗡其結(jié)果很有點:總.（由于振動試驗與測試不是按標準進行的結(jié)果僅供參考。）試驗結(jié)果：以同時加彈簧墊圈和平墊圈的為最差。帶法蘭盤螺帽明顯優(yōu)于沒有墊圈的但因沒有鎖緊結(jié)構(gòu)同時加彈簧墊圈和平墊圈不如只加彈簧墊圈加彈簧墊圈不如加平墊圈加平墊圈不如不加墊圈。加彈簧墊圈振動次數(shù)隨著預(yù)緊力的增加而急速下降。以不加墊圈為對比基準

5、.：動。試驗分析：接觸面大而預(yù)緊力保持相同則軍擦力大防松效果好根據(jù).摩擦一項式定律可知 當(dāng)實際接觸面積增加時.摩擦力增大.防松效果就好。以不加墊圈為對比基準每淄，加一個型圖 就州加一個可松動的活動接觸面。鋼與鋼摩擦系數(shù) 醫(yī)取0.1-0.3 遠小于l所以可松動活動接觸面易松動.數(shù)量越多可松動的幾率就越大.彈簧墊圈防松機理理想的認為是靠墊圈壓平后產(chǎn)生的彈力（增加摩擦力）。加彈簧墊圈 多了一個可松動的活動接觸面；彈簧墊圈支承面面積??；當(dāng)彈簧墊 圈壓不平或一旦受沖擊振動張開時.接觸面發(fā)生變化（開口兩端接觸）支承面減: 小喋檸像觸J川松耳；臼十孑黃海匚二"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 作用時，局部表血壓應(yīng)力進一步增大 而產(chǎn)上永久變形（壓壞）便聯(lián)接出現(xiàn)間 隙 預(yù)緊力急速下降 聯(lián)接松動小上面的試驗起碼說明了使用彈簧墊圈的防松效果有問題。國外在螺母防松上已很少使用加墊圈的方式了 （國與國并不一樣）°手冊、文獻上都有明確記載 大家可以查一查。下面是我了解的一些關(guān)于使用墊圈的建議和規(guī)定：HG/T20646.5-1999化工裝置管道材料設(shè)計技術(shù)規(guī)定中規(guī)定：墊圈在一般 情況時不宜專用 只有在金屬螺栓（柱）和螺母用于緊固非金屬或有色金屬連接 件時才使用。管道法蘭一般是不使用墊圈的 無論是國標、化工，石化標準

7、還是國外 標準都是這樣規(guī)定的實際上對于壓力容.器都不用加彈墊“這是因為預(yù)緊 力很大 遠遠大于沖墊所提供的預(yù)緊力（預(yù)緊力時會破壞彈墊）。據(jù)報道 標準彈簧墊圈（GB/T93）在汽車行業(yè)上使用得越來越少了。而齒形彈性型圈中的連接齒形由于鎖緊力大而U,均勻 在汽車行業(yè)中使用較多0 ,無防松要求 安裝面平整的場合 可以不用墊圈 很多精密設(shè)備上都不用 墊圈就可以證明 德國在1987年版的彈簧墊圈DIN127"適用范圍"l 明確規(guī)定該墊圈只適用于5.8級或5.8級以下螺栓的連接。1987年 美1玉1恒防科首次發(fā)布了米制的國防部琢準DODw-70336彈簧墊 圈。該標準沒有使用范圍的限制。

8、日本的標準與之相近。II木人在機械設(shè)計實踐一書中認為 彈簧墊圈會使零件表血受損 而 實際起不到什么作用。對于要求可品、安全性賢:求席的產(chǎn)品來說彈賁里圈是一種不可拳的防松緊固件。下面列出彈簧墊圈存在的缺點：1 .防松可阜性差 行資料表叫 其防松洋命L匕全金屬門鎖爆母低20倍 比尼龍圈自鎖螺母低60倍以上。2 .電鍍鋅的鋼彈簧墊圈會產(chǎn)生氫脆斷裂.形成多余物.造成事楨。近年來航空產(chǎn)品使用的彈簧墊圈標準緊固件發(fā)生過多起氫脆問題主要發(fā)生花經(jīng)過表面鍍鋅和鍍鎘，彈簧墊圈上,03 .墊圈開口處的尖棱易損傷被連接表面。4 .彈簧墊圈有時會出現(xiàn)"漲圈"現(xiàn)象。（彈簧墊圈在裝配過程中或裝配后 出現(xiàn)

9、開口值m增大屈軍現(xiàn)象 也就是彈洸墊圈的膏性變火 向外北張-這種現(xiàn)象 有人稱為"漲圈"。）航空緊固件標委會曾作過試將 發(fā)現(xiàn)引起彈簧型圈產(chǎn)生漲圈的主要原因是螺母支承面太小 特別是螺母支承面的倒角圓太小.為了避免漲 圈 應(yīng)盡量使川選用標準梨六井蝶母；當(dāng)必須選月小六角螺母時 原母的支承面 不能倒角不選用中徑桿螺栓或使用六角法蘭血螺母5 .使緊固系統(tǒng)受力偏斜.破壞了螺栓作用力的中心性.使螺紋承受附加的彎 曲應(yīng)力降低蝶梓的抗疲勞七七能；6 .增加被連接件的柔性.即降低連接件的剛度使緊固系統(tǒng)的抗疲勞性能下降?；谝陨显蛟趪獾脑S多產(chǎn)品設(shè)計中.早已采用各種新型防松緊固件來 替代傳統(tǒng)的彈簧

10、墊圈防松。我們知道有四場合如瑜亡鐵塔，橋梁、&機,船的，海洋平臺、人造I星等 爆憐朕接要求很嚴尤其是航空.業(yè) 燥輪松動會造成嚴屯后果 對安 全性的要求非常嚴格 因而對螺槍聯(lián)接不但吸有婢論指導(dǎo) 還要進行探索性的 試。下面是航空工業(yè)的工程師為了選擇彈簧墊圈最佳者替代品、,.;: 1能進行了對比試驗結(jié)果（試驗方法按美航天標準 NAS33501試驗所選用的緊固件有：有（無）預(yù)緊力的槽螺母和開口銷、尼龍圈自鎖螺母、全金屬自鎖螺母和內(nèi)（外）齒彈性墊圈等9種。試驗結(jié)果表明：有預(yù)緊力的槽螺母加開口銷和尼龍圈自鎖螺母的抗振壽命最長振動了 12多萬次后 仍無任何楂轉(zhuǎn)跡窿其抗振壽命為內(nèi)齒彈性型圈的20倍以上

11、 比彈 簧墊圈高60倍以上。無預(yù)緊力的槽螺母、全金屬自鎖螺母的抗振壽命也比較長。內(nèi)齒和外齒彈 性墊圈、彈簧墊圈、無鎖緊裝置的普通螺母抗振壽命最短11256000 次。無預(yù)緊力的槽螺母的抗振壽命遠比有預(yù)緊力的槽螺母低這是因為開口銷其抗壓能力很在螺母槽內(nèi)受到反復(fù)沖擊而出現(xiàn)早期疲勞斷裂0 齒形彈簧和彈簧墊圈除了抗振壽命短、防松可靠性差之外 低.無法承受標準規(guī)定的裝配力矩由于預(yù)緊力不足.又使抗振壽命大為縮短 齒形彈性墊圈是因為其結(jié)構(gòu)形式而無法承受高壓力。這些墊圈在重要連接中不宜采用。齒形彈簧和彈簧墊圈除了抗振壽命短、防松可靠性差之外其抗壓能力很低 無法承受標準規(guī)定的裝配力矩由于預(yù)緊力不足.又使抗振壽命

12、大為縮短 齒形彈性墊圈是因為其結(jié)構(gòu)形式而無法承受高壓力。這些墊圈在重要連接中不宜采用。既然彈簧墊圈在重要連接中不宜采用就必須仃解決替代沖簧墊圈的方法.：除了國家標準有規(guī)定的場合有下面幾種方法可以采用。1.選用尼龍圈自鎖螺母替代部分彈簧墊圈防松這是一種有效力矩型的嵌件型自鎖螺母媒母的防松能力來自于嵌件印尼龍圈與螺栓嚙合時所產(chǎn)生的強大摩擦阻力。尼龍圈的材料采用工程尼龍66 這種材料除了具有強度高、彈性好（包括良好復(fù)原性和反復(fù)使用性）等優(yōu)點外它對外來的沖擊、振動還有良好的吸收和阻尼作用。所以這種螺母具有很高的防松可靠性。這種螺母的優(yōu)點較全面其唯一的弱點是使用溫度受一定限制（-50+100C ）.只能

13、用于常溫和低溫不適用于高溫日十分優(yōu)良的防松能力。優(yōu)良的防松能力是因為螺母具有非常穩(wěn)定而可靠的自鎖力矩其鎖緊性能是各種自鎖螺母中最優(yōu)的一種即第一次擰入最大力知能保持最小 第15次擰出最小力矩能保持最大。其抗振壽命是各緊固件中首屈一指的。良好的反復(fù)使用性和對螺栓螺紋公差的適用性。由于尼龍材料的良好特性使這種螺母可以在不需要潤滑的情況下擰入擰出50次甚至100次后仍能保持很高的防松能力。用高、低限螺，栓多次擰入擰出后螺母不變形并仍能保持非常穩(wěn)定的自鎖力矩。適用范圍寬廣。適用于從低強度到高強度、從低螺紋精度到高螺紋精度的各種螺栓。尼龍圈的防老化性能好。中國曾經(jīng)進行了尼龍圈自鎖螺母的老化試驗。將螺母（其

14、尼龍圈材料是未加防老化劑的尼龍66）裝在空軍的飛機上 然后按空 軍常規(guī)進行飛行作業(yè)選七年之久.M將螺母揖下 測定其最大擰出力矩和第15 次最小擰出力矩試監(jiān)結(jié)果完全符合標準規(guī)定的性能指標C這說明尼龍圈自鎖螺母的防老化性能是能夠滿足型號要求的。機械工程師電子手冊對非金屬嵌件六角鎖緊螺母介紹是:GB/T889889.2-2000 和 GB/T6182-2000 鎖緊螺母和 GB/T6183.16183-2000非法蘭面鎖緊 螺母惻緊吊分是嵌裝隹蜷母體上 沒有內(nèi)原紋的尼龍圈.當(dāng)外爆 紋件擰入后,由于尼龍材料良好的彈性產(chǎn)生鎖緊力 達件鎖緊-該類干母由于尼 龍熔點的限制，一般最高工作溫度應(yīng)小于 120C,

15、以100c以下為宜。如遇特殊需 要，改換材料可達240c由于尼龍屬惰性物質(zhì)，不受工業(yè)中常用化學(xué)產(chǎn)品的腐蝕，但受無機酸、弱酸與強堿的腐蝕理論與實踐表明 該種螺母經(jīng)擰緊、松退400次以卜.時 其性能.基本稔定,.適用于經(jīng)常揖裝的場合 叱不易損壞外螺線； 乂由于在沒有預(yù)緊力的條件下 亦有保證的松退力矩；故在振動不大的情況下還可用于調(diào)整位置 的場合經(jīng)熱老化的試靦研究許明 熱老化以后 尼龍圈失工 彈性鎖緊力反而倍出直至擰碎才可松退螺母所以設(shè)計中不必考慮老化問題。安裝時應(yīng)注意：1 .尼龍圈內(nèi)孔卜一朝蝶紋在蝎梓擰入時擠心形成 而不得預(yù)先用絲俳攻出蝶 紋；2 .適當(dāng)增大擰緊力矩；3 .選配適當(dāng)長度的螺栓 一般

16、以螺栓末端外露23牙為宜；4 .螺桿上不得有開口銷孔及毛刺 以免擰壞尼龍圈；螺母擰緊后少量尼龍絲擠出圈外不影響防松效果，為便于裝配可加潤滑油（脂）但鎖緊性能略有降 低。）2 .用涂膠來鎖緊螺紋緊固件涂膠鎖緊的優(yōu)點是防松可靠性很高。用厭氧膠鎖緊的螺母、螺拴連接件其抗振壽命高達10小時而仍未失效 比齒形彈性墊圈的抗振壽;命高100倍以上 在:抗振試驗后拆卸該連接件時擰出M10螺母的瞬間擰動力矩高達 31NI- m可 見其防松能力極佳。凡是要求高可靠而且裝配后不再拆卸的螺紋連接部位應(yīng)盡可能采用涂膠鎖緊。3 二條的二3用士 口飛蝶母.X產(chǎn)可口停切松這種螺母之所以能防松是因為在螺母體上的某一部分進行收口

17、變形.使螺紋孔徑小于螺栓栓徑.當(dāng)?shù)ㄅc一螺母端合忖 蝶墳的干涉配合使產(chǎn)生了面人的摩擦 阻力從而防止緊冏件的松轉(zhuǎn)。這種螺母的脖點是在保證鎖緊性能的條件下體積和質(zhì)量都可以做得很小. 螺母壁厚也可以很薄.而且可用于較高的溫度。所以.它是使用廣泛的一種自鎖螺母。在飛機、火箭、導(dǎo)彈的殼體和各種重要結(jié)構(gòu)上應(yīng)用非常廣泛。美國早在50、60年代就制定了 MIL-N-25027和NAS335修金屬自鎖螺母標準口目前 美、英、加等國在航天器上仍然實施這些標準 選用了大量的全金 屬自鎖螺母特別在要求高強度，高可靠的市要結(jié)構(gòu)上也大量采用小在選用全金屬自鎖螺母時應(yīng)注意如下幾個問題。由于螺母強度較高（低強度無法保證彈性自鎖所需的強度特性）所以不允許與低皿度螺栓配用 否則嚙合時會破壞螺拴的螺牙由于這種螺母對螺栓螺紋公差適應(yīng)性要求很嚴一所以不允