一種實現螺栓防松的新型墊片

王茂兵

（安徽合力股份有限責任公司工業車輛安徽省重點實驗室，合肥230601）

一種實現螺栓防松的新型墊片

王茂兵

（安徽合力股份有限責任公司工業車輛安徽省重點實驗室，合肥230601）

介紹一種新型的墊片，利用墊片本身機械結構，實現螺栓的防松。這種墊片是成對使用，一對相互咬合的齒形墊片互相咬合的角度α大于螺紋副之間的螺紋升角β，這樣就有效地阻止螺栓的松動。

防松；機械結構；預緊力

0 引言

隨著機械自動化技術的廣泛應用，對產品的可靠性能要求越來越高，對于一些重要部位（隱藏在設備內部的）、有頻繁振動影響的需要螺紋聯接的零部件，其可靠性的要求也越來越高。

螺紋聯接件一般采用單線普通螺紋，螺紋升角（β= 1°42′～3°2′）小于螺紋副的當量摩擦角（ψ=6°30′～10°30′）。因此，聯接螺紋基本上都能實現自鎖（β＜ψ）。此外，擰緊后螺母和螺栓頭部等支撐面的摩擦力也有防松作用，所以在靜載荷和工作溫度變化不大時，螺紋不會自動松脫。但在沖擊、振動或者交變載荷下，螺紋副的摩擦力可能減小或者瞬間消失，這種現象多次發生后，會使螺紋松脫，在高溫或者溫度變化較大時，由于聯接件和被聯接件的材料發生蠕變和應力松弛，也會使連接中的預緊力和摩擦力逐步減小，最終導致聯接失效。

螺紋聯接一旦出現松脫，會影響設備運轉或者造成嚴重事故，因此為了防止螺紋松脫，必須采取有效的防松措施。防松的根本問題在于防止螺旋副在受載時發生相對轉動。

目前普遍采用的螺栓防松結構特點是：1）利用摩擦力防松，如對頂螺母、彈簧墊圈、自鎖螺母；2）利用機械防松，如開口銷六角螺母、止動墊片、串聯鋼絲；3）利用非金屬嵌件和螺紋部位涂厭氧膠；4）鉚沖方法防松。

這些方法被廣泛應用在機械設計中，但在一些重要場合，對防松要求特別嚴格的，有特殊要求的場合，就有以下缺點：1）耐沖擊力差，在振動條件下，容易松動；2）結構復雜，不容易拆卸；3）不可重復利用，對預緊力要求精確。

以上不管是采用摩擦力防松或者機械防松都不能從根本上解決螺栓防松問題。

1 新型墊片的結構特點和適用工況

本文為大家介紹一種新型墊片，該墊片利用自身機械結構鎖緊，而不是利用摩擦力進行鎖緊，新型墊片的內表面為楔形齒，外表面為放射狀鋸齒，放射狀鋸齒和所接觸的母材進行咬合。

1）2個相同結構的組對墊片，單個墊片沒有弧度，一面楔形齒，楔形齒嚙合角為α，另一面是放射狀鋸齒，使用時楔形齒相互嚙合，適用于材質較硬、振動較弱的螺紋聯接，如圖1。

圖1 平齒墊片

圖2 弧齒墊片1.下弧齒 2.上弧齒

2）兩個結構不同的組對墊片，如圖2，一個是上弧齒2，一個是下弧齒1，單個墊片具有弧度，適用于材質較軟、振動較為劇烈的螺紋聯接。

2 結構原理

圖3 平齒墊片使用原理

如圖3所示，新型防松墊片由一對有相互咬合的齒面的墊片3組成，互相咬合的角度α大于螺紋副之間的螺紋升角β，當螺栓4和母材1之間有相對運動的趨勢時（螺栓松動），其運動角度（螺紋升角β）小于墊片3咬合角度α，螺紋副沿螺紋方向產生的軸向位移小于墊圈沿厚度方向可擴張的距離，加上墊片3的齒面牢牢地嵌入螺栓4法蘭面和母材2，當螺紋副有較小的相對位移時，造成墊片楔形面產生較大的位移，這時會使墊片的厚度增大，也就是對螺栓有擴張行為，進而引發夾緊力的增大，螺紋副更加難以相對位移，實現自動鎖緊。角度的不同使其不能同步運動，這樣就阻止了螺栓4的松動。

帶有弧度的組對墊片運用于溫度引起材料的熱脹冷縮；或者劇烈振動引起材料的塑形變形；或者材料本身由于長時間的推移，會產生材料晶格重組，也就是蠕變。這些情況都會損失預緊力，螺紋副之間的摩擦力就會減小產生螺紋松動的趨勢。

帶有弧度的組對墊圈的運動原理如圖4。當施加預緊力時，墊圈就會被壓平，鋸齒就會嵌入接觸面，由于α大于螺紋副之間的螺紋升角β，螺栓就不會旋轉。當遇到材料由于各種原因產生L變形后。墊圈會立刻偏斜且具有彈性效應L1去抵消材料發生的變形L，補償了預緊力損失。這種方案應對振動、動力負荷、沉降、松弛極為有效。

圖4 弧齒組對墊片的應用原理

3 本產品使用條件和特點

使用條件：1）必須成對使用，楔形齒嚙合；2）防松墊片放射形鋸齒必須直接和母材接觸；3）母材的硬度必須低于防松墊片的硬度；4）施加預緊力時，必須保證螺栓頭、母材與放射形鋸齒的接觸面上有印痕，如圖5。

圖5 母材上的齒痕

特點：1）在高的預緊力和低的預緊力都可以鎖緊螺栓，也就是可以在沖擊載荷下保持螺栓不容易松動；2）在振動工況下，預緊力損失小，正是因為螺紋不容易松動，其施加最大預緊力時的螺栓長度不會變化，所以預緊力能長時間保持，見圖6。

圖6 預緊力持續時間

3）成對使用的防松墊片可以方便拆卸，由于齒形墊片咬合角度α的存在，拆卸后，墊片可以重復利用。

4 結語

叉車在工作時，容易產生振動，在一些關鍵部位容易產生螺栓松動。特別是變速箱、油缸，如圖7。經過使用防松墊片，消除了安全隱患，取得良好的效果，提高了產品質量。

圖7 防松墊片在叉車上的應用

［1］ 濮良貴.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］ 機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.

（編輯：昊 天）

TH 131.3

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1002－2333（2014）04－0090－02

王茂兵（1979—），男，工程師，碩士，從事機械結構設計工作。

2014-01-06