轴用弹性挡圈的承载能力分析

王子龙 王梦梦

摘 要：介绍了轴用弹性挡圈的工作原理及应用范围，分析了其失效模式，研究了挡圈承载能力的理论计算方法，对于指导挡圈的设计、优化和匹配应用以及分析其可靠性、避免总成结构失效具有重大意义。

关键词：轴用弹性挡圈;承载能力;计算分析

中图分类号：TG142.1 文献标识码：A

0 引言

轴用弹性挡圈，又称为轴用卡簧，是一种重要的机械紧固件，用于固定轴上的部件或总成，且可承受一定的轴向力。轴用弹性挡圈可依靠模具冲压成型，或者由线型钢材卷绕成型，一般为环形结构，用于轴向限位，其典型安装结构如图1所示。在传动系统轴系结构设计中，轴用弹性挡圈因其结构紧凑、拆装方便等优点得到了大量的应用，且其应用范围还在不断扩展，轴用弹性挡圈的可靠性直接影响着整个传动系统的可靠性及安全运行[1]。目前我国已经制定的轴用弹性挡圈国家新标准GB/T 894-2017绝大部分数据来源于德国挡圈制造标准DIN471[2]，缺乏相应的理论支撑。轴用弹性挡圈作为一种重要的基础零部件，其可靠性的研究对整个国家的工业发展有着巨大的推动作用，也是制约“中国制造2025”计划取得重大突破的关键所在。

轴用弹性挡圈在工作状态下，应能依靠挡圈自身弹力及其与相配沟槽尺寸差箍紧在槽底随轴一起转动，否则会造成挡圈与槽底的相对运动，使相关零部件破坏或者失效，甚至导致挡圈脱落失效。目前对于轴用弹性挡圈的设计，主要依据挡圈及相配轴相关配合尺寸，依靠经验或参照已有产品进行设计、选型，如果挡圈参数设计不当、选型出现偏差，将会使挡圈与卡簧槽的配合间隙调整不当，可能会导致挡圈在工作过程中，出现振动或者滑移，严重时甚至断裂或者飞出。这种设计方式已经无法满足现代精密机械的需求。本文基于典型轴用弹性挡圈的结构进行理论分析，给出了挡圈的承载能力的计算公式及校核方法，可供相关设计者参考。

1 轴用弹性挡圈承载能力分析

轴用弹性挡圈的承载能力是评价其性能的重要指标之一，能在很大程度上反映出挡圈的综合性能，当轴用弹性挡圈受到过度压力或者外力作用时，会造成挡圈严重变形。轴用弹性挡圈的承载能力分析需要对沟槽的承载能力FN和挡圈的承载能力FR分别计算，挡圈最终的承载能力取决于两者的较小值。

1.1 沟槽的承载能力分析

轴用弹性挡圈的承载能力与其相配轴的结构、材料及热处理方式息息相关，在挡圈选型过程中需要通盘考虑轴系的设计。

按照图1的安装结构示例，与挡圈配合的沟槽挡肩面积为：

沟槽的承载能力计算公式为：

式中：为轴的屈服强度[3];SF1为沟槽承载的额定安全系数，一般取SF1≥1;q为载荷系数，其值取决于挡肩长度系数（见图2）。

从图2可知，挡肩长度系数值越大，载荷系数值越小，沟槽挡肩的承载能力越强，一般推荐挡肩长度系数取1≤n/t≤4，过低会影响轴的强度，导致轴被压溃或者断裂;而过高则不会再对载荷系数产生更显著的影响。

1.2 挡圈的承载能力分析[4]

挡圈的承载能力除了与相配轴的结构相关外，更重要的是挡圈自身的结构、材料及表面处理方式。

轴用弹性挡圈承载能力计算公式为：

式中：为挡圈的许用翻转角，由轴的外径决定（见图3）;K为挡圈的特征值;h为挡圈承载时翻转力矩的杠杆臂（见图4）;SF2为挡圈承载的额定安全系数，一般取SF2≥1。

從图3可知，许用翻转角随着轴径d1的增加而增大，但轴径d1增大到一定值后，许用翻转角不再变化。

计算常量值K由轴用弹性挡圈的结构和材料决定，其公式如下：

其中：E为轴用弹性挡圈材料的弹性模量;s为轴用弹性挡圈的厚度;（b的定义见图1）。

当支撑面带倒角（或圆角）g时，轴用弹性挡圈的承载能力FRg的计算公式为：

轴用弹性挡圈最终的承载力：

由于轴用弹性挡圈需要承受一定的轴向力，材料选择上均采用高等级的弹簧钢，同时进行适当的表面热处理，具体设计时需要结合挡圈的应用工况及相配件的状态，综合考虑其结构及材料性能，如弹性模量、屈服点、伸长率以及硬化能力等。

轴用弹性挡圈在传动系统轴系结构设计中能否实现其轴向限位和固定作用，挡圈的承载能力分析计算是必不可少的，只有工作在弹性挡圈许用的承载能力范围内，才能实现设计者对其提出的功能要求。

2 结论

轴用弹性挡圈作为基础紧固件的重要组成零件，从各种工业机械中均是不可或缺的部分，其承载能力的研究对于挡圈的优化设计、用户的选型、传动系统的总成性能等均有很大的影响。虽然轴用弹性挡圈在设计中所占的比重很小，但一旦发生脱落造成的损失较大，所以，应对其承载能力进行校核计算，结合使用工况，选择合理的安全系数，使设计满足使用要求。

参考文献：

[1]蒲良贵，纪名刚.机械设计[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]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2012.