軸用彈性擋圈的承載能力分析

王子龍 王夢夢

摘 要：介紹了軸用彈性擋圈的工作原理及應用范圍，分析了其失效模式，研究了擋圈承載能力的理論計算方法，對于指導擋圈的設計、優化和匹配應用以及分析其可靠性、避免總成結構失效具有重大意義。

關鍵詞：軸用彈性擋圈;承載能力;計算分析

中圖分類號：TG142.1 文獻標識碼：A

0 引言

軸用彈性擋圈，又稱為軸用卡簧，是一種重要的機械緊固件，用于固定軸上的部件或總成，且可承受一定的軸向力。軸用彈性擋圈可依靠模具沖壓成型，或者由線型鋼材卷繞成型，一般為環形結構，用于軸向限位，其典型安裝結構如圖1所示。在傳動系統軸系結構設計中，軸用彈性擋圈因其結構緊湊、拆裝方便等優點得到了大量的應用，且其應用范圍還在不斷擴展，軸用彈性擋圈的可靠性直接影響著整個傳動系統的可靠性及安全運行[1]。目前我國已經制定的軸用彈性擋圈國家新標準GB/T 894-2017絕大部分數據來源于德國擋圈制造標準DIN471[2]，缺乏相應的理論支撐。軸用彈性擋圈作為一種重要的基礎零部件，其可靠性的研究對整個國家的工業發展有著巨大的推動作用，也是制約“中國制造2025”計劃取得重大突破的關鍵所在。

軸用彈性擋圈在工作狀態下，應能依靠擋圈自身彈力及其與相配溝槽尺寸差箍緊在槽底隨軸一起轉動，否則會造成擋圈與槽底的相對運動，使相關零部件破壞或者失效，甚至導致擋圈脫落失效。目前對于軸用彈性擋圈的設計，主要依據擋圈及相配軸相關配合尺寸，依靠經驗或參照已有產品進行設計、選型，如果擋圈參數設計不當、選型出現偏差，將會使擋圈與卡簧槽的配合間隙調整不當，可能會導致擋圈在工作過程中，出現振動或者滑移，嚴重時甚至斷裂或者飛出。這種設計方式已經無法滿足現代精密機械的需求。本文基于典型軸用彈性擋圈的結構進行理論分析，給出了擋圈的承載能力的計算公式及校核方法，可供相關設計者參考。

1 軸用彈性擋圈承載能力分析

軸用彈性擋圈的承載能力是評價其性能的重要指標之一，能在很大程度上反映出擋圈的綜合性能，當軸用彈性擋圈受到過度壓力或者外力作用時，會造成擋圈嚴重變形。軸用彈性擋圈的承載能力分析需要對溝槽的承載能力FN和擋圈的承載能力FR分別計算，擋圈最終的承載能力取決于兩者的較小值。

1.1 溝槽的承載能力分析

軸用彈性擋圈的承載能力與其相配軸的結構、材料及熱處理方式息息相關，在擋圈選型過程中需要通盤考慮軸系的設計。

按照圖1的安裝結構示例，與擋圈配合的溝槽擋肩面積為：

溝槽的承載能力計算公式為：

式中：為軸的屈服強度[3];SF1為溝槽承載的額定安全系數，一般取SF1≥1;q為載荷系數，其值取決于擋肩長度系數（見圖2）。

從圖2可知，擋肩長度系數值越大，載荷系數值越小，溝槽擋肩的承載能力越強，一般推薦擋肩長度系數取1≤n/t≤4，過低會影響軸的強度，導致軸被壓潰或者斷裂;而過高則不會再對載荷系數產生更顯著的影響。

1.2 擋圈的承載能力分析[4]

擋圈的承載能力除了與相配軸的結構相關外，更重要的是擋圈自身的結構、材料及表面處理方式。

軸用彈性擋圈承載能力計算公式為：

式中：為擋圈的許用翻轉角，由軸的外徑決定（見圖3）;K為擋圈的特征值;h為擋圈承載時翻轉力矩的杠桿臂（見圖4）;SF2為擋圈承載的額定安全系數，一般取SF2≥1。

從圖3可知，許用翻轉角隨著軸徑d1的增加而增大，但軸徑d1增大到一定值后，許用翻轉角不再變化。

計算常量值K由軸用彈性擋圈的結構和材料決定，其公式如下：

其中：E為軸用彈性擋圈材料的彈性模量;s為軸用彈性擋圈的厚度;（b的定義見圖1）。

當支撐面帶倒角（或圓角）g時，軸用彈性擋圈的承載能力FRg的計算公式為：

軸用彈性擋圈最終的承載力：

由于軸用彈性擋圈需要承受一定的軸向力，材料選擇上均采用高等級的彈簧鋼，同時進行適當的表面熱處理，具體設計時需要結合擋圈的應用工況及相配件的狀態，綜合考慮其結構及材料性能，如彈性模量、屈服點、伸長率以及硬化能力等。

軸用彈性擋圈在傳動系統軸系結構設計中能否實現其軸向限位和固定作用，擋圈的承載能力分析計算是必不可少的，只有工作在彈性擋圈許用的承載能力范圍內，才能實現設計者對其提出的功能要求。

2 結論

軸用彈性擋圈作為基礎緊固件的重要組成零件，從各種工業機械中均是不可或缺的部分，其承載能力的研究對于擋圈的優化設計、用戶的選型、傳動系統的總成性能等均有很大的影響。雖然軸用彈性擋圈在設計中所占的比重很小，但一旦發生脫落造成的損失較大，所以，應對其承載能力進行校核計算，結合使用工況，選擇合理的安全系數，使設計滿足使用要求。

參考文獻：

[1]蒲良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社， 2006.

[2]DIN471-2011.04，Retaining rings for shafts-Normal type and heavy type[S].

[3]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2012.