1 弹簧垫圈介绍
使用弹簧垫圈的目的是通过增加轴向的回弹力来补偿由于压陷导致的预紧力损失，从而防止螺纹连接的松动。
目前，国际上关于弹簧垫圈的主要标准有美国的ASME B18.21.1-1999标准，日本的JIS B1251标准以及国标的GB/T 93-1987。德国的DIN 127、DIN 128 等标准已经召回，其原因是因为经测试弹簧垫圈在任何情况下都没有防止松动的作用。最初这些标准的召回引起了许多机构的批评。这些批评的声音也说明了在自锁紧固件方面的技术水平的发展。
2 松动机理
当拧松已有预紧力的螺纹连接时，其扭矩可以按以下公式计算
式(1) 为安装扭矩，式(2) 为拆卸扭矩。式中：Fm 为预紧力，P 为螺距，d2 为螺栓中径，uG 为螺纹摩擦系数，uK 为螺栓头部端面摩擦系数，D K 为螺栓头部有效摩擦直径。
对于M10 标准粗牙六角头螺栓，取螺纹摩擦系数uG 与端面摩擦系数uK 均为0.14 时，其松动扭矩约为拧紧扭矩的80%，只要作用在螺栓或者螺母头上的松动扭矩不大于预紧力的80% 时，其连接就不会松动，但实际情况，螺栓或者螺母不转动，预紧力也会降低；螺母即使不受松动扭矩的作用，也可能松动。
2.1 压陷导致的松动
压陷导致的松动主要是由于在预紧或者受力过程中，螺栓头部以及螺牙接触处表面高低不平点塑性平整造成的，这种压陷导致螺栓的弹性变形减少，预紧力降低。关于压陷导致的预紧力损失数值，德国工程师学会（VDI）标准VDI 2230给出了计算公式：
由公式(3)可以看出，由于压陷导致的预紧力的损失随着总压陷量成正比，随着螺栓柔度和被连接件的柔度成反比，在实际设计过程中可以增加螺栓的长度来降低由于压陷导致的预紧力损失。
2.2 轴向载荷导致的松动
Goodie等人[1] 验证了轴向振动对于螺栓松动的影响。其试验结果证明，对于承受轴向载荷的螺纹联接，由于螺牙斜面上的半径方向分力，螺母要产生弹性的径向扩张，由于泊松比的关系，螺栓要产生弹性径向收缩。因此，在螺栓和螺母的接触螺纹面和支撑面间，将有微量的径向滑动。在经过25 000 次循环后，最大松动角度只有6°，这在工程实际中处于可接受的范围内。
相对于由于轴向载荷产生的松动，轴向载荷对螺栓的疲劳强度影响较大，在设计校核过程中应加以关注。
2.3 横向载荷导致的松动
相对于轴向动态载荷，横向动态载荷更能引起连接的松动，即承受垂直于螺栓轴线载荷的螺纹联接更容易出现松动。大量的研究表明螺栓的松动是由于横向载荷造成的，例如冲击、振动或者循环热载荷。这些载荷导致了预紧力的损失，从而导致连接的失效。
Junker[2]在1969年发表了这一观点，并发明了如今仍被广泛应用的Junker试验机。在此之后针对螺纹联接松动的研究也基本转向了横向载荷引起的螺纹联接松动的研究。Junker用图1 的简化模型阐述了横向载荷是如何引起螺纹松动这一概念的。物体A放置于具有一定斜度的平面B上，当斜面B倾斜的角度小于摩擦角时，物体A不会下滑。I部分中用斜面表示螺纹面，其倾斜角度表示螺旋角；II部分中的平面则表示螺栓头部或者螺母的接触端面。螺纹联接受轴向动载荷时，相当于此模型中的物体A承受垂直载荷，而垂直于轴向的载荷则可以用斜面的横向振动S表示。当物体A 承受交变的垂直方向载荷时，由于摩擦角大于斜面倾斜角（螺旋角），只要物体A没有脱离斜面B，则两物体之间并不会轻易的产生相对运动，也就是螺纹联接并不会轻易地松动。而当物体A下面的斜面产生往复横向振动S，使得振动过程中物体A的惯性力与其重力沿斜面向下的分力的合力超过最大静摩擦力时，物体A滑动时便有了沿斜面向下的速度分量。也就是说螺纹联接中的螺栓与其他构件之间产生了松动方向上的相对运动。图1简单地解释了承受轴向载荷的螺纹联接不能引起较大松动的原因，以及侧向载荷作用下的松动的机理。
此观点也是国际上螺栓防松性能测试标准的主要依据，目前主要的防松测试标准有GB/T10431-2008 紧固件横向振动试验方法；GJB715.3A-2002 紧固件试验方法 振动， 德国标准DIN 25201-4 Design guide for railway vehicles and their components - Bolted joints- Part 4:Securing of bolted joints，同时ISO刚刚颁布的ISO16130 Aerospace series --Dynamic testing of the locking behavior of bolted connections under transverse loading conditions (vibration test) 也是基于此方法。
3 试验介绍
武汉理工大学的莫易敏教授[3]通过GB/T10431-2008实验证明，螺栓加弹簧垫圈的防松效果不如螺栓不加弹簧垫圈的效果，如图2 所示。
德国标准化通报通过研究螺栓自松动的行为，证实了弹簧垫圈的无效，如图3所示，其解释为：作为锁紧元件的弹簧垫圈的目的是防止由于嵌入导致的松动，但这些锁紧元件在较低的夹紧力的情况下就会被压平。他们失去了弹性的功能，导致作为防止嵌入的功能无效，同时考虑到增加的分界面而变得有害。德国标准化学会在2003 年召回了DIN 127、DIN 128 以及DIN 6905 等一系列的相关标准。
4 行业对比
美国航空航天局紧固件设计手册建议不使用弹簧垫圈，其解释为：当螺栓被完全拧紧后，垫圈通常就被压平了，其作用和普通垫圈相同，同时其锁紧功能不存在了，总而言之，此种类型的弹性垫圈对于锁紧是没有作用的。中国建筑机械行业标准[4] 规定，8.8 级、10.9 级螺栓一般不允许使用弹垫防松。日本小松公司挖掘机上基本不使用弹簧垫圈。
5 结 语
大量的实验以及文献都已经证实了弹簧垫圈是没有防止松动作用的，因此在工程机械实际的设计和装配过程中可以取消弹簧垫圈，以达到降低成本、提高装配效率的目的。
[参考文献]
[1] Goodier J N and Sweeney R J．Loosening by vibration of threaded fastening [J]．Mechanical Engineering，1945,(67)：798-802．
[2] Junker G H．New criteria for self-loosening of fastener under vibration[J]．SAE,Transactions，1969，(78)：314-335．
[3] 莫易敏, 王 赓，满健康．弹簧垫圈在高强度螺栓连接中的防松性能分析[J]．制造技术与机床，2014，（9）：73-76.
[4] JG/T 5057．40-1995 建筑机械与设备高强度紧固件[S].
不同于传统的容克测试，奇石乐横向振动测试平台基本使用软件控制。优势很明显：调试和使用的过程变得非常轻松简单。振幅和频率参数甚至可以在测试进行中实时改动。
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1、在TestXpert测试软件中预设拧紧及振动程序，如初始预紧扭矩/预紧力、振幅、频率、振动时间、固化时间（涂胶螺栓）等参数。
2、将试验螺栓组件安装至试验系统中。
3、采用奇石乐紧固分析系统或奇石乐扭矩扳手预紧紧固件至预设的扭矩/夹紧力。如下图所示：
4、启动试验，试验完成后自动停止。拆卸螺栓组件，完成试验。如下图所示：
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