【科普】垫片在连接结构中的作用
螺栓连接中的垫片是一种薄而平坦的环形或片状零件，通常由金属、橡胶或塑料制成。它的作用主要是使预紧力均匀分布以及防松。
当螺栓被拧紧时，垫片在螺栓头或螺母下方起到缓冲作用，可以使预紧力均匀分散到连接的零件上。这有助于减少局部应力集中，降低零件的变形和损坏风险，提高连接的稳定性和可靠性。此外，垫片还可以帮助调整连接的紧固力，以适应不同的应用需求。
虽然垫片以各种各样的形式出现，对其使用目的和效果似乎并没有很好地理解。
垫片的承载功能
当螺栓或螺母支承面不足以充分覆盖被连接件时，垫片提供更大的承载表面。通过在大的螺栓孔或槽孔上面安放足够大的垫片会产生新的接触表面。如果螺栓孔大于螺栓或螺母的支承面(对于冲压件，制造精度可能不足)，垫片的使用是不可避免的。当支承面面积过小和支承面的压力过高时，垫片降低支承面的压力或使其更均匀。为了减小支承面的压力且优化表面压力的分布，使用厚而硬且足够大的平垫圈。因此，垫片除了足够大以外，还必须要有适当的厚度和硬度。IS07080、7090和7092标准对于A级产品提出了三个硬度分类:140HV-200HV、200HV-HV300、300HV-HV400。当被联接件支承面的平面度差(如冲压件)，使之对局部接触引发的咬粘变得敏感，或当一个粗糙的表面由于局部接触造成擦伤，从而导致支承面摩擦系数增高时，垫片可以稳定支承面的摩擦系数。为了稳定支承面的摩擦系数，可将一个平坦而光滑势圈加在连接系统当中。当拧紧螺栓或螺母时，存在着划伤被连接件表面(支承面)的风险，垫片有保护支承面的作用。为了防止螺栓或螺母支承面被连接件的表面刮伤，可将垫圈加在连接系统中。在这种情况下，垫片的目的应当是消除垫片与被联接件之间的滑动，并不意味着垫片与螺栓或螺母之间不发生滑动。垫片的隔离功能
当磨损、嵌入或内嵌(微观表面不规则突起的塑性压溃)、螺栓和被联接件的蠕变以及螺栓与被联接件之间的热膨胀差异总体上用量δ代表时，非旋转松动量可以由δ乘以松驰系数Z表示。如果加入一个厚片，它将减小松弛系数Z，并导致非旋转松动减小。这就是垫圈对非旋转松动的隔离功能。在联接系统中加入一个厚垫圈意味着增加了螺栓长度和被联接件的厚度，从而降低了螺栓和被联接件二者的弹簧常数。同时，螺栓和被联接件的弹性变形量增大，对于一个给定量的δ来说，轴向预紧力的下降量减小(这相当于松弛系数Z，即松动的敏感度降低)。被连接件厚度越薄，这种影响效果越大。δ是导致非旋转松动的原因，减小δ当然是优先考虑的。然而在垫片方面，目的是减小松弛系数，并且垫片还起到增加被连接件厚度的隔离作用。在隔离功能方面，当被联接件之间存在相对滑动时，垫片可以减少旋转松动。厚垫片加入到系统中，增大了决定旋转松动是否发生的临界滑动，从而消除或减少了旋转松动。当被联接件较厚时，螺栓在剪切载荷作用下可能容易弯曲，在旋转载荷作用下可能容易扭曲。因此，不致引起支承面发生滑动的被联接件滑动门槛值可能增大。如果被连接件较薄，通过加厚垫片使之变厚的效果更大。当然，不管被连接件有多薄，当完全没有滑动时，旋转松动就不会发生。因此，在这种情况下，垫片发挥增加被连接件厚度的隔离功能。 在拧紧弹簧垫片时，其高度将降低且弹簧反作用力增强。假设高度降低的量为垫片的位移Δh，弹簧反作用力为FS。下图给出了位移和弹反作用力之间的关系。无论用多大的力压缩垫片，垫片都不会进一步变形的状态被称为“完全压缩状态”。可能发生的最大位移称之为全接触位移Δhmax，在完全压缩状态下的最小弹簧反作用力称之为完全压缩载荷FSMAX。当垫片被大于FSMAX的接触载荷压缩时，垫片将不再是弹簧，而只是一块金属薄板。因此，只有当弹簧垫片被小于FSMAX的接触载荷压缩时，弹簧片才具有弹力和弹簧的功能。
弹簧垫片一旦被拧紧，因松弛而卸载时，弹簧垫片只是从原有的位移稍微恢复一点。弹簧垫片对轴向预紧力的补偿必须遵从卸载过程的位移曲线。如果非旋转松动现象导致被联接件的尺寸减少δ，对于非旋转松动的轴向预紧力补偿，意味着使用剩余弹簧力使轴向预紧力的减小量最小。如上所述，在于完全压缩载荷的情况下，弹簧垫片发挥弹簧的功能。因此，连接系统形变图如下图所示。因为完全压缩载荷经常低于螺栓正常轴向预紧力的1/3，所以在下图中，将完全压缩载荷设置为初始轴向预紧力的1/3。如果非旋转松动δ存在一旦轴向预紧力降到完全压缩载荷之下，弹簧垫片发挥弹簧的功能，从而减小轴向预紧力的降低量。因此，如果弹簧垫片在低于完全压缩负荷的小轴向预紧力状态下也不构成功能性问题，那么，弹簧垫片的使用对于减少非旋转松动是一种有效手段。在这一点上，“允许螺栓以低于正常轴向预紧力1/3 的轴向预紧力紧固的范围有多少”，是确定由弹簧垫片的弹管反作用力提供轴向预紧力补偿功能有效性的标志。
当被联接件存在滑动或分离时，弹簧垫片提供转动阻力，使螺栓或螺母不太可能转动。如果被问到关于弹簧垫片的事，大多数人都指出这种效果。然而，事实上，弹簧垫片不一定有这种效果。首先，在剪切载荷下进行的松动试验中，弹簧垫圈很少表现出防止转动的功能。根据前面的描述，在正常的轴向预紧力附近弹簧垫片不起弹簧的作用，所以这是可以预期的。在低向预紧力状态下，弹簧垫片发挥弹簧的功能，在所谓的高频率“振动载荷下”弹簧垫圈表现出提供转动阻力。根据以上所述，在正常、适当的拧紧状态下，弹簧垫片是无效的；然而，在低轴向预紧力状态下，当弹簧垫片发挥弹簧的功能时，看起来是有效的。因此为了提高一个弹簧垫片的有效性，弹簧垫片的完全压缩载荷必须提高，并尽可能接近正常的螺栓轴向预紧力范围。当被连接件的螺栓孔较大，必须做出支承表面时，当支承面的压力不低于临界压力时，或为了保护被连接件，厚而硬的平垫片是必要的。
虽然垫片的使用可能对稳定支承面的摩擦系数是有效的，但这可以通过改进被连接件的支承面加工质量来实现。厚而平的垫片增加被连接件的厚度，这样垫片的使用对于减少旋转松动或非旋转松动是有效的(然而，使用厚的被连接件更为有效，因为这不会由于表面之间的嵌入或内嵌导致轴向预紧力的降低)。要做的第一件事是满足设计的基本要求，如通过提高轴向预紧力防止滑动，或使被联接件不太可能发生嵌入或内嵌。弹管垫片只是在低轴向预紧力范围内是有效的 (轴向预紧力低于弹簧垫片的完全压缩负荷)，在此范围内，弹簧垫片发挥弹簧的功能。在正常、适当的轴向预紧力范围内，它处于完全压缩状态，使得垫片只能发挥隔离片的功能。
