我们在机械设备中经常会看到有些螺栓连接会用到垫圈,有些螺栓连接确没有用垫圈,有一些螺栓连接用的是平垫圈,有一些用的是弹簧垫圈,有一些用的是弹簧垫圈再加平垫圈。
在螺栓需要经常拆卸的场合,为了保护被连接件的表面不被划伤,一般需要在螺母或螺栓头位置放置平垫圈,这样就可以防止被连接件表面不被划伤了,特别对于采用精密机加工的表面。
在一些摩擦系数要求比较精准的连接处,又没有对摩擦系数进行单独的试验要求,比如风电螺栓连接中,一般采购螺栓、螺母、垫圈连接副。
这种情况下螺栓、螺母、垫圈都是由同一厂家提供的,螺栓生产厂家需要对螺母和垫圈进行相应的处理,以保证螺母与垫圈间的摩擦系数保持一致性。同时要求供应商测试扭矩系数满足技术要求。
当螺栓强度比较高,被连接件的许用压应力比较低时。例如现在汽车轻量化要求越来越高,在车身,甚至底盘结构件上,大量采用了轻量化连接技术和结构,为了降低螺栓连接接头中被连接件承压面的压应力,防止出现压溃和永久塑性变形,一般需要增加平垫圈。
另外,螺栓连接中,螺栓头或螺母承压面的压力传递是呈喇叭形逐渐扩大的,承压面越大,压应力就越小,因此增加了平垫圈可以降低被连接件接触面的压应力,保证螺栓连接的有效。
对于需要密封的连接,增大了应力锥在结合面上的应力分布直径。这样,增加垫圈可以保证密封效果,如图4。
在有一些场合,例如汽车大多采用冲压件和焊接件,两个零件之间的孔的位置度不能很好的精确匹配。为了保证两个连接件之间螺栓孔能一一对应,我们需要增加孔的直径来补偿孔的位置度偏差,螺栓孔超出标准要求时,压应力超过材料的强度,这种情况下就需要增加平垫圈。
有时为了安装调整方便,例如控制臂支架与控制表连接,两个螺栓连接中的其中一个螺栓孔会制成长孔,这样可以在一定范围内调节工件的安装位置,当用长孔时,须采用加厚平垫圈,更具具体情况,甚至采用专用垫圈或多个垫圈。
弹簧垫圈的主要目的是放松,一般用于对螺栓预紧力要求不高,且动载荷较小的场合。目前大量测试已经确认弹簧垫圈对于防松效果不大,所以,对于预紧力比较高的拧紧场合,连接比较重要的场合,不推荐使用弹簧垫圈。
但是对于电气连接接头来说,弹簧垫圈对最终完全松动时候还是有一定的效果,特别是松动到一定程度,小预紧力时候仍然能够有一定的预紧力存在,这时候,比不带弹簧垫圈的效果仍然能够起到一定的作用。
当螺栓的夹持长度比较短时,螺栓应力松弛比较明显,弹簧垫圈可以弥补应力松弛。当然,这个时候可以考虑采用碟形弹簧来代替弹簧垫圈使用,碟形弹簧能够在轴向压力更加均匀分布。
有实验表明,动载荷工况下,高强度螺栓连接弹簧垫圈几乎没有防松作用,还会引起螺栓夹紧力的快速衰减,因此国外已经很少把弹簧垫圈用在高强度螺栓连接了。
承受剪应力螺栓(铰制孔螺栓)连接一般不需要垫圈,首先剪应力螺栓不需要太大的预紧力,工作中也不承受轴向力,这种情况下,螺栓孔一般都比较小,螺母或螺栓头承压面一般都比较大,不需要降低压应力,被连接件就可以承受。
当用法兰面螺母或螺栓时,因法兰面螺栓或螺母的接触面积较大,通常不再需要垫圈来增加接触面积,降低压应力。
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