هر اتصال رزوه ای در طول عمر کاری خود با دشمن مشابهی روبرو می شود: از دست دادن تدریجی نیروی گیره ناشی از لرزش، چرخه حرارتی یا نشست سطحی. واشرهای قفلی برای مقابله با این اتلاف با ایجاد فشار فنر و در طرح های دندانه دار، با کندن سطوح جفت شده برای مقاومت در برابر چرخش ساخته شدند. در خانواده دندانه دار، دو هندسه بر کاتالوگ سخت افزار صنعتی و مصرفی غالب است: واشر قفل دندان خارجی ، با دندان های خمیده به بیرون در اطراف لبه، و واشر داخلی قفل دندان ، با دندان هایی که به سمت داخل به سمت سوراخ زاویه دارند. هر دو یک کار گسترده را انجام می دهند، با این حال قرار دادن آن دندان ها نحوه اعمال نیرو، محل تماس و مفاصل هر طرح را تغییر می دهد.
این تمایز بیش از آنچه در ابتدا به نظر می رسد اهمیت دارد. یک مهندس اتصال دهنده که بین این دو انتخاب می کند، نوع آرایشی را انتخاب نمی کند. آنها انتخاب می کنند که محل گزش در کجای صفحه واشر رخ دهد، چه مقدار از سطح جفت گیری علامت گذاری شود، و چگونه واشر تحت گشتاور و لرزش مکرر رفتار کند. درک محل قرارگیری دندان، توزیع بار و هدف طراحی به خریدار یا طراح اجازه می دهد تا واشر صحیح را به جای اینکه هر قسمتی را که در قفسه قرار دارد پیش فرض قرار دهد، با محل اتصال صحیح مطابقت دهد.
سردرگمی بین این دو طرح قابل درک است زیرا از دور هر دو شبیه یک حلقه فلزی با لبه دندانه دار هستند. تنها زمانی که شخص یکی را برمی دارد و در نور بچرخاند، جهت دندان ها آشکار می شود، و حتی در آن زمان، عواقب عملی آن جهت همیشه بدون پیش زمینه ای در مورد چگونگی شکست مفاصل گیره شده، شهودی نیست. اتصال پیچ و مهره ای به ندرت شل می شود زیرا خود بست به خودی خود تحت یک بار ثابت و بدون تغییر باز می شود. بیشتر اوقات، شل شدن با مقدار کمی حرکت نسبی بین سر بست، واشر و سطح زیر آن شروع می‌شود که اغلب توسط لرزش، انبساط و انقباض حرارتی یا ته نشین شدن جزئی مواد گیره‌ای در مدت کوتاهی پس از مونتاژ ایجاد می‌شود. هنگامی که اولین تکه حرکت ظاهر می شود، اصطکاک در سطوح جفت گیری به اندازه ای کاهش می یابد که بست شروع به چرخش در مراحل کوچک کند، و هر افزایش دهنده ترکیب می شود تا زمانی که اتصال به طور قابل توجهی نیروی گیره را از دست بدهد.
واشرهای قفلی دندانه دار این زنجیره رویدادها را با دادن نقطه خرید مکانیکی به مفصل علاوه بر اصطکاک که در غیر این صورت همه کار را انجام می داد، قطع می کنند. به جای تکیه بر اصطکاک سطحی بین سر پیچ و واشر، یا واشر و زیرلایه، دندان‌ها به طور فیزیکی هر دو سطح را گاز می‌گیرند و اینترلاک‌های مکانیکی کوچکی ایجاد می‌کنند که قبل از شروع حرکت در برابر اولین تکه حرکت چرخشی مقاومت می‌کنند. از آنجایی که اولین تکه حرکت آبشار لق شدن را شروع می کند، توقف زودهنگام آن در مقایسه با آنچه که اندازه کوچک دندان ها ممکن است نشان دهد، تأثیر بزرگی بر قابلیت اطمینان طولانی مدت مفصل دارد.
تفاوت فیزیکی اصلی بین دو نوع واشر ساده است اما پیامدهای گسترده ای دارد. یک واشر دندان خارجی دارای دندانه هایی است که در امتداد قطر بیرونی آن شکل گرفته اند، به طوری که هر دندان یک لبه تیز دارد که کمی از صفحه واشر زاویه دارد. یک دندان شوی داخلی این ترتیب را تغییر می‌دهد: دندان‌ها در امتداد قطر داخلی، نزدیک به ساقه پیچ یا بدنه پیچ قرار می‌گیرند و به سمت داخل زاویه دارند.
از آنجایی که واشر دندان خارجی در لبه بیرونی گاز می گیرد، دایره تماس گسترده تری را با سطح بلبرینگ زیر سر پیچ یا مهره درگیر می کند. این دایره وسیع‌تر مقاومت در برابر چرخش را در یک قوس بزرگ‌تر پخش می‌کند، که بیشتر به مواد مسطح و نرم‌تر مانند محفظه‌های فلزی، پانل‌های رنگ‌شده یا محفظه‌های آلیاژی سبک‌تر کمک می‌کند. در مقابل، واشر داخلی دندان، نیش خود را بلافاصله در اطراف ساقه متمرکز می کند، که سطح بیرونی واشر را نسبتاً بدون علامت نگه می دارد و اغلب در جایی ترجیح داده می شود که سطح قابل رویت در اطراف بست مهم باشد، مانند روی پانل های تزئینی، محفظه دستگاه، یا مفاصل جایی که لبه بیرونی نزدیک به اجزای دیگر قرار دارد و نمی تواند دندان های بیرون زده را تحمل کند.
تعداد و زاویه دندان ها نیز نقش حمایتی دارند. بیشتر طرح‌های مهر شده بین هشت تا ده دندان در اطراف حلقه قرار می‌گیرند، که هر کدام کمی از صفحه پیچ خورده‌اند به طوری که تحت فشار، مانند فنرهای کوچک کنسولی و همچنین لبه‌های برش عمل می‌کنند. هنگامی که بست سفت می شود، ابتدا دندان ها کمی صاف می شوند و انرژی فنر را ذخیره می کنند و سپس با رسیدن نیروی گیره کامل به سطح می زنند. این عملکرد دوگانه، بخشی از فنر و بخشی لبه برش، به همین دلیل است که واشرهای دندانه‌دار گاهی اوقات در خانواده واشرهای قفلی گسترده‌تر در کنار طرح‌های حلقه‌های شکاف گروه‌بندی می‌شوند، حتی اگر مکانیسم مقاومت در برابر شل شدن به‌طور معنی‌داری متفاوت باشد. یک واشر حلقه تقسیم شده تقریباً به طور کامل به کشش فنری ذخیره شده متکی است که در برابر رزوه های بست به عقب فشار می دهد، در حالی که یک واشر دندانه دار یک نیش مکانیکی به هر کشش فنری که فرآیند مهر زنی ایجاد می کند اضافه می کند.
انتخاب مواد با قرار دادن دندان نیز در تعامل است. بر روی یک بستر سخت‌تر مانند فولاد ساختاری ضخیم، هر دو طرح دندان خارجی و داخلی به سختی می‌خورند و تفاوت عملکرد عملی بین آنها کاهش می‌یابد زیرا هیچ یک از طراحی‌ها به خرید عمیق مواد پایه دست نمی‌یابند. روی یک بستر نرم‌تر مانند ورق آلومینیومی یا یک پانل محفظه رنگ‌شده، تفاوت به مراتب آشکارتر می‌شود، زیرا دندان‌ها می‌توانند به جای اینکه صرفاً سطح را بتراشند، در ماده فرو بروند. این یکی از دلایلی است که مونتاژکنندگان باتجربه انتخاب واشر دندان را به عنوان یک تصمیم خاص مفصل به جای یک استاندارد پتویی که در هر بست در یک طراحی اعمال می شود، تلقی می کنند.
توزیع بار جایی است که عواقب عملی قرار دادن دندان آشکارتر می شود. واشر زیر یک بست سفت شده فقط در برابر چرخش مقاومت نمی کند. همچنین نیروی گیره سر پیچ یا مهره را در سطح مواد زیرین پخش می کند تا تنش در یک نقطه کوچک متمرکز نشود. قطری که دندان ها در آن تماس برقرار می کنند، شعاع آن گسترش را تغییر می دهد.
از آنجایی که دندان های خارجی در بزرگترین قطر موجود برای یک اندازه واشر مشخص قرار می گیرند، بایت را در محیط وسیع تری توزیع می کنند، که فشار را در هر دندانی برای همان نیروی گیره کاهش می دهد. دندان‌های داخلی که در شعاع کوچک‌تری قرار می‌گیرند، نیروی بیشتری را در هر دندان برای گشتاور یکسان متمرکز می‌کنند، که عمق بایت موضعی را افزایش می‌دهد، اما خطر علامت‌گذاری سطحی به طور مستقیم در اطراف سوراخ روی مواد سخت‌تر یا نازک‌تر را افزایش می‌دهد.
این ارقام به جای اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی گویا هستند، اما نشان‌دهنده الگویی هستند که به طور مداوم در عمل مونتاژ مشترک مشاهده می‌شود: واشرهایی با نیش تماسی وسیع‌تر، تنش گیره‌ای را در ردپای بزرگ‌تری پخش می‌کنند، که احتمال تغییر شکل سطح زیرین یا فرو رفتن بست را در مواد نرم‌تر در طول زمان کاهش می‌دهد.
توزیع بار نیز یک اثر ثانویه دارد که به راحتی می توان از آن چشم پوشی کرد: بر نحوه قرارگیری یکنواخت قطعات گیره شده در مقابل یکدیگر پس از اینکه اتصال کامل گشتاور شد تأثیر می گذارد. واشر که فشار باربری خود را در یک حلقه باریک متمرکز می‌کند، اگر سطح اطراف کاملاً صاف نباشد، می‌تواند یک تمایل خفیف تکان‌خوردگی ایجاد کند، زیرا مسیر بار از طریق یک نوار تماس کوچک قیف می‌کند نه اینکه در یک ناحیه وسیع‌تر بالشتک شود. ردپای یاتاقان گسترده‌تر به میانگین بی‌نظمی‌های سطحی کوچک می‌پردازد، به همین دلیل است که طرح‌های دندان خارجی اغلب در مجموعه‌هایی مشخص می‌شوند که در آنها پانل جفت‌شونده ممکن است دارای موجی جزئی از تحمل‌های تولید باشد، مانند پوشش‌های ورق فلزی مهر شده یا بخش‌های محفظه اکسترود شده.
با این حال، یک معاوضه وجود دارد که قابل ذکر است. پخش بار بر روی یک ناحیه وسیع‌تر فشار اوج را در هر دندان کاهش می‌دهد، که برای جلوگیری از آسیب سطحی خوب است، اما همچنین می‌تواند به معنای عمق بایت متوسط کمتری در مقایسه با طرحی باشد که همان نیروی گیره را در یک حلقه کوچکتر متمرکز می‌کند. این مبادله مکانیکی اصلی بین دو نوع واشر است: طرح‌های دندان خارجی به دنبال درگیری گسترده و ملایم مناسب برای محافظت از سطح اطراف است، در حالی که طرح‌های دندان داخلی به نفع بایت محکم‌تر و متمرکزتر مناسب برای مقاومت در برابر چرخش در ردپای کوچکتر است. هیچ یک از این دو رویکرد به طور جهانی قوی تر نیستند. هر یک به سادگی در جایی که مفصل قرار می گیرد روی منحنی فشار در مقابل ناحیه جابجا می شود.
هر دو طرح دندان اساساً بر اساس توانایی آنها در مقاومت در برابر لق شدن تحت ارتعاش به بازار عرضه می شوند، اما نحوه تحمل هر یک از آنها در دوچرخه سواری طولانی مدت کمی متفاوت است به دلیل اینکه محل نیش نسبت به محور بست. دندان‌هایی که نزدیک‌تر به ساقه بولت در واشر داخلی دندان قرار می‌گیرند، نزدیک‌تر به نقطه محوری هر حرکت ریز چرخشی قرار می‌گیرند و به آنها مزیت مکانیکی در مقاومت چرخه اولیه می‌دهد. دندان‌هایی که دورتر روی یک دندان‌شوی خارجی قرار می‌گیرند از بازوی اهرمی بلندتری بهره می‌برند که می‌تواند پس از قرار گرفتن بایت اولیه روی سطح، به ماندگاری طولانی‌مدت‌تری تبدیل شود.
منحنی های نشان داده شده در اینجا نشان دهنده یک الگوی عمومی است که در بسیاری از مطالعات مشترک دیده می شود و نه یک ضمانت ثابت: واشرهای داخلی دندان اغلب با بایت اولیه کمی قوی تر به دلیل بازوی اهرمی کوتاهتر در نزدیکی ساق پا شروع می شوند، در حالی که واشرهای خارجی دندان تمایل دارند به تدریج تخریب شوند زیرا شعاع بایت گسترده تر آنها در برابر شل شدن آنها حتی پس از ساییده شدن نسبی دندان ها مقاومت می کند. هیچ یک از الگوها باعث برتری جهانی یک طرح نمی شود. انتخاب صحیح بستگی به این دارد که آیا انتظار می رود که مفصل ارتعاشات اولیه شدید را ببیند، مانند هنگام کارکردن تجهیزات اولیه، یا دوچرخه سواری طولانی مدت ثابت، مانند کارکرد مداوم ماشین آلات.
واشرهای دندانه دار نیز برای جبران بست های نامناسب نیستند. اگر قطر پیچ یا پیچ برای بار کمتر باشد، یا مواد گیره‌دار آنقدر نرم باشند که نمی‌توانند گشتاور را حفظ کنند، هیچ مقدار هندسه دندان به طور کامل این عدم تطابق را جبران نمی‌کند. آنها یک لایه اصلاح شده در بالای یک اتصال با اندازه صحیح هستند، نه جایگزینی برای اندازه صحیح بست.
انتخاب های طراحی بست به ندرت به یک خاصیت منتهی می شود. مهندسان سختی سطح، دید اتصال نهایی، فاصله شعاعی موجود و مشخصات ارتعاش مورد انتظار را با هم وزن می کنند. جدول زیر نکات تصمیم گیری رایج برگرفته از رویه مجمع عمومی را خلاصه می کند.
| در نظر گرفتن | واشر خارجی دندان | واشر داخلی دندان |
|---|---|---|
| شعاع نیش | لبه بیرونی، دور وسیع | سوراخ داخلی، نزدیک به ساقه |
| علامت گذاری سطح | حلقه گسترده تر از علامت گذاری نور | حلقه کوچک نزدیک به سوراخ |
| بهترین در | مواد ورقه ای نرم یا نازک | قطعات جفت گیری سخت تر و ضخیم تر |
| تاثیر پایان قابل مشاهده | بیشتر در لبه قابل توجه است | بیشتر زیر سر پیچ پنهان می شود |
| استفاده معمولی | محفظه های پانل، براکت ها | پایانه های الکتریکی، مجموعه های کوچک |
| نیاز به ترخیص | نیاز به فضای رینگ دارد | متناسب با نواحی با سوراخ تنگ تر |
محفظه‌ها و براکت‌های ساختاری، که اغلب از ورقه‌های نازک‌تر ساخته می‌شوند، به سمت طرح‌های دندان خارجی متمایل می‌شوند زیرا بایت پهن‌تر، نیروی گیره را بدون تغییر شکل پانل پخش می‌کند. پایانه های الکتریکی و محفظه های فشرده، که در آن صورت قابل مشاهده باید تمیز بماند و فضای اطراف سوراخ محدود است، به سمت طرح های داخلی دندان متمایل می شوند. هیچ کدام از این دو الگو یک قانون سختگیرانه نیست. این منعکس کننده منطق کلی است که پس از درک دو رفتار مکانیکی، انتخاب را هدایت می کند.
اتصالات اتصال به زمین و اتصال یکی از رایج‌ترین مکان‌هایی است که واشر دندان خارج از بست ساختاری عمومی ظاهر می‌شوند. از آنجایی که دندان‌ها هنگام گاز گرفتن از طریق اکسیداسیون سطحی سبک بریده می‌شوند، هر دو طرح معمولاً در کاربردهای باندینگ مشخص می‌شوند، با انتخاب معمولاً فضای موجود در اطراف لوگ پایانه.
یک عدد به ندرت داستان کامل یک جزء اتصال دهنده را بیان می کند، بنابراین مقایسه چند ویژگی اغلب در طول فرآیند انتخاب مفیدتر است. نمودار رادار زیر پنج ویژگی را نشان می دهد که معمولاً با یکدیگر وزن می شوند: مقاومت در برابر ارتعاش، محافظت از سطح، مقاومت در برابر گزش لبه، سهولت تراز در هنگام مونتاژ، و کارایی هزینه کلی در حجم های تولید معمولی.
واشرهای خارجی دندان در مقاومت در برابر لرزش و کارایی هزینه امتیاز بالاتری کسب می کنند، زیرا شعاع بایت وسیع تر به خوبی در برابر لق شدن مقاومت می کند و فرآیند مهر و موم دندان های خارجی عموماً از نظر حجم ساده تر است. واشرهای داخلی دندان در حفاظت از سطح و سهولت تراز امتیاز بالاتری کسب می کنند، زیرا نمایه بیرونی کوچکتر لبه را از سخت افزار اطراف دور نگه می دارد و دندان ها در هنگام مونتاژ به طور طبیعی در اطراف ساقه متمرکز می شوند. قدرت گزش لبه بین این دو نزدیک است و مزیت آن بسته به سختی مواد جفت‌گیری تغییر می‌کند.
خواندن نموداری مانند این زمانی بسیار مفید است که ویژگی‌ها بر اساس مفصل خاص طراحی‌شده وزن شوند، نه اینکه در همه برنامه‌ها به یک اندازه مهم تلقی شوند. یک طراح که بر روی یک براکت ساختاری در فضای باز کار می کند، جایی که مقاومت در برابر ارتعاش و قابلیت اطمینان طولانی مدت بیشتر از نگرانی های زیبایی است، طبیعتاً به سمت ویژگی هایی متمایل می شود که در آن طرح های دندان خارجی امتیاز بالاتری دارند. یک طراح که روی یک محفظه الکترونیکی فشرده کار می کند، جایی که درز قابل مشاهده در اطراف هر پیچ به محصول نهایی مربوط می شود و فضای شعاعی موجود محکم است، محافظت از سطح و سهولت تراز را به شدت سنگین می کند و به جای آن به سمت طرح های داخلی دندان متمایل می شود. نمودار نقطه شروعی برای آن مکالمه است، نه یک حکم نهایی، زیرا پروژه های واقعی معمولاً به جای بهینه سازی تنها برای یکی، چندین مورد از این ویژگی ها را به طور همزمان با یکدیگر متعادل می کنند.
انتخاب هندسه صحیح دندان تنها نیمی از یک مفصل موفق است. چند بررسی عملی احتمال عدم کارایی واشر را پس از نصب کاهش می دهد:
این بررسی ها در سراسر کار مونتاژ عمومی معمول است و صرف نظر از اینکه در نهایت کدام هندسه دندان انتخاب شده است، اعمال می شود. پرش از آنها بیشتر از انتخاب نوع واشر اشتباه در وهله اول، علت شل شدن مفصل است.
آنها معمولاً یک به یک به جای انباشته استفاده می شوند، زیرا هرکدام از قبل به گونه ای طراحی شده اند که به تنهایی گاز کافی را ارائه دهند و انباشته شدن، ارتفاع مفصل غیرضروری را بدون افزایش قدرت نگهداشتن متناسب اضافه می کند.
محل قرارگیری دندان عمدتاً بر نحوه توزیع نیروی گیره پس از سفت شدن بست تأثیر می گذارد نه بر گشتاور مورد نیاز برای رسیدن به آن نیروی گیره، اگرچه اصطکاک کمی بیشتر ممکن است با شروع به گاز گرفتن دندان ها رخ دهد.
آنها را می توان بر روی سطوح پوشش داده شده استفاده کرد، اما دندان ها به طور معمول در نقاط تماس از پوشش عبور می کنند، که رفتار مورد انتظار است زیرا نیش بستگی به رسیدن به مواد پایه زیرین دارد.
واشرهای داخلی دندان تمایل دارند به راحتی در اطراف ساق پیچ و مهره متمرکز شوند، که می تواند در طول مونتاژ مکرر در مقایسه با تماس لبه بیرونی طرح های دندان خارجی کمی سرعت تراز را افزایش دهد.
آنها احتمال شل شدن در اثر ارتعاش را کاهش می دهند، اما جایگزینی برای ترکیبات قفل کننده نخ در اتصالاتی که نگهداری شیمیایی به طور خاص توسط برنامه مورد نیاز است، نیستند.
