В мире машиностроения небольшие детали часто играют решающую роль в обеспечении функциональности, надежности и долговечности машин и систем. Многие не видят различий между двумя такими компонентами, как дисковые пружины и тарельчатые шайбы, но они обладают разными характеристиками и сферами применения.
Понимание дисковых пружин
Дисковые пружины, также известные как пружинные шайбы, конические или тарельчатые пружины, представляют собой тип пружины сжатия. Они характеризуются конической формой, что позволяет им обеспечивать большую силу упругости в относительно компактном пространстве. Дисковые пружины часто используются в ситуациях, когда динамическую нагрузку необходимо амортизировать или контролировать.
Конструкция и функциональность
Конструкция тарельчатой пружины состоит из ряда конических дисков, наложенных друг на друга. Эти диски прогибаются под действием нагрузки и оказывают сопротивление силе сжатия, пропорциональное деформации, которой они подвергаются в одном и том же осевом направлении. Чем больше отклонение, тем выше сила, оказываемая пружиной.
Стандарты
Перечень стандартных размеров конических тарельчатых пружин и соответствующих характеристик нагрузки и прогиба приведен в стандарте DIN 2093 (DIN EN 16983).
Применение
- Высокая мощность при небольшом прогибе. Тарельчатые пружины используются в системах, требующих высокой концентрации силы при небольшом изменении длины пружинного штабеля, что особенно важно, если пространство ограничено. Некоторые области применения: механические системы блокировки, гидравлические клапаны, подъемники, муфты, узлы трения.
- Поглощение динамической нагрузки. Тарельчатые пружины эффективно поглощают удары и вибрации, что делает их пригодны в тормозных системах транспортных средств, регуляторах давления, амортизаторах, автомобильных подвесках и системах демпфирования.
Понимание тарельчатых шайб
Тарельчатые шайбы представляют собой разновидность тарельчатых пружин, но они специально разработаны для поддержания натяжения и предотвращения ослабления болтовых соединений. Они также известны как конические шайбы или чашевидные пружинные шайбы. Их основная функция – действовать как стопорный элемент, который обеспечивает постоянное натяжение и предотвращает ослабление крепежных деталей из-за вибрации, изменения температуры или других внешних сил.
Конструкция и функциональность
Тарельчатые шайбы характеризуются чашеобразной или конической формой с небольшой кривизной, что позволяет им при сжатии оказывать давление на компоненты соединения. В отличие от традиционных плоских шайб, чашеобразные шайбы создают пружинную силу, которая предотвращает потери предварительного натяга между болтом и гайкой.
Стандарты
Тарельчатые пружинные шайбы, предназначенные для предотвращения ослабления болтовых соединений под воздействием вибрации, описаны в стандарте DIN 6796.
Применение
- Тяжелое машиностроение, строительная и обрабатывающей промышленности, где тяжелое оборудование подвергается вибрациям и ударам.
- Аэрокосмическая промышленность, где безопасность и надежность имеют первостепенное значение, тарельчатые шайбы помогают поддерживать натяжение важных крепежных элементов.
- В автомобильных системах, таких как двигатели и подвески, тарельчатые шайбы предотвращают ослабление болтовых соединений.
Ключевые различия
Технические различия между тарельчатыми пружинами и коническими шайбами.
|
|
Тарельчатые пружины DIN 2093 | Тарельчатые шайбы DIN 6796 |
| Тип нагрузки | Может подвергаться статической и динамической нагрузке, имеет длительный прогнозируемый усталостный ресурс | Работа в условиях статических нагрузок (преимущественно болтовые соединения) |
| Применение | Одиночное использование или в виде штабеля | Преимущественно одиночное использование |
| Функции | Для замены винтовых пружин, особенно в тех случаях, когда пространство ограничено, требуется большее усилие при том же размере или необходимо уменьшить размер системы | Предотвращение ослабления высокопрочных болтовых соединений |
| Генерация силы | Генерируют силу за счет отклонения, что делает их пригодными для различных сценариев поглощения нагрузки | Создают постоянную силу пружины, которая поддерживает натяжение болтовых соединений |
| Типичные материалы | Высокоуглеродистая сталь для толщины < 1,25 мм, Легированная сталь ≥ 1,25 мм | Высокоуглеродистая сталь |
| Размеры | Более широкий размерный ряд, внутренний диаметр 4,2-127 мм, наружный диаметр 8-250 мм | Соответствуют стандартным размерам болтов с номинальным диаметром 2-30 мм |
| Толщина | 0,2 - 14 мм | 0,4 - 7 мм (толще для данного наружного диаметра) |
| Стандартные единицы измерения | Метрические | Дюймовые / Метрические |
| Допуски | Допуск на диаметр (внутренний / наружный) H12 / h12, более жесткие допуски на толщину, высоту и нагрузку | Допуск на диаметр (внутренний / наружный) H14 / h12 |
| Требования к силовым нагрузкам | Кривые «усилие / прогиб» заданы и рассчитаны | Статическая нагрузка / крутящий момент могут быть указаны или не указаны |
Вывод
Дисковые пружины – это детали, предназначенные для работы при динамических и циклических нагрузках. Они разработаны специально для обеспечения повторяющегося соотношения нагрузки и хода, а также имеют длительный и предсказуемый усталостный срок службы. Их можно использовать как отдельные детали, так и объединять в стопки различной конфигурации для достижения требуемых характеристик принудительного прогиба.
Тарельчатые шайбы – это детали, предназначенные для работы при статических нагрузках, которые очень устойчивы к сжатию, но способность к восстановлению при новом сжатии у них очень низка. Они эффективно предотвращают потерю предварительного натяга в болтовом соединении, вызванного вибрацией и динамикой температурных изменений.
Дисковые пружины DIN 2093 - основные положения стандарта
Стандартные тарельчатые пружины соответствуют всем требованиям к материалу, допускам по размерам и качеству, изложенным в стандарте DIN 2093.
Классификация
Согласно нормативу DIN 2093 пружины делятся на три группы, каждая из групп подразделяется на три серии, которые соответствуют общепринятым нормам, применяемым на практике.
| Группа | Толщина металла, t | Наличие опорной поверхности |
| 1 | менее 1,25 мм | нет |
| 2 | от 1,25 до 6,0 мм | нет |
| 3 | от 6,0 до 14,0 мм | да |
Для тарельчатых пружин с толщиной материала более 6 мм стандарт DIN 2093 требует, чтобы контактная плоскость была нанесена на верхний внутренний диаметр и нижний внешний диска. Эти опорные поверхности способствуют выравниванию дисков во время штабелирования, увеличивают площадь контакта между ними, помогая распределить напряжение. В тоже время это может изменить общую высоту штабеля, что следует учитывать в рессорах с опорными поверхностями.
De = внешний диаметр
Di = внутренний диаметр
lo = свободная высота
t = толщина материала
t' = уменьшенная толщина материала (для пружин с опорными поверхностями)
ho = максимальный прогиб
В каждой группе есть три серии - A, B и C. Эти серии различаются толщиной материала (De) и соответствующими кривыми сила/прогиб, которые они создают. Стандарт DIN 2093 классифицирует три серии по следующим приблизительным соотношениям:
| Серия A | De/t ≈ 18 | ho/t ≈ 0,4 | тяжелое исполнение |
| Серия B | De/t ≈ 28 | ho/t ≈ 0,75 | среднее исполнение |
| Серия C | De/t ≈ 40 | ho/t ≈ 1,3 | легкое исполнение |
Таким образом, для каждого внешнего диаметра, определенного в соответствии со стандартом, существует три варианта этой пружины с разной силой. По этой причине они обычно обозначаются буквой и внешним диаметром (например, A-50 или B-71).
Соотношение нагрузки и прогиба
Как и все пружины, тарельчатые пружины прогибаются под действием нагрузки. Их уникальность состоит в том, что они демонстрируют низкие прогибы по сравнению с высокими нагрузками. Каждая одиночная дисковая пружина имеет определенный прогиб при заданной нагрузке. Кривая зависимости между нагрузкой и деформацией нелинейна, особенно при увеличении нагрузки. Ее форма зависит от отношения высоты конуса (ho) к толщине (t) (ho/t).
На основе расчетов, приведенных в стандарте DIN 16984 (ранее DIN 2092) прогиб при заданной нагрузке предсказуем.
Оптимальная производительность дисковой пружины достигается при рабочем прогибе на 15-75% от прогиба до плоского состояния, поскольку именно в этом диапазоне теоретические характеристики и результаты испытаний наиболее точно совпадают.
Штабелирование дисковых пружин
Если одна пружина не обеспечивает требуемое соотношение нагрузка/прогиб, можно использовать различные способы штабелирования пружин.
- Параллельная укладка (в одном направлении) – увеличит нагрузку
В результате получается пружинная колонна с таким же прогибом, как и одиночная пружина, но нагрузка увеличивается пропорционально количеству элементов в сборке.
Пример: тарельчатой пружине требуется усилие 5000 Н для прогиба на 1 мм, при параллельной сборке из трех таких элементов потребуется усилие 15 900 Н для прогиба на 1 мм.
- Последовательная укладка (в противоположных направлениях) – увеличит прогиб
Прогиб увеличивается прямо пропорционально количеству используемых пружин в стопке (например, две шайбы - двойной прогиб, три шайбы - тройной прогиб), в то время как нагрузка остается такой же, как и для одиночной пружины.
Пример: конической пружине требуется усилие 5000 Н для прогиба на 1 мм, при сборке в колонну из 10 таких элементов, соединенных последовательно, потребуется усилие 5000 Н для прогиба на 10 мм.
- Комбинированный способ – для точной настройки нагрузки и/или прогиба
Сочетание последовательной и параллельной укладки является средством изменения как нагрузки, так и величины прогиба. Нагрузка такой колонны будет зависеть от количество дисков, расположенных параллельно, а общий ход - от количества групп частей (расположенных параллельно), которые последовательно уложены друг на друга.
Пример: тарельчатой пружине для прогиба на 1 мм требуется усилие в 5000 Н, при сборке в виде колонны, состоящей из 3–х параллельно расположенных дисков и 10 блоков из 3–х последовательно расположенных параллельных дисков (всего 30 дисков), потребует усилия в 15900 Н для прогиба стопки на 10 мм (включая допуск +6% на трение).
Возможность различных способов укладки пружин обеспечивает большую гибкость в достижении как рабочей нагрузки, так и параметров отклонения, необходимых для конкретного инженерного применения.
В длинных штабелях может потребоваться установка дисковых разделителей, чтобы избежать эффекта искривления, который может привести к увеличению трения.
Направляющая
Стопочным пружинным шайбам необходима направляющая - либо вал, либо втулка.
- Направляющий элемент необходим для предотвращения бокового смещения.
- Предпочтительна внутренняя направляющая (болт или вал), хотя допускается и наружная направляющая (втулка).
- Направляющие элементы должны быть закалены до не менее 55 HRC на глубину 0,80 мм.
- Поверхность направляющей должна быть гладкой и по возможности отшлифованной.
- Для статических применений направляющие могут быть не закаленными.
Поскольку при прогибе увеличиваются как внутренний, так и внешний диаметры, между дисками и направляющей требуется определенный зазор.
При этом важно соблюдать допуски, рекомендованные DIN 2093, указанные в таблице:
| Внутренний или внешний диаметр, мм | Допуск по DIN 2093, мм |
| до 16 | 0.2 |
| > от 16 до 20 | 0,3 |
| > от 20 до 26 | 0,4 |
| > от 26 до 31,5 | 0,5 |
| > от 31,5 до 50 | 0,6 |
| > от 50 до 80 | 0,8 |
| > от 80 до 140 | 1,0 |
| > от 140 до 250 | 1,6 |
Для обеспечения равномерной деформации рекомендуется, чтобы общая высота штабеля не превышала 3-кратного внешнего диаметра тарельчатой пружины.
Трение и смазка
Упругий гистерезис или трение, возникающие между деталями, а также между деталями и направляющей штабеля, могут изменить кривую силы и смещение.
Очень важно использовать правильную смазку для контакта деталей с направляющей и между деталями. В зависимости от условий работы способы смазки различны. Можно использовать масла, консистентные смазки, порошки, содержащие дисульфид молибдена или другие смазочные материалы.
Понимание напряжения и усталостного ресурса
Важно также знать предельные возможности конкретной тарельчатой пружины до того, как она будет введена в эксплуатацию.
При изгибе тарельчатые пружины выдерживают определенный уровень напряжения, который в одних точках их геометрии выше, чем в других. В зависимости от степени напряжения и количества рабочих циклов шайба будет накапливать усталость, вплоть до момента разрушения, который и определит срок службы стопки.
Усталостный ресурс - это количество циклов, которые пружина может выдержать до выхода из строя в конкретной области применения.
Цель определения усталостного ресурса - убедиться, что ваша коническая шайба или тарельчатая пружина сможет выдержать нагрузку, которой она будет подвергаться. Этот ресурс зависит от размеров пружины или штабеля пружин, предварительной нагрузки, конечной нагрузки, прогиба, температуры и частоты деформаций.
В ситуациях, когда одна шайба не выдерживает нагрузки, хорошо спроектированная стопка шайб может изменить характеристики нагрузки и напряжения и увеличить усталостную долговечность.
Основные рекомендации по увеличению срока службы штабеля: предварительное напряжение не менее 15% от его хода и не более 75% при приложении динамической нагрузки.
Усталостный ресурс пружины не может быть точно определен, кроме как на практике, поскольку он зависит от многих факторов.
Предварительная деформация
Наконец, важно отметить, что дисковые пружины, находящиеся под постоянными сжимающими нагрузками в течение длительного времени, будут подвержены релаксации, что приведет к снижению усилия. Чтобы свести к минимуму это ослабление, они подвергаются предустановке, прописанной в стандарте DIN 2093.
Предварительная установка определяется как однократное или многократное сжатие термообработанного диска до плоского состояния. В результате этого пружина выходит на свою проектную высоту (ho). При последующем нагружении диск больше не будет необратимо пластически деформироваться. Это позволяет увеличить нагрузку и усталостную долговечность.
Практически подтверждено, что в первые две недели после сборки штабель теряет нагрузку до 5%, а затем стабилизируется, так как потеря нагрузки с этого момента незначительна.
Выбор материала и покрытия
Материалы из высокоуглеродистой и легированной стали обеспечивают превосходную прочность, пружинные характеристики и долговечность в большинстве случаев применения.
Стандартное покрытие из фосфата цинка и промасливание обеспечивает достаточную защиту от влаги и периодического увлажнения. Существуют более эффективные защитные покрытия, но они имеют тенденцию стираться при динамическом использовании.
Всегда следует избегать конических пружин с гальваническим покрытием. Водородное охрупчивание представляет слишком большой риск для высоконагруженных дисков с твердостью более HRC 40.
Аустенитная нержавеющая сталь - очень хороший выбор для статических и мало циклических применений. Она обеспечивает высокую прочность и отличную коррозионную стойкость. Этот материал продолжает твердеть в процессе эксплуатации, поэтому срок службы ограничен, но сопротивление ползучести хорошее.
Для динамических применений, где требуется защита от коррозии, рекомендуется использовать нержавеющие стали с закалкой осаждением. Эти стали почти такие же прочные, как стандартные материалы, и очень устойчивы к коррозии.
При температурах свыше 100°C стандартные материалы дисков могут начать ползти или усаживаться. В диапазоне 150-200°C материалы теряют свою прочность и больше не считаются пригодными для использования. Нержавеющие стали немного более термостойкие, но только до 300°C.
Шайбы конические пружинные DIN 6796 - основные положения стандарта
В середине 19 века был изобретен пружинный диск конической формы. В впоследствии он был назван «шайбой Бельвиля» по имени его изобретателя Джулиана Ф. Бельвиля. В 21 веке конические шайбы используются во многих устройствах, таких как космические корабли, спутники, медицинские приборы, системы обороны, автомобили и станки, и это лишь некоторые из них.
Стандарт DIN 6796 определяет характеристики шайб этого типа с точки зрения размеров, допусков, нагрузок и материалов. Пружинные шайбы, описанные в этом стандарте упруги и устойчивы к сжатию. По этой причине их иногда называют пружинными шайбами.
Данные пружинные элементы предназначены для совместной работы с болтами классов прочности от 8.8 до 10.9 в соответствии с DIN EN ISO 898-1.
Они разработаны специально для стопорения высокопрочных болтовых соединений, работающих в тяжелых условиях, таких как шины, трансформаторы, выпрямители, теплообменники, трансмиссии и т. д.
Основным назначением конических пружинных шайб является поддержание постоянного предварительного натяга в соединении болт/гайка.
Усилие, создаваемая в болтовом соединении шайбой после сжатия, поддерживает натяжение, предотвращает его ослабление, вызванное вибрациями или изменением температуры.
Конструкция и метод изготовления этих шайб позволяют им создавать большие усилия при коротких прогибах. Не следует забывать, что их упругая способность ограничена. Именно поэтому они подходят для работы при статических нагрузках, где они могут сохранять натяжение в течение долгого времени. С другой стороны, их ни в коем случае нельзя использовать для работы с динамическими нагрузками, так как их восстановительная способность недостаточна.
Размеры и нагрузка
Размеры пружинной шайбы адаптированы для работы с резьбовыми метрическими крепежными изделиями с диаметром резьбы от 2 до 30 мм. Стандарт определяет пропорции шайбы по толщине, высоте и внешнему диаметру для каждого конкретного типоразмера.
Нагрузка (сила зажима) на конические пружинные шайбы должна соответствовать усилию затяжки болта класса прочности 8.8 или 10.9. Обычно эта нагрузка составляет 70-90% от усилия затяжки.
При правильном усилии зажима достигается плотное прижатие диска и поддержание постоянного натяжения между болтом и гайкой.
Допуски и контроль качества
Технические требования и методы испытаний определены в стандарте DIN 267, часть 26.
Внутренний и наружный диаметр конических шайб имеет допуск H14 / h14.
Для общей высоты в ненагруженном состоянии указывается как минимальное, так и максимальное значение. Максимальное значение не может быть превышено в свободном состоянии, а минимальная высота достигается в изделии после испытания на сжатие.
Допуски по толщине конической шайбы определяются стандартом DIN 1544 для деталей толщиной ≤ 6 мм и DIN 1543 для деталей толщиной > 6 мм. Контроль качества, установленный стандартом для наружного и внутреннего диаметров, толщины и высоты, соответствует AQL 1,5.
Материалы
В соответствии с нормативом DIN 6796 стандартным материалом является сталь C60 (DIN 17221 и DIN 17222) с уровнем твердости от 420 до 510 HV. Нержавеющие стали, такие как 1.4568 или 1.4310, и никелевые сплавы, такие как Inconel 718, также разрешены для агрессивных сред или высоких температур. Обычно производители предлагают различные виды покрытия для конических пружинных шайб, повышающих их устойчивость к коррозии.
Заключение
Как тарельчатые пружины, так и тарельчатые шайбы являются важными компонентами в технике, способствующими стабильности, безопасности и эффективности различных систем. Хотя они имеют некоторое сходство с точки зрения формы, но имеют различное назначение. Будь то поглощение динамических нагрузок с помощью тарельчатых пружин или предотвращение ослабления болтовых соединений с помощью тарельчатых шайб, понимание их различий позволяет инженерам принимать обоснованные решения при выборе правильного компонента для конкретного сценария.
Часто задаваемые вопросы
Дисковые пружины со временем теряют упругость?
Дисковые пружины, находящиеся под постоянной нагрузкой, подвергаются релаксации, что со временем приводит к уменьшению упругости. Потеря силы возникает вначале и впоследствии остается стабильной. Эту потерю невозможно точно определить, поскольку она зависит от различных факторов. В любом случае, можно подсчитать, что стопка потеряет свою силу на 5% в течение первых двух недель, после чего потеря силы будет незначительной.
В каком температурном диапазоне может работать стандартная дисковая пружина?
На упругие свойства тарельчатых пружин влияет температура. Для стандартного материала (50CrV4) считается, что диапазон температур для работы в нормальных условиях составляет от 50ºC до 100ºC, с учетом того, что упругость будет меняться в этом диапазоне. Для более высоких или низких температур следует использовать шайбы, изготовленные из материалов, устойчивых к этим температурам, например, такие как 09Х17Н7Ю (1.4568), которые работают в диапазоне от -200ºC до +300ºC, или Inconel 718, температура эксплуатации которого составляет от -260ºC до +700ºC.
Почему некоторые дисковые пружины служат дольше других?
Качество материала и процесс изготовления тарельчатых пружин определяют их усталостную прочность и, следовательно, срок службы. Стандарт DIN 2093 устанавливает, какой тип стали подходит для изготовления. Однако не все производители осуществляют надлежащий контроль качества используемых сталей. Высокое содержание примесей в материале приводит к увеличению числа поломок в изделиях. Что касается термической обработки, которая является решающим фактором для упругости изделия, то стандарт устанавливает отпуск и закалку. Однако существуют дополнительные виды обработки, которые значительно улучшают этот аспект. Аустенизация - это обработка, превосходящая термическое упрочнение, которая придает стали улучшенные характеристики. Аналогичное качество достигается при проведении дробеструйной обработки после отпуска и закалки.
Зависят ли упругие свойства тарельчатых пружин от материала?
Да, зависят. Каждый материал имеет свой модуль упругости, поэтому при проведении расчетов по штабелю следует учитывать, что это за материал, так как результат будет разным. Кроме того, для одного и того же материала модуль упругости варьируется в зависимости от рабочей температуры, как объяснено в вопросе выше.
Какой длины могут быть комплекты дисковых пружин?
Длина штабелей не ограничена, но следует учитывать некоторые аспекты. При увеличении длины штабеля может увеличиться его искривление с последующим трением о направляющие. Чтобы избежать этого, рекомендуется вставить в штабель разделительные плоские шайбы. Эти шайбы должны быть вставлены таким образом, чтобы расстояния между ними не превышали трехкратного наружного диаметра тарельчатых дисков, входящих в группу. Следует также учитывать, что даже с разделительными шайбами, чем длиннее штабель, тем больше трение.
