弹簧垫圈究竟能不能防松？

在各类机械连接件中，螺栓的防松是一个很重要的环节。我们之前发过一篇《12种超级经典的螺栓防松设计》文章，其中有提到使用弹簧垫圈来防松。然后有金粉提出质疑：弹簧垫圈并不能防松！那我们今天就来探讨一下，弹簧垫圈究竟防不防松。


弹簧垫圈防松原理

弹簧垫圈的防松原理是在把弹簧垫圈的压平后，弹簧垫圈会产生一个持续的弹力，使螺母与螺栓的螺纹连接副持续保持一个摩擦力，产生阻力矩，防止螺母松动。同时弹簧垫圈的开口处的尖角分别嵌入螺栓和被连接件表面，从而防止螺栓相对于被连接件回转。




弹簧垫圈的防松效果怎么样？
弹簧垫圈在一般机械产品的承力和非承力结构中应用广泛，其特点是成本低廉、安装方便，适用于装拆频繁的部位。但是弹簧垫圈的防松能力很低！尤其在目前欧美各国要求高可靠性产品中采用率极低，特别是重要的承力结构连接部位早已被抛弃好多年。我们国家在军工方面还有部分应用，但已改进为不锈钢材料。据说，钢制弹簧垫圈在CASC早就是被禁止使用了！也说是很不安全，原因有两个：一是涨圈，二是氢脆。

弹簧垫圈防松案例
车桥主减速器与桥壳的连接使用10.9级M16×100螺栓，拧紧力矩为（280+20 ）N·m，使用高精度电动拧紧机拧紧。在有弹簧垫圈和没有弹簧垫圈两种状态下检测螺栓拧紧过程中力矩随转角的变化。对比力矩转角曲线，发现在有弹簧垫圈的情况下，一直有约10N·m的预紧力矩；而没有弹簧垫圈的情况下，螺栓在力矩显著上升前，力矩处于0N·m状态。
以此推断用约10N·m的螺栓预紧力矩就可以将弹簧垫圈完全压平。再通过用数显扭矩扳手检测，发现螺栓扭矩还未达到20N·m，弹簧垫圈已经完全被压平，验证了上述推断的正确性。
分析以上两点说明，弹簧垫圈只能提供10N·m的弹力，而10N·m的弹力对于280 N·m的螺栓预紧力矩来说可以忽略，其次，这么小的力，不足以使弹簧垫圈切口处的尖角嵌入螺栓和被连接件表面。折卸后观察，螺栓和被连接件表面都没有明显的嵌痕。所以，弹簧垫圈对螺栓的防松作用可以忽略。
另外，在螺栓与被连接件之间增加一个垫圈，如果垫圈质量有问题，相当于给螺栓连接又增加了一个安全隐患。
综上所述，当螺栓扭矩较大时（大于200N·m），用弹簧垫圈给螺栓防松的方式弊大于利。为此，在冲击、振动和变载的作用下，预紧力可能在某一瞬间消失，连接有可能松脱。同时，美国宇航局（NASA）也发现了开口弹簧垫圈的问题，在NASA标准中在锁紧螺母一章中，这样写到：“典型的螺旋弹簧垫圈…在螺栓紧固的时候起到弹簧的作用。可是，当螺栓被完全紧固的时候，垫圈一般来讲是变平了。在这个时候，完全可以将它当作一体平垫圈，它的锁紧功能根本不存在。总而言之，这种类型的锁紧垫圈对于锁紧而言，一无是处。”原文节选，参见下图。



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