碟形弹簧.doc

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1、碟形弹簧 扬州天恒弹簧五金 姜际强 碟形弹簧是法国人贝利维尔（J.Belleville）于是1866年发明的，当时主要是作为垫圈使用，并在美国及法国申请了专利，因此又被称为贝氏弹簧（Belleville Spring）。 我国的碟形弹簧的研究主要是在上世纪七十年代，八十年代后开始有企业生产碟簧，随着我国改革开放，进口设备的引进，碟簧的使用越来越广泛。 本文主要是对碟形弹簧作一简要的说明，以便大家对它有一定的认识。碟形弹簧简称碟簧，它主要用金属弹簧材料（钢带、钢板或锻造坯料）加工成的截锥形弹簧。根据其截面与形状的不同可分为普通碟簧、梯形截面碟簧、锥状梯形截面碟簧、开槽形碟簧、膜片弹簧、圆板形碟簧

2、。普通碟簧的结构（GB/T1972-2005）类别碟簧厚度支撑面与减薄厚度1231.251.2566.014无，无有，（1） 碟簧根据支撑结构的不同有两种型式；一种是无支撑面碟簧，其内缘上边及外缘下边未经加工；另一种是有支撑面碟簧，内外缘经加工后形成支撑面，载荷作用于支撑面。（2） 碟簧的类别与结构型式，根据其厚度t值分为三类。(3) 碟簧的尺寸与参数根据D/t与ho/t值分为A（D/t18,ho/t0.4）、B（D/t28,ho/t0.75）、C（D/ho40,ho/t1.3）三个系列碟簧的主要特点与应用碟簧与其它型式的弹簧如螺旋弹簧、钢板弹簧等比较，其主要特点如下：轴向尺寸较小而径向尺寸较

3、大 它能在很小的的变形条件下，承受变化范围很大的轴向载荷，其单位体积的变形能较大，具有较好的缓冲吸振能力，因此适合轴向空间小，径向空间大而承载大的场合。具有变刚性的特性 在外径与内径尺寸相同的条件下，只要改变碟簧厚度与碟簧的内锥高度之比可以得到不同的弹簧特性曲线，z=ho/t,是正刚度（刚度大）z=0.21.3;z=ho/t是正刚度+零刚度z=1.31.5; ho/t2是正刚度+负刚度z=1.52.3;z2是正刚度+负刚度z2.8。在国标中的碟簧是采用z的。改变碟簧的数量或碟片的组合形式 除单片使用外通过不同的碟簧组合如叠合、对合、复合等形式可获得不同的承载能力与特性。在组合碟簧中 当一些碟片

4、损坏时，只需个别更换，便于维修与减低成本。正确设计、制造与使用的碟簧，具有很长的使用寿命。便于标准化 具有便于大批量生产，提高质量而降低成本。碟簧常用于重型机械设备、飞机、大炮等作强力缓冲与减振弹簧，也用于汽车与拖拉机的离合器，泵阀中的压紧弹簧，自动化中控制机构，螺栓联接中弹性垫圈。由于碟簧的应用日益广泛，在许多机电产品中已逐步采用碟簧来代替原用的园柱弹簧。碟形弹簧的材料对于碟簧材料的性能要求，经热处理后应具备高的强度极限、屈服极限、弹性极限与疲劳极限，同时要求具有较高的冲击韧性、朔性与尽量高的屈强比。为了满足上述性能，国内外大都采用冷轧或热轧的优质钢带或钢板，当厚度大于6毫米的碟簧采用锻造坯

5、料，钢种主要为中碳低合金弹簧钢（硅锰或铬钒弹簧钢）及优质碳素弹簧钢，以下是不同国家制造碟簧的主要材料。中国美国德国英国日本法国前苏联材料牌号60Si2MnA50CrVASAE9206SAE615060SiMn650CrV4250A61735A60SUP6MSUP10M50CrV460C2A50XA因我国硅锰含量高而铬钒少，所以我国碟簧主要采用60Si2MnA，二者相比较50CrVA的淬透性、回火稳定性与冲击韧性都比60Si2MnA的好，但50CrVA价格较高，适用于对疲劳要求较高的场合。碟形弹簧的载荷-变形计算从上世纪二、三十年代以来碟形弹簧的计算经过许多专家学者的研究，其计算方法有许多种，但

6、使用最广泛的是1936年美国两位工程师阿尔曼(J.O.Alman)与拉斯路(A.Laszlo)提出的近似计算法，此法形式简单，便于计算，计算结果与实验结果比较符合，因此目前广泛应用。（1） 无支撑面碟形弹簧载荷-变形计算公式（DIN2093、GB/T1972） F=+1K=C=弹性模量 E=206000MPa 泊松比 u=0.3当变形量f=h，即碟簧被压平时的载荷为F=m系数值除按式计算外，也可以按下表查取。系数m值可在下图中根据f/t与查得，从而较为方便的计算出碟簧的作用载荷。系数K1、K2与K3CK1K2K3CK1K2K3CK1K2K31.251.301.351.401.450.3430.

7、3580.4280.4640.4961.0300.3880.4280.4640.4961.0701.0921.1141.1351.1572.252.302.352.402.450.7350.7410.7470.7520.7561.2751.2851.2961.3071.3171.4721.4901.5091.5271.5453.253.303.353.403.450.7940.7950.7960.7970.7971.4721.4811.4911.4991.5081.8231.8401.8561.8731.8891.501.551.601.651.700.5250.5500.5740.5940.

8、6131.0981.1111.1231.1361.1481.1781.1981.2191.2391.2602.502.552.602.652.700.7610.7650.7680.7720.7751.3271.3381.3481.3581.3681.5631.5811.5991.6171.6343.503.553.603.653.700.7980.7980.7990.7990.7991.5171.5261.5351.5441.5521.9061.9221.9381.9551.9711.751.801.851.901.950.6300.6460.6590.6720.6841.1611.1731.

9、1841.1981.2081.2801.3001.3191.3391.3582.752.802.852.902.950.7770.7800.7820.7840.7861.3781.3871.3971.4071.4161.6521.6691.6871.7041.7213.753.803.853.903.950.7990.8000.8000.8000.8001.5611.5691.5781.5851.5951.9872.0032.0192.0352.0512.002.052.102.152.200.6940.7040.7130.7220.7281.2191.2311.2421.2531.2641.

10、3781.3971.4161.4351.4533.003.053.103.153.200.7880.7900.7910.7920.7931.4261.4351.4451.4541.4631.7381.7551.7721.7891.8064.004.054.104.154.200.7990.7990.7990.7990.7991.6031.6111.6201.6281.6362.0672.0822.0982.1142.119(2) 有支撑面碟形弹簧载荷-变形公式对于承受较大载荷或碟簧组件，为了改善其承载条件与轮廓形状的精度，碟簧需要具有支撑面。有支撑面的碟簧的载荷与变形均可用无支撑面碟簧的相关计

11、算公式。支撑面宽度系数k=D/b，一般取k=90200，公式中取胜k=150，因承载位置的改变，其内锥高度应修正。修正后的公式为：F=F=F K C= C=在标准中，对于有支撑面的碟簧的尺寸D、t、H等均无支撑面碟簧的相同，并且两种型式的同尺寸碟簧要保持按有无支撑面计算的载荷相等。由于有支撑面的碟簧的刚度增大，为了满足标准要求，保持其刚度与无支撑面的同尺寸碟簧接近，应将有支撑面的碟簧的厚度适当减薄至,根据等效条件，可得各标准系列的/t，见下表。有支撑面与无支撑面碟簧厚度的等效比值/t， 系列 A B C/t， 094 094 096碟形弹簧的刚度与变形能碟形弹簧的刚度与变形能U（）+1U=对无

12、支撑面弹簧，对有支撑面的碟簧上列公式中取。碟形弹簧的特性曲线 根据碟簧的特性曲线，常用改变碟簧的高厚比来改变碟簧的特性来满足不同工作的需要。在同一碟簧中，厚度的影响最大、其次高度、外径。碟形弹簧的应力计算公式=K见变形与载荷计算。计算应力时为正值是拉应力，负值是压应力。 碟形弹簧的强度与许用应力碟簧在工作中可能受到静载荷或变载荷的作用，其所受载荷性质的不同，其失效的情况也不同，因此强度计算的许用应力也有不同的考虑。（1）静载荷作用下的碟簧许用应力 静载荷是指作用的载荷不变或在长时间内偶有变化，在规定寿命内变化次数小于1次。如安全阀用碟簧、轴承予紧用碟簧等只受静载荷。为了保证碟簧的自由高度的稳定

13、性，取压平时的接近材料的屈服极限，对于60与A制的碟簧，可取14001600MPa。（2）变载荷作用下碟簧许用应力变载荷是指作用的载荷（应力）在初加载荷与工作载荷之间循环变化，在规定寿命内变化次数大于次。在无限寿命时可以承受大于等于次加载变化而不破坏，而在有限寿命时可以承受次的加载变化直至破坏。普通碟簧的一般工作情况是从初压位置变形量f=(0.150.20)ho时最小变形与应力开始到f=0.75ho时的最大变形与应力之间变动。因此碟簧都是在交变应力工况下工作，其主要失效形式为弹力衰减与疲劳断裂。碟簧的疲劳源都是在碟簧下表面爱拉应力的内圆周点与外圆周点处。虽然以上两点并不是最大的应力点，但是由反

14、复变化的拉应力产生的疲劳裂纹是发展性的，因此在应力大小达到一定的值，应力循环交次数达到一定的值时簧片将断裂。为了保证变载荷下碟簧的强度，必须核验簧片的下表面拉应力是否小于疲劳极限应力。 在点与点中，那点先产生疲劳裂纹且比较危险，与直径比C=D/d与ho/t的比值有关，可由图（一）来判断。比值C与高厚比值落在哪一区，就验算相应点的疲劳强度，若在两区之间，则两点都需验算。 在国标中推荐了50CrVA钢制普通碟簧的疲劳极限应力曲线图。根据厚度的不同；分别适用于t1.25,t=1.256与t=614mm。在变载荷作用下的单个碟簧或不超过10片的对合组合碟簧的疲劳极限，可根据寿命要求，碟簧厚度及上下限应

15、力（、），在图（二）、（三）中查取。厚度大于14 mm与组合片数较多的组合碟簧，其它材料的碟簧，以及在特殊环境下（温度较高、化学影响等）工作的碟簧应适当降低。图（二）t1.25mm碟簧的极限应力曲线图(三)t=1.256mm碟簧的极限应力曲线图(四) 614mm碟簧的应力曲线组合碟形弹簧单片碟簧的承载能力与变形是有限的，大都情况下是成组使用。采用不同的组合方式，可以获得多种特性，满足不同的性能要求。摩擦力对组合碟簧特性的影响前面所述计算方式，都忽略摩擦力的影响，在实际工作中碟簧受载后，在支撑表面与叠合面上，在碟片与导向零件之间都有相对滑动而产生的摩擦力，因此改变了碟簧的特性曲线。 考虑摩擦力的

16、影响，碟簧的载欧共体荷F计算公式为叠合组合碟簧复合组合碟簧，仅考虑叠合面间的摩擦时式中F-碟簧未计算摩擦力时载荷 -碟簧锥面间的摩擦系数，见下表-承载边缘的摩擦系数，见下表n-碟簧的片数摩擦系数与(GB/T1972)系 数 ABC00050.0300030.0200020.0150.030.050.020.040.010.03组合碟簧使用时，为了防止受载时碟簧片产生横向滑移，组合碟簧应有导向芯轴或导向套，由于碟簧片在变形时内外径尺寸会产生变化（以碟簧的制造方式不同内外径的变化不同），一般情况下碟片应与导向件之间留有一定的间隙，见下表。碟片与导向件之间也应有润滑，导向件表面硬度也应大于碟片。d或

17、D间隙16162020262631.531.5505080801401402500.20.30.40.50.60.81.01.6碟形弹簧的的制造碟簧多用冷轧或热轧带钢、板材或锻造坯料（锻造比不小于3）制造，其材料常用60S2MA、50CVA等弹簧钢，对于厚度小于1.1的也可用高碳钢制造。对于有防锈、防蚀、防磁或耐热等特殊要求时。碟形弹簧的典型型制造工艺类碟簧：冲压成型淬火回火光饰强压处理表面处理类碟簧冲制环坯磨两平面车削内外径并倒圆冷成型高温正火淬回火热处理抛丸强压表面处理类碟簧：圆钢下料锻平坯车削加工高温正火淬火回火抛丸强压表面处理碟形弹簧的技术要求（GB/T1972）普通碟形弹簧尺寸的极限

18、偏差名称极限偏差 一级精度 二级精度Dh12h13dH12H13普通碟形弹簧厚度的极限偏(mm)类 别t(t) 厚度t(t)极限偏差类 别t(t) 厚度 t(t)极限偏差一、二级精度一、二级精度10.20.6+0.02-0.06 2+0.04-0.12+0.05-0.151+0.03-0.0930.1 自由高度极限偏差(mm)类 别t(t) 厚度的极限偏差一、二级精度 载荷的波动范围类别t/mmF=0.75ho时，F的波动范围一级精度二级精度11.25+25-7.5+30-1021.253+15-7.5+20-1036+10-5+15-7.53614510表面粗糙度与外观的规定类别基本制造方法

19、表面粗糙度R上、下表面内、外圆1冷成型，边缘倒圆角321252冷或热成型，车削内外圆或平面，边缘倒圆角6363精冲，边缘倒圆珠笔角63323热成型，加工所有表面，边缘倒圆角125125碟簧成型后必须进行热处理，淬火次数不得超过二次。经淬回火后碟簧硬度必须在HRC4252的范围内。经热处理后的碟簧其单面脱碳层的深度对1类碟簧不得超过其厚度的5%；对于2、3类碟簧不得超过其厚度的3%（其最小值允许值为0。06mm） 碟簧应全部进行强压处理。处理方法：一次压平，持继时间不少于12小时；或短时压平，压平次数不少于5是次，压平力不少于2倍的承受变载荷的碟簧应进行喷丸或其他方法的表面强化处理。 碟簧应进行

20、防腐处理，如磷化、氧化、电镀、电泳或喷塑等形式。凡电镀处理后的碟簧必须及时进行去氢处理，防止氢脆。碟形弹簧的标记方法一级精度：系列A 外径100的碟簧 标记：A100-1GB/T1972二级精度：系列B 外径2100的碟簧 标记：B100GB/T1972示例一：外径50，内径25.4,厚度3,高度4.1,一级精度记为; 示例二: 外径50,内径2.4,厚度2,高度3.4,二级精度记为: 碟形弹簧的检验规则（GB/T1972-2005） 缺陷分类 A缺陷项目：疲劳、脱碳、硬度 B缺陷项目：H-0.75h。时的负荷、内外径、永久变形 C缺陷项目：厚度、自由高度、表面质量、表面粗糙度检查水平 碟簧产

21、品检查水平按GB/T2828.1中特殊检查水平S-4。样本大小字码 样本大小字码根据提交检查批的批量与特殊检查水平S-4确定。抽样方案 A缺陷项目样本的抽取不限交货批量大小，疲劳试验样本为1个（或110片对合组合成为一组），脱碳样本为2片，硬度为2片（可与脱碳样本共用） B、C缺陷项目样本抽取 当交货批量为21 200片时。B、C缺陷项目样本采取一次正常检查抽样方案。 当交货批量为1 20010 000片时，B、C缺陷项目样本采用二次正常检查抽样方案。 当交货批量为大于10 000片时，B、C缺陷项目样本采用五次正常检查抽样方案。合格质量水平A缺陷项目 在检查中若有1片碟簧质量不合格，相应的检验允许重复进行一次，样本数为第一次抽样的2倍，如果复检仍有1片不合格，则判该批碟簧不合格。 B 缺陷项目 合格质量水平为4.0。C 缺陷项目 合格质量水平为6.5。 其他 对产品验收有特殊要求时，按双方协议规定。第 17 页