弹簧垫圈胀圈原因分析

　　摘要

　　本文通过对弹簧垫圈的受力分析，得出弹簧垫圈发生胀圈现象的根本原因是螺母支承面外倒角过大。防止胀圈现象的发生，应从配用的螺母和平垫圈找原因。

　　弹簧垫圈在装配过程中，出现弹簧垫圈的直径变大、向外膨胀，这种现象，我们称之为弹簧垫圈的“胀圈”。弹簧垫圈发生胀圈现象由来已久。早在半个多世纪以前，就有过相关的报道。至于发生胀圈现象的原因，则众说纷纭，始终没有一个明确的解释，至今没有定论，由胀圈引起的弹簧垫圈质量纠纷也始终没有停止。

　　本文根据本人多年处理弹簧垫圈胀圈问题的经验，对发生胀圈的原因进行深入分析。

　　弹簧垫圈的正常装配关系如图1所示。在弹簧垫圈与机体之间或者在弹簧垫圈与螺母之间增加一个平垫圈，也是常见的装配形式，见图2和图3。
　　标准规定了弹簧垫圈被压平后的开口宽度（m），不能大于某个规定值。这是对制造弹簧垫圈提出的最低要求，只要采用正常的切断工艺，这个要求很容易达到。我们在拧紧螺母的过程中，弹簧垫圈先是被压平。一般情况下，弹簧垫圈压平所需的力矩很小，只有螺母安装力矩的几分之一。

　　标准规定的m值，就应该在这个时候测量。然而弹簧垫圈的胀圈现象是在继续施加拧紧力矩之后才发生的，其开口宽度，随着拧紧力矩的增加而增加。当达到一定程度后，开口宽度值迅速增大，而拧紧力矩则难以增加，直至螺母无法拧紧，结果使弹簧垫圈的使用效果丧失殆尽。

　　对于这个现象，人们往往从弹簧垫圈本身找原因，从制造质量、设计特点、制造工艺甚至材料、热表处理等方面寻找原因。

　　例如，曾经有人认为轻型弹簧垫圈要比标准型弹簧垫圈更容易发生胀圈，也有人曾认为垫圈的梯形截面是造成胀圈的重要因素，还有人认为弹簧垫圈的切断角度及断后棱角对胀圈有影响，甚至还有人把弹簧垫圈的材料当成发生胀圈的重要原因，认为不锈钢弹簧垫圈要比弹簧钢弹簧垫圈更容易出现胀圈等等。

　　苦思冥想，想了很多“解决办法”，但由于没有触及问题的核心，效果都不好，问题始终没有得到根本解决。

　　如果我们对发生胀圈过程中弹簧垫圈的受力情况进行分析，就不难找到发生胀圈的真正原因。开口变大，表明弹簧垫圈在拧紧螺母的过程中受到了一个沿直径方向的外张力。如果没有这个外张力，弹簧垫圈是不可能开口变大的。那么，这个径向的外张力是从哪里来的呢? 现在让我们分析一下弹簧垫圈的受力情况（见图4和图5）。
　　图4显示了没有发生胀圈现象的弹簧垫圈的受力情况。螺母拧紧过程中产生的夹紧力沿轴线方向施加于弹簧垫圈，弹簧垫圈受到的力只有夹紧力N和被连接件对弹簧垫圈的反作用力N1，N与N1大小相等、方向相反，无任何径向力。这时的弹簧垫圈开口不会变大。不管对螺母施加多大的拧紧力矩，不管产生多大的夹紧力N，只要弹簧垫圈不受径向力，弹簧垫圈永远不会胀开。

　　图5的情况就不一样了。夹紧力N在传递给弹簧垫圈时发生了分解，分解成了轴向分力F1和径向分力F2。很小的F2就足以使开口的弹簧垫圈胀开。要避免弹簧垫圈胀开，必须在施加力矩的过程中严格控制不能产生分力F2。那么径向分力F2是怎么产生的呢？这要从我们使用的六角螺母、弹簧垫圈和平垫圈的结构特点以及它们在装配过程的相应位置等方面进行分析。

　　我们先来看螺母。通常用的六角螺母（如GB/T6170、GB/T6171、GB/T 6172、GB/T 6173等）都是双面倒角，如图6所示。
　　倒角角度一般在30°左右。倒角后所形成的支承面最小直径DW ，通常约等于螺母对边宽度S的（0.90～0.95）倍（M10以上的大规格）或者（0.75～0.90）倍（Ｍ８以下的小规格）。而有的行业标准或者企业标准则对DW 不作规定，使得螺母支承面过小而且一致性很差，这就有可能使螺母支承面在拧紧过程中嵌入弹簧垫圈的内孔中。

　　再来看弹簧垫圈。标准规定，垫圈截面允许有内外圆角，其半径不大于公称厚度S的四分之一。内孔圆角的存在，使得螺母的圆锥形支承面嵌入弹簧垫圈的可能性加大。装配过程中，弹簧垫圈与螺母不可能保持同心，一般情况下总是偏心偏到一侧而与螺栓接触，而另一侧与螺栓处于最大间隙状态。将这些零件组装在一起，并施加拧紧力矩后的受力图见图7。

　　从图中可以清楚地看出，由于螺母圆锥形倒角面的存在，使得弹簧垫圈在施加拧紧力矩的过程中受到了一个径向外张力。在一些行业标准或者企业标准中，螺母倒角面直径往往不作规定，这就使得弹簧垫圈胀圈的发生带有一定的随机性，不是每组装配都会发生胀圈。当然也有一定规律，倒角直径小的容易发生胀圈，倒角直径大的则不容易发生胀圈。

　　如果在螺母与弹簧垫圈之间增加一个平垫圈，情况会好一些。但是如果所加的平垫圈太薄或者材质太软，在数以吨计的轴向力N的作用下，平垫圈会变形，变成“锥形”垫圈，结果依然阻止不了轴向夹紧力的分解，产生一个径向分力F1，胀圈现象依旧发生。

　　综上分析，我们可以得出以下结论：

　　1）弹簧垫圈发生胀圈现象，一般不是弹簧垫圈本身的问题；

　　2）发生胀圈的弹簧垫圈必然受到一个径向外张力，外张力源于拧紧力矩产生的加紧轴力；

　　3）螺母支承面的外倒角使轴向夹紧力产生了径向分力，从而使得弹簧垫圈的开口胀大。倒角直径越小，发生胀圈的可能性越大；

　　4）平垫圈有助于减缓或者阻止胀圈现象的发生，但是平垫圈太薄或者太软也不能防止发生胀圈。

　　大量的试验和长期的实践经验证实了上述分析。

　　作者：孙小炎，全国紧固件标准化技术委员会顾问、国防科技工业通用零部件标准化技术委员会副主任、中国航天标准化研究所研究员、航天紧固件研究与检测中心总工程师，金蜘蛛紧固件网顾问专家。

　　本文原刊登于第19期金蜘蛛《紧固件》季刊，转载请注明来源：金蜘蛛紧固件网。