波形垫圈的C变形分析调查

波形垫圈的C 变形分析调查

1、前述

根据ISO 的内容，1968年4月日本对螺栓、螺母的JIS 标准进行了修改，倾向是螺栓头部及螺母外围面积缩小，二螺栓颈部R 角变大，其结果是增加了弹簧垫圈C 变形的几率。敝社也对C 形变形采取了相应的对策。

同时，我们还向客户推荐了不容易发生C 变形并具有较强反作用力的波形垫圈（商品名SPAK ）。但是根据使用条件的不同，SPAK 也是有可能会发生C 形变形的，故将其原因进行了调查并作成报告，以利于采取防止C 形变形的对策。

2、弹簧垫圈与SPAK 的区别

（1）全压缩后的荷重

弹簧垫圈与SPAK 的全压缩荷重（理论值）比较如下所示： 计算公式：

弹簧垫圈

Gbt

4

1.812D 3

β

P=

(1)

P ：全压缩荷重 kgf

G ：横弹性系数 kgf/mm 2 D ：盘簧中心径 mm b ：宽 mm t ：厚度 mm

SPAK

Ebt

4

D

3

δ

P=3.1 (2)

P ：全压缩荷重 kgf

E ：纵弹性系数 kgf/mm 2 D ：盘簧中心径 mm b ：宽度 mm t ：厚度 mm δ：松弛度 mm

计算结果如表-1所示

表1 kgf

11.8-2.52（t/b）+0.21（t/b）5

4-2.52（t/b）+0.21（t/b）

2

β=

（2）拧紧状态的比较

·SPAK 原线的展开状态如图-1a 所示，所受的力由4个部位平均分配。组装时不会卡入对象部件，拧松是却容易卡入。如此，其起着一个防止松动的作用，并不容易发生C 变形（图-1b ）。

·展开弹簧垫圈原线，如图（图-2a ）所示其为一条螺旋角α的直角。在其两端世家荷重为W 的力，发现无法成为直线。同时，弹簧垫圈容易卡入对象部件，使用过高的扭力时，更容易发生C 变形。

3、C 形变形的机理

发生C 形变形的弹簧垫圈的共同点如图-3所示，其切口的一处卡入对象件座面，并且从螺母、螺栓的座面脱出，而另一面则深深嵌入其中，垫圈的切口卡入对象件座面时，针对这部分螺栓、螺母底座的压力就下降而反对面的压力增大。并且随着螺栓、螺母的旋转，卡入的部分就会从切削对象件座面边脱离出来，如上所述，垫圈的C 形变形是垫圈与螺栓或螺母一起旋转时产生的。假设螺栓、螺母与弹簧垫圈的摩擦系数为μ，弹簧垫圈与对象部件的摩擦系数的μ2，则力矩M=P （μ1-μ2）r ，因此，摩擦系数之间越大，则越容易发生C 形变。

4、 发生C 形变时所需的力

通过公式（1）～（3）计算垫圈切口扩大所需的力矩，应力以及此时切口的变化量，从而推测拧紧时允许的最大切口里。同时，如图-4所示，作用与A 点的最大扭曲应力为σ=140kgf/mm 2.计算结果如表-2所示。

D

2M=P·

(1)

2.36D·σ

EbK F=

(2)

Etb 3

F

1.414D

3

P=

(3)

D

2M=P·

kg f·mm F：切口部的变化量 mm

E：弹性模量 kgf/mm 2

t：垫圈的厚度 mm B：垫圈的宽度 mm P：垫圈的扩张力 kgf

4C2-C-1

4C(C-1)K：

D b C：

D ：垫圈的中心径

表2

根据上面可知，与锁紧螺栓时的扭力相比，垫圈C 变形时的扭矩要笑的多。

5、C 形变形的主要原因

垫圈的C 形变形是指锁紧螺栓时垫圈的切口部位的间隙变大，从螺栓、螺母的底座脱离，丧失紧固作用，无法产生足够的拧紧力的现象。

C 形变形的主要原因，如图-5所示。变形很少是单一原因引起，大多是由于两种以上的要素相互作业后发生的。同一批次垫圈在此处组装时发生C 变形，而在另一处组装时不发生变形的情况是常有的。

要因的解说

（1）关于切口

组装切口平面角过大的产品时，A部容易卡入座面内。（图-6）同时，往上翘，切口间隙大。切口角度越小，越容易卡入。

（2）波状

波形的切口位置是从波谷开始到波峰的中间，如果位置发生偏移则更容易发生C形变形。特别是从波峰开始到波谷的中间这个位置时，50%以上会发生C形变形。（图-7）

（3）内径

内径越大，与螺栓、螺母的接触面越小，越容易发生C形变形。变形也是一样。

（4）螺栓、螺母

最近使用小型的六角螺帽比较多，故螺栓、螺母座面与垫圈的接触面积变得更少，更容易卡

入座面。同时，螺栓、螺母座面为锪孔，表面粗糙，那么条件就更加恶劣。

（5）由于螺母两边的宽度减小而导致螺栓、螺母与垫圈的接触面，减小时，锁紧时切口部位向外渐次扩大，以下就螺栓、螺母与底座与垫圈的接触面的关系进行分析。 图-8表示的是组合在螺栓中的弹簧垫圈偏心的状态。

此状态的接触面积δ通过公式（4）求得

B min + d 1 min

2

δ =

d 2 max

— (4)

计算的结果如图-9,10所示。旧版JIS 的小型六角螺栓与垫圈的接触面、除了M10以上基本没问题，但新版JIS 小型六角螺栓与垫圈的接触面整体都已缩小。

（6）对象件座面 （a ）摩擦系数小

对象件座面如果经过防锈处理，则摩擦系数低下，那么就如第三项所述，条件恶劣，C 形变

形的发生率变高。

（b）对象件孔

对象件孔过大时，则垫圈成碗状，切口卡入对象部件。

如果为长孔，则切口会挂在洞口边缘，条件更加恶劣时，则需与平垫并用。

（c）对象部件座面的平行度

如图-11进行拧紧时，垫圈也一起旋转，当切口部到对象部件平面最高点时，将卡入座面。

（d）座面强度

铝、铜等较软的座面也容易卡入

（7）组装条件

随着组装力矩的增大，上下面的摩擦系数的改变，扩张力变大，从而发生变形，虽然此类现象极少，但是如图-12拧紧时，如果不固定螺帽，则螺帽会在拧紧时与螺栓一起旋转，螺母则与右螺丝拧紧时同方向旋转，因此更易发生C变形。

6、防止C变形的对策

（1）对于平面角进行管理

（2）切口角度θ控制到大约7°，间隙控制在1/2t以下

（3）切口位置尽量控制在从波谷到波峰中间处。

（4）切口不可向左侧卡入，向右侧卡入控制在1/3t以下。

7、除会发生C形变形垫圈以外的对策

（1）消除组装对象部件座位摩擦系数下降的原因。

（2）如果对象孔径过大或者由于孔过大导致垫圈脱离时，与具有充分强度的平垫并用。

（3）如果与铝、铜合金等座面强度比较低的垫圈一同使用时。则也可使用如（2）所述的具有充分强度的平垫。

（4）如果通过图-12的方法拧紧时，则必须固定螺帽。

（5）不能使用在图-11的场合，请更换成其他碟垫。

（6）拧过头时请注意：

JASO F109[与垫圈组合的六角螺栓与小螺丝]中，写到与垫圈组合的螺帽强度最大为6.8，JIS B 1187[与垫圈组合的六角螺栓]中写到[与钢制螺栓组合的垫圈有钢制组合用2号及3号，前者的强度区分为4.8,6.8适用于6T及4T的钢制螺栓，后者的强度区分为8.8T，适用于螺丝的直径在6mm以上的螺栓。]故根据螺栓强度不用，有必要对垫圈使用进行区分参照表3～4。

8、后记

今后我们会更加深入SPAK的C形变形对策的研究，但是如果产品切口有问题肯定是会引起C变形。这已是一个不争的事实，如果之后产生这种情况，请更换成其他垫圈。