Для правильного выбора тарельчатой шайбы необходимо соответствие трем параметрам для вашего применения: серия DIN (которая определяет кривую силы-отклонения), толщина материала и конфигурация штабелирования. . Распространенной ошибкой является отношение к этим шайбам как к простым сверхпрочным пружинам. В действительности поведение отдельной шайбы сильно меняется в зависимости от соотношения ее высоты и толщины. Для полного выравнивания шайбы требуется сила, которая может в три раза превышать ее первоначальную отклоняющую нагрузку, что часто приводит к разрушению соединения, если не учтено на этапе проектирования.
Понимание системы серии DIN EN 16983
Шайбы Бельвиля не являются универсальным продуктом. Устаревший стандарт DIN 2093, который теперь включен в DIN EN 16983, делит шайбы на три отдельные серии в зависимости от их размерных соотношений. Буква серии прямо указывает на профиль жесткости шайбы. Использование шайбы серии A в чувствительном алюминиевом фланце приведет к заклиниванию и деформации, тогда как шайба серии C может не обеспечить достаточную остаточную нагрузку зажима для предотвращения самоотвинчивания в вибрационной среде.
| Характеристики прогиба по стандарту DIN EN 16983 | |||
| Серия | Соотношение h0/t (приблизительно) | Форма кривой силы | Типичное применение |
| Серия A | ~0,4 | Почти линейный, высокая сила | Высокая грузоподъемность, ограниченное пространство |
| Серия B | ~0,75 | Прогрессивный, стандартный | Общее машиностроение, термоциклирование |
| Серия C | ~1,3 | Регрессивный (почти плоская середина) | Постоянная нагрузка в широком диапазоне отклонения |
Серия B служит «рабочей лошадкой» для большинства болтовых соединений, требующих виброустойчивости. Когда вы сплющиваете шайбу серии B до 75 % от ее общего возможного прогиба, увеличение нагрузки становится стабильным и предсказуемым. Шайбы серии C идеально подходят для динамических температурных условий, поскольку они могут компенсировать значительное осевое расширение болта, не увеличивая при этом усилие зажима, достаточное для того, чтобы защелкнуть крепеж.
Расчет правильного размера болта
Физическая геометрия шайбы должна совпадать с хвостовиком болта и сопрягаемой поверхностью. Это включает в себя три критические проверки размеров. Во-первых, внутренний диаметр шайбы должен закрывать основной диаметр резьбы болта с минимальным зазором; неаккуратная посадка здесь приводит к эксцентричной нагрузке. Во-вторых, внешний диаметр шайбы определяет нагрузку на зажимаемый материал. Если поверхность под шайбой мягкая, превышение предела текучести при сжатии приводит к релаксации заделки. В-третьих, толщина шайбы и высота конуса в разгруженном состоянии определяют, насколько сильно вы сможете сжать ее, прежде чем она затвердеет. Вы не можете позволить тарельчатой шайбе достичь горизонтального положения при нормальных рабочих нагрузках; необходимо оставить запас прочности не менее 10-15% от общего хода отклонения во избежание плотного контакта.
Соответствие идентификатора шайбы размеру болта
Стандартные метрические размеры сгруппированы. Шайба, предназначенная для болта М8, обычно имеет внутренний диаметр примерно 8,4 мм. Однако для конструкций с использованием накатанной резьбы фактический диаметр тела болта может быть немного меньше номинального. Проверьте следующие пары в качестве основы:
- Для болта M6 требуется шайба с внутренним диаметром ~6,4 мм, наружным диаметром обычно 12,5 мм или 14 мм.
- Для болта M12 требуется шайба с внутренним диаметром ~13 мм, наружным диаметром обычно 23 или 28 мм.
- Для болта M20 требуется шайба с внутренним диаметром ~21 мм, наружным диаметром обычно 36 или 40 мм.
Выбор большего диаметра распределяет силу реакции по большей площади, снижая давление на поверхность. Это очень важно при зажиме фланцев из стекловолокна или мягкого алюминия, где поверхностное напряжение должно оставаться ниже 100 МПа .
Конфигурации штабелирования и их жесткость пружины
Установка друг на друга меняет границы производительности одной стиральной машины. Три основных способа штабелирования обеспечивают совершенно разные характеристики отклонения нагрузки. Параллельный пакет умножает силу, необходимую для данного отклонения, а последовательный пакет умножает общее отклонение, доступное для данной силы. Их сочетание создает прогрессивную пружинную систему с точкой перегиба в изгибе.
Параллельная укладка для увеличения силы
Вставьте одинаковые шайбы друг в друга, ориентируя их одинаково. Две шайбы, установленные параллельно, удваивают выходную силу при том же прогибе. Пять параллельных шайб увеличивают силу в пять раз. Однако трение между вложенными конусами увеличивает гистерезис. На практике стопка из четырех параллельно расположенных шайб испытывает потери на трение примерно 6-8% по сравнению с теоретическим линейным умножением. Смазка сопрягаемых поверхностей пастой дисульфида молибдена необходима для предсказуемого преобразования крутящего момента в преднатяг в параллельных пакетах, превышающих три шайбы.
Штабелирование серий для длительных путешествий
Меняйте ориентацию каждой шайбы так, чтобы они были напротив друг друга. Две шайбы, соединенные последовательно, удваивают общую способность к отклонению при том же уровне силы. Последовательное соединение из четырех штук обеспечивает в четыре раза больший ход. Такое расположение идеально подходит для динамической нагрузки на болтовой фланец, испытывающий циклическое тепловое расширение. Пакет действует как податливая пружина, поддерживая нагрузку на зажим в зазоре, который расширяется и сжимается на несколько миллиметров.
Смешанное наложение для прогрессивных кривых
Объедините набор параллельных шайб с набором последовательных шайб. Типичная конфигурация представляет собой стек «тройной параллельный, двойной ряд». Это означает, что три шайбы вложены вместе (параллельно), а затем две из этих тройных шайб напротив друг друга (последовательно). Кривая пружины изначально следует жесткой траектории с высокими усилиями параллельных троек. Если соединение слегка разъединяется при перегрузке, последовательное противодействие срабатывает, и жесткость пружины резко снижается, предотвращая резкий скачок натяжения болта, который в противном случае мог бы привести к усталостному разрушению.
Выбор материала и интерфейсы коррозии
Основной металл шайбы определяет ее усталостную долговечность и коррозионную стойкость. Стандартная углеродистая сталь (C67S, 1.5014), закаленная и отпущенная до твердости 42–48 HRC, подходит для большинства применений внутри помещений. Для крепления конструкционных болтов на открытом воздухе или в морской среде требуется нержавеющая сталь AISI 316 или Инконель 718, но они имеют значительное снижение жесткости на растяжение по сравнению с легированной пружинной сталью.
| Материал | Диапазон твердости | Максимальная рабочая температура | Коррозионная стойкость |
|---|---|---|---|
| C67S (1,5014) | 42-48HRC | 120°C (без покрытия) | Низкий (требуется покрытие) |
| 51CrV4 (1,8159) | 45-51HRC | 180°С | Низкий-средний |
| АИСИ 316 (1.4401) | ~35HRC макс. | 280°С | Высокий (устойчив к хлору) |
| Inconel 718 | 36-44 HRС | 600°С | Отлично |
Никогда не соединяйте тарельчатую шайбу из твердой углеродистой стали с болтом из мягкой нержавеющей стали без промежуточной закаленной плоской шайбы. Конический край пружинной шайбы врезается в опорную поверхность болта, создавая концентратор напряжений, который приводит к усталостным трещинам. Тонкая плоская шайба с поверхностной закалкой и скошенным отверстием защищает радиус скругления головки болта.
Настройка преднатяга с помощью тарельчатых шайб
Использование крутящего момента для установки предварительной нагрузки на пакете Бельвилля ненадежно, поскольку усилие зажима определяется прогибом пружины, а не крутящим моментом. Правильный метод — рассчитать прогиб пружины при желаемой предварительной нагрузке, а затем затянуть ее до тех пор, пока не будет измерено физическое прогибание. Для одной шайбы серии B с общим ходом 2,15 мм вы можете ориентироваться на Отклонение 1,5 мм (70 % хода) для достижения номинальной плоской нагрузки. Это проверяют стрелочным индикатором или микрометром глубины, измеряя зазор между зажатыми пластинами. Если пакет шайб скрыт, используйте гидравлическое натяжение или измерьте растяжение болта ультразвуком. Использование только динамометрического ключа может привести к разбросу преднатяга. ±25% , что часто превышает рабочий диапазон упругости шайбы.
Как избежать распространенных режимов отказа
Усталостное разрушение обычно начинается на внутреннем крае шайбы, где во время сжатия концентрируются растягивающие напряжения. Дробеструйная обработка вогнутой поверхности шайбы задерживает возникновение трещин. Убедитесь, что поверхность подшипника по внутреннему диаметру не имеет острых заусенцев и сварочных брызг. Заусенец на хвостовике болта действует как режущий инструмент, задирая отверстие шайбы и создавая источник перелома. Еще одна упущенная из виду ошибка — перевернутое стекирование. Если одна шайба случайно перевернута, соединение полностью теряет свою пружинящую функцию и становится плоским соединением, которое может быть немедленно ослаблено. После сборки всегда помечайте внешний край параллельных стопок маркером, чтобы перевернутая шайба была визуально заметна во время проверки.
Контрольный список применения соединений с высокой вибрацией
Прежде чем завершить проект, проверьте эти пять пунктов. Во-первых, зажатая длина болта должна быть достаточной, чтобы отклонение шайбы составляло значительную часть общей упругости соединения. Во-вторых, шайба не должна полностью сплющиваться при максимальной эксплуатационной нагрузке. В-третьих, опорная поверхность должна быть закалена или защищена плоской шайбой. В-четвертых, количество параллельных шайб не должно превышать четырех без ухудшения характеристик трения. В-пятых, материал должен выдерживать верхний температурный предел окружающей среды, не теряя при этом самообладания. Отсутствие какой-либо из этих проверок ставит под угрозу фундаментальную причину выбора тарельчатой шайбы вместо разъемной стопорной шайбы, которая теряет натяжение после незначительного заделки.
