碟形彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)

1.材料

Mubea碟形彈簧的生產(chǎn)要求產(chǎn)品在滿足最大疲勞壽命要求的前提

下獲得最小松弛量。材料的選取直接影響彈簧性能。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)用途，

采用Ck67和50CrV4作為彈簧材料即可滿足要求。這些材料的經(jīng)濟(jì)性

和通用性非常適合第一組彈簧(Ck67)和第二組、第三組彈簧

(50CrV4)o止匕外，針對(duì)下述要求，可以選取特殊材料。

I高耐腐蝕性

I在低/高溫環(huán)境下工作

I耐磁性

Mubea所用材料的性能參見(jiàn)材料表。

Opcmtingtem-le4dtim?toobtainTypicalapplcition

peraturerange(*C)rawmaterial

-10totooHartconstruction,marhinctocls

automot^vr

-20to15OPlat11)nitructiof

-ISOtO200Foodprocessingirdustry

-200tC2005cmHindustry

-200tO200

?60to500Bodcrs.pcwcf^lartconstructon,indu<*nal

?60to350furnacesaridcvrr、cnemcalitKlustry

-6?to550???

-250to15cEtectfkalequpmenllo.v-lemj>ecatureaoplcatons.

-200to35。???supeic^iKJu<tcr$.wdE；

-200tc500Boilets.iidustculfurnaces打iccvets

-200to500??memcalndjstry

-200tc600?

VWA|TiBeCuCoFeNb

OJ5

0.50

o.6o415

030

例Rest?

L7S

0400.65￡O,i01Q475

O./O70二。5/.000.95

14。>35Y。/16.50w7Q

MaterialDlNmate-Modulusofciasticity(kN/nim1)at

de^igrutionrialnumber20yioo*C200X300X400T500,C600X7OO,C

Ck671.1231?c6

50CrV418159206202'96

5?CfW3417701206102,96

X1?CrNi1//1w。19c18b

，

X7JNAl177145682。。吟5g。

X5CrNlMo181014401190185?78

X35CrMo1714122209?o\199197

XsoWCrVs51?56z?06?0??g618g1/8

X22CrMoV12114923209205200193

CuRe?11247135中

ZBe22002s無(wú)91S2176

Inconel7182X668200196*90:86179172

(N1S9

InconelX75324669207-9819。17917。

(NIG15FC7TIAI)

Nimonic902.4969206201■95189101>7S167160

(NiCf20Co18Ti)

2.材料與防腐蝕

2.1標(biāo)準(zhǔn)材料

Ck67(DINl.1231)

Ck67是碟形彈簧低應(yīng)力應(yīng)用情況下的經(jīng)濟(jì)型鋼種，按DIN2093標(biāo)

準(zhǔn)規(guī)定，該材料只適用于第一組彈簧(厚度＜1.25mm)o特殊情況

下，也可用于厚度小于4mm的彈簧。

50CrV4(DIN1.8159)

50CrV4是碟形彈簧最常用的材料。由于其高合金成分，在T5C

至+150C溫度范圍時(shí)，可使彈簧具有最佳性能。如可降低彈簧耐久性,

該材料最低應(yīng)幫溫度可達(dá)成-25C,如采用熱強(qiáng)壓處理，其最高應(yīng)用

溫度+200C。該材料抗松馳性能優(yōu)于非合金鋼。

51CrMoV4(DINl.7701)

51CrMoV4(DINl.7701)性能與50CrV41(8159)相似。由于加入了

鋁合金元素，材料厚度在40mm以下的工件均具有良好的淬透性。由

于其韌性優(yōu)于50CrV4。因此該材料更適用于0℃至-20℃溫度范圍。

2.2耐磨性材料

由于較高的銀合金含量，耐腐性材料在初始狀態(tài)下具有奧氏體晶

格，因此不能象常規(guī)材料那樣采用奧氏體或馬氏體等溫淬火。而腐蝕

彈簧鋼通過(guò)混合晶體變形、冷軋加工硬化(見(jiàn)DIN17224)和沉淀硬

化(x7CrNiA1177)來(lái)獲得強(qiáng)度。一定程度的冷扎加工硬化可使碟型

彈簧獲得足夠的強(qiáng)度。因此，對(duì)該種材料的最大厚度有嚴(yán)格的限制。

耐腐蝕材料碟型彈簧可以在極低溫度下使用，但其通過(guò)冷軋過(guò)程獲得

的強(qiáng)度會(huì)在溫度高于+200C時(shí)消失。

x12CrNi177(DIN1.4310)

DIN17224標(biāo)準(zhǔn)的銀銘金x12CrNil77通常用于耐腐的碟型彈簧。

這材料的強(qiáng)度通過(guò)冷軋獲得，因此其最大材料厚度被限定在2.0mm以

下。冷軋也會(huì)使彈簧具有一定程度的磁性。

xlCrNiA1177(DINI.4568)

按照DIN17224標(biāo)準(zhǔn)，x7CrNiA1177是一種沉淀硬化耐腐蝕彈簧

鋼。該鋼種可以通過(guò)冷軋加工硬化和沉淀硬化獲得強(qiáng)度。在軟化狀態(tài)

下，x7CrNiA1177具有較高的磁性。冷軋加工硬化使其磁性進(jìn)一步

提高。

x5CrNiMol810(DINI.4401)

DINI.4401x5CrNiMol810是一種高耐腐蝕彈簧鋼并且很難被磁

化。

2.3熱穩(wěn)定材料

大部分熱穩(wěn)定材料都是馬氏體鋼。與標(biāo)準(zhǔn)材料相比，由于其高

合金組分，在高溫條件下具有較低的蠕變傾向。表1.1所列的上限工

作溫度均是基于長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫條件下所得的結(jié)果。如工作時(shí)間較

短(不到1小時(shí)),彈簧還可短時(shí)間在高于表中所列溫度100℃的環(huán)境

下進(jìn)行工作，而不影響其性能。在做碟型彈簧設(shè)計(jì)時(shí)，必須謹(jǐn)記，材

料的彈性模量隨溫度升高而減小，隨溫度降低而增大。因此，碟型彈

簧在高于室溫時(shí)具有較高的承載力，低于室溫時(shí)具有較低的承載力。

對(duì)于熱穩(wěn)定材料碟型彈簧的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，脆性斷裂可以導(dǎo)致彈簧提前失

效。

x35CrMol7(DIN1.4122)

鋁元素的添加使x35CrMol7具有較高的熱穩(wěn)定性。在其它一些

應(yīng)用環(huán)境中，該材料也同時(shí)具有耐腐性。但由于碟型彈簧對(duì)材料強(qiáng)度

的要求，其耐腐性是有限的。海水環(huán)境或與海水相似的環(huán)境中，該材

料不具耐腐性。

x22CrMoV121(DIN1.4923)

該材料是含有熱穩(wěn)定性元素Chrome的可熱處理鋁機(jī)鋼，其應(yīng)用

溫度范圍為-60℃至+350℃脆性斷裂可使x22CrMoV121碟形彈簧提前

失效。

2.4抗磁性并耐腐蝕材料

該類材料通過(guò)沉淀強(qiáng)化而獲得強(qiáng)度。同時(shí)具有抗磁性和耐腐蝕性。

CuBe2(DIN2.1247)

CuBe2是沉淀強(qiáng)化銅鍍合金，可在極低溫度下使用。但與其它材

料相比，其彈性模量較小，因此承載能力也較低。此外，CuBe2具有

良好的導(dǎo)電性。

NiBe2(DIN2.4132)

除了上述性能之外，NiBe2適用于溫度提升的情況。表L1中所列

的溫度都可以在不影響其性能的前提下短時(shí)間超過(guò)大約100℃。

2.5耐高溫材料

銀基合金中的一些沉淀強(qiáng)化材料用于碟型彈簧的生產(chǎn)，適用于溫

度提升的情況。這種材料具有較高的韌性和疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)耐高溫材

料碟型彈簧時(shí)，必須考慮到其抗拉強(qiáng)度低、屈服點(diǎn)小的特點(diǎn)，否則加

載損失的可能性將會(huì)增大。

這種情況下，明確指明彈簧的上限工作溫度是不可能的。在加載

狀態(tài)下，由于材料蠕變，碟型彈簧自由高度將會(huì)降低。該蠕變是溫度、

時(shí)間和應(yīng)力共同作用的結(jié)果。例如，施加較小的載荷或縮短高溫下的

工作時(shí)間，均可使碟型彈簧用于溫度提升的情況。因此，表1.1中列

出的溫度范圍只能用作參考，表明在該溫度下，碟形彈簧可以表現(xiàn)出

與室溫時(shí)相同的性能。

必須注意，材料的彈性模量或多或少總會(huì)低于上限工作溫度時(shí)的

彈性模量。鑒于這種情況，熱穩(wěn)定材料碟型彈簧可以在高于表L1所

列溫度150C溫度下使用。

通常情況下，穩(wěn)定材料的碟型彈簧的交貨期比較長(zhǎng)。如果原料有

庫(kù)存，交貨期與常規(guī)材料碟型彈簧相同。Nimonic90比Inconelx750

或Inconel780更適用于極高溫度情況下，需要說(shuō)明的是，熱穩(wěn)定性

材料的成本通常都比較高。

2.6防腐蝕

Mubea碟型彈簧在高應(yīng)力條件下工作要承受極高的載荷。因此，

必須采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)防止由于化學(xué)或電化學(xué)侵蝕而損壞碟型彈簧

的表面。表1.5列出了一些耐腐蝕表面涂層方式及DIN50021標(biāo)準(zhǔn)要求

的相關(guān)鹽霧實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表中列出的鍍鋅和鍍銀涂層厚度為可獲得腐蝕防護(hù)作用的實(shí)列，

其它情況下，也可采用更厚的涂層厚度。機(jī)械鍍鋅和化學(xué)鍍銀的涂層

厚度也可以達(dá)50URL對(duì)疊合組合碟型彈簧組而言，單片彈簧間的

相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使表面邊緣處的涂層出現(xiàn)一些特殊問(wèn)題，這種情況下，請(qǐng)

與Mubea聯(lián)系。

2.7磷化涂層

鋅磷化+涂油/蠟

鋅磷化和涂油是DIN2093標(biāo)準(zhǔn)和Mubea工廠標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碟型彈簧進(jìn)行

的標(biāo)準(zhǔn)防腐涂層方式。磷化過(guò)程中，細(xì)晶結(jié)構(gòu)的磷酸鹽沉淀在基體金

屬上，形成保護(hù)膜。如進(jìn)一步與涂油或打蠟覆蓋層相結(jié)合，則可獲得

更耐久的防腐作用。

由于生產(chǎn)限制，只能為外徑大于100mm的碟型彈簧涂蠟。這種防

腐方式通常用于室內(nèi)或室外有防雨措施的情況。

鎰磷化

按照客戶要求，Mubea也可對(duì)碟型彈簧進(jìn)行鎰磷化涂層。猛磷化

涂層不具防腐作用。只是用作潤(rùn)滑層。通過(guò)對(duì)鋅磷化碟型彈簧進(jìn)行涂

油可以獲得一定的防腐作用，該作用僅適于運(yùn)輸和庫(kù)存。

2.8電鍍

金屬覆層從溶液中分離出來(lái)時(shí)，氫氣會(huì)在彈簧表面擴(kuò)散。這種情

況在高強(qiáng)度彈簧鋼用作碟型彈簧原材料時(shí)更為常見(jiàn)。氫氣擴(kuò)散導(dǎo)致脆

性斷裂（氫脆）。電鍍之后采用合適的熱處理方法（擴(kuò)散退火）可以

降低氫脆傾向，但不能完全消除。由于氫脆的影響，盡可能不要采用

電鍍方式對(duì)碟型彈簧進(jìn)行表面防腐涂層。

電鍍鋅

與鋼相比，鋅的化學(xué)穩(wěn)定性較好。其防腐作用一方面是鋅在空氣

中產(chǎn)生鈍化層而保護(hù)其體金屬，另一方面在鋅層被損壞后能產(chǎn)生陰極

保護(hù)，其耐腐蝕程度與鋅層厚度成正比。通過(guò)在鋅層表面鍍銘，可以

進(jìn)一步改善鍍層的耐腐蝕性能，鍍銘層可鍍成不同顏色而起到裝飾作

用。為消除氫脆影響，電鍍后的熱處理除氫非常必要的。電鍍保護(hù)的

碟型彈簧可用于室內(nèi)和室外。

2.9機(jī)械鍍鋅

機(jī)械鍍鋅可以產(chǎn)生與電鍍相同的防腐效果，但不會(huì)出現(xiàn)氫脆現(xiàn)

象。機(jī)械鍍鋅時(shí)，采用滾鍍法將鋅粉裝到碟型彈簧表面。建議在鍍鋅

層外鍍銘。機(jī)械鍍鋅彈簧的應(yīng)用范圍與電鍍鋅零件一樣。

Delta-Tone-/Delta-Seal覆層

Delta-Tone是一種由鋅和鋁的混合物組成的無(wú)機(jī)涂層。通過(guò)烘

烤，可以獲得亮銀色高耐腐蝕性防護(hù)層。

該防護(hù)層具有導(dǎo)電性，因此可以避免陽(yáng)極腐蝕，并且無(wú)氫脆現(xiàn)象。

Delta-Seal是一種有機(jī)的、在被涂表面高度交聯(lián)、形成微觀保

護(hù)層的涂層。通過(guò)相應(yīng)的涂覆和烘烤過(guò)程之后產(chǎn)生粘附牢固、耐化學(xué)

腐蝕的涂層。Delta-Seal層也可以作為耐久干態(tài)潤(rùn)滑層起到“內(nèi)部

潤(rùn)滑劑”的作用。Delta-Tone和Delta-Sea層不含重金屬。這種成

本較高的防腐工藝通常被用于室外條件下碟型彈簧的防腐保護(hù)。

達(dá)克羅覆層

達(dá)克羅是一種經(jīng)烘烤行成粘附牢固的，以鋅或鋁及其鋁酸鹽為主

要成份的無(wú)機(jī)防腐涂層。該涂層能夠滿足高標(biāo)準(zhǔn)的防腐要求。止匕外，

涂層具有耐熱性好，摩擦系數(shù)低、無(wú)氫脆現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)。

3.碟形彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算（一）

3.1碟型彈簧理論

碟型彈簧是承受軸向載荷的錐形環(huán)狀盤(pán)片。一般情況下，盤(pán)片厚度恒

定不變，載荷均勻分布在上表面內(nèi)邊緣和下表面外邊緣。碟型彈簧通

常用彈簧鋼制成，可以承受靜態(tài)載荷，非交變載荷或動(dòng)態(tài)載荷，能夠

滿足嚴(yán)格的疲勞壽命和加載損失的要求。

與其它類型彈簧相比，碟型彈簧具有如下特性：

I小變形，大承載能力

I與其它類型彈簧相比，具有較高的空間利用率

I正確的尺寸設(shè)計(jì)可以獲得高疲勞壽命和低加載損失/蠕變傾向

I不同的彈簧組合方式可以獲得所需要的載荷特性曲線

I可以采用各種特殊材料和表面涂層方式

I采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸產(chǎn)品可以降低成本。

性能和結(jié)構(gòu)

載荷特性曲線反映碟型彈簧的載荷-變形特性。根據(jù)尺寸情況，載荷

特性曲線或多或少都是逐步遞減直至水平狀態(tài)。

特殊情況下，也可將其設(shè)計(jì)成變形超出水平狀態(tài)。碟型彈簧通常作為

模塊化組件使用。一組單片碟型彈簧按照相同方向疊合使用，稱作疊

合組合碟型彈簧：反之，一組單片碟型彈簧按照不同方向交替對(duì)合使

用，稱作對(duì)合組合碟型彈簧。疊合組合情況下，碟型彈簧組的變形與

單個(gè)彈簧相同，給定變形量時(shí)的載荷則是單個(gè)彈簧的n倍（n=碟型

彈簧組內(nèi)單片彈簧片數(shù)）。對(duì)合組合情況下，碟型彈簧組變形時(shí)彈簧

組內(nèi)單片彈簧變形量的總和，載荷則與單片彈簧相同。對(duì)于由單片碟

型彈簧或彈簧組組成的組合碟型彈簧的變形和載荷計(jì)算，上述因素應(yīng)

考慮在內(nèi)。

可以通過(guò)將由不同片數(shù)碟型彈簧組成疊合組合彈簧或不同厚度的單

片碟型彈簧組合成碟型彈簧組來(lái)獲得遞增的載荷特性曲線，在這種情

況下，彈簧組達(dá)到壓平位置或極限行程后，單片彈簧或組合彈簧將不

再對(duì)彈簧的變形量產(chǎn)生影響。

3.碟形彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算（二）

3.2按照DIN2093分類

碟型彈簧的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和生產(chǎn)已按照DIN2092標(biāo)準(zhǔn)（碟型彈簧、

計(jì)算）和DIN2093標(biāo)準(zhǔn)（碟型彈簧、尺寸、質(zhì)量要求）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

按照DIN2093標(biāo)準(zhǔn)，碟型彈簧可以分為三組：

I第一組：盤(pán)片厚度t小于1.25mm

I第二組：盤(pán)片厚度t1.25mm至6mm

I第三組：盤(pán)片厚度t大于6mm至14mm

第一組和第二組彈簧沒(méi)有支撐面，第三組彈簧帶有支撐面

下表為DIN2093標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碟型彈簧生產(chǎn)的要求

表面光潔度

組別加工方法

上表面和下

內(nèi)邊緣

表面

Ra<

1沖壓、冷成形、倒角Ra<3.2

12.5

沖壓、冷成形、De和Di車削，Ra<

Ra<6.3

2倒角6.3

精密切割、冷成形Ra<6.3Ra<

3.2

冷成形或熱成形，四周切削，Ra<

3Ra<12.5

倒圓12.5

其它加工方法，如激光束切割、水射流切割等可用于特殊碟型彈簧的

生產(chǎn)。除矩形截面，邊緣倒圓的碟型彈簧外，還有以下類型的碟型彈

簧：

I梯形截面碟型彈簧

I開(kāi)槽型碟型彈簧

開(kāi)槽型碟型彈簧廣泛用于連軸器和變速箱，而矩形截面碟型彈簧的應(yīng)

用則并不常見(jiàn)。

3.碟形彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算（三）

3.3單個(gè)碟形彈簧的計(jì)算

DIN2092標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)闡述了碟型彈簧變形行為的計(jì)算公式，該計(jì)算過(guò)程

由ALMEN和LASZLO推導(dǎo)。盡管還有其它一些更為精確的分析等式，

但該公式的準(zhǔn)確性足以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

按照這些分析等式，碟型彈簧的變形行為被假設(shè)為矩形截面圓環(huán)繞轉(zhuǎn)

動(dòng)中心S的一維旋轉(zhuǎn)過(guò)程，忽略徑向應(yīng)力，只考慮切向應(yīng)力。不考慮

材料塑性變形和變形殘余應(yīng)力，變形過(guò)程中橫截面積矩形，載荷始終

施加內(nèi)外邊緣I和IH處。Mubea公司提供碟形彈簧的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)

計(jì)程序。

3.4按照DIN加載的無(wú)支撐面碟形彈簧

說(shuō)明

碟型彈簧載荷特性曲線的形狀由ho/t值決定。假定在容許的載荷極

限內(nèi)彈簧變形不受限制，可獲得圖所示的載荷特性曲線。

按照DIN2093標(biāo)準(zhǔn)化的A、B、C三種系列碟形彈簧的載荷特性曲線如

下

3.碟形彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算（四）

3.5加載應(yīng)力

在碟型彈簧加載變形過(guò)程中，軸向應(yīng)力很小，可忽略不計(jì)，因此其疲

勞壽命切向應(yīng)力影響。通常情況下，碟片上表面承受壓應(yīng)力，下表面

承受拉應(yīng)力。

實(shí)際上，碟型彈簧的計(jì)算應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力并不一致，這是由于噴丸處

理和強(qiáng)壓處理過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所致，實(shí)際應(yīng)力由殘余應(yīng)力和加

載應(yīng)力所組成。彈簧的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度主要受碟片下表面的拉應(yīng)力影響，由

于生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，碟型彈簧的計(jì)算應(yīng)力高于實(shí)際應(yīng)力。

基于不同的ho/t值，碟形彈簧橫截面n點(diǎn)（下表面內(nèi)邊緣）或in

（下表面外邊緣）為最大拉應(yīng)力點(diǎn)。

彈簧上表面內(nèi)邊緣，即橫截面I點(diǎn)為最大壓應(yīng)力點(diǎn)，該應(yīng)力直接影響

彈簧的預(yù)壓變形，該變形是由于變形量超出碟形彈簧材料的彈性極限

而產(chǎn)生的塑性變形導(dǎo)致，從而使彈簧自由高度減小。如下圖

3.6通過(guò)縮智短力臂加載的無(wú)支撐面碟形彈簧

對(duì)于曲線的變形模型來(lái)講，載荷通過(guò)縮短的力臂加載，獲得給定變形

量時(shí)所需的力矩與通過(guò)橫截面I點(diǎn)和in點(diǎn)加載時(shí)相同，而力臂的縮

短則要求對(duì)彈簧施加更大的載荷，因此這種情況下獲得的彈簧載荷特

性曲線要比正常情況下陡峭。但彈簧計(jì)算載荷應(yīng)力不受加載點(diǎn)影響，

而只與彈簧錐角大小有關(guān)，如下圖

I。。"”.。a

________4______

有支撐面的碟形彈簧

支撐面僅用于厚度大于6mm的碟形彈簧（DIN2093標(biāo)準(zhǔn)，第三組）。采

用支撐面使彈簧承載面積增大，從而減少導(dǎo)向件與彈簧之間的摩擦。

承載點(diǎn)也由外邊緣de變?yōu)閐e',由內(nèi)邊緣di變?yōu)閐i，。這種變化

導(dǎo)致力臂縮短、載荷特性曲線變陡。如下圖

3.碟形彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算（五）

有支撐面碟形彈簧的設(shè)計(jì)載荷F（變形量S=0.75?ho）與相同尺寸

De、Di及l(fā)o的無(wú)支撐面碟型彈簧相同，這是由于支撐面的存在使力

臂縮短而需要增加載荷，同時(shí)使厚度減薄而導(dǎo)致載荷減小，二者相互

抵消。由于要求相同的自由高度1。，有支撐面的碟型彈簧須具有較

大的錐角6。'>4）0o這就導(dǎo)致其載荷特性曲線除立直高度點(diǎn)廣

（s=0.75ho）F=（s=0.75h。）外,與標(biāo)準(zhǔn)碟形彈簧特性曲線略有偏差。

自由狀態(tài)下對(duì)合組合彈簧組高度可由下式計(jì)劃計(jì)算:

Lo=i,lo

如忽略摩擦，可得到下列等式：

變形量:Stot=i*s

載荷:Ftot=F

漸增型載荷特性曲線

由不同數(shù)量碟型彈簧組成的的疊合組合彈簧組，進(jìn)而組成對(duì)合組合彈

簧組（內(nèi)部摩擦較大），或由不同厚度和自由高度的單片彈簧組成對(duì)

合組合彈簧組（內(nèi)部摩擦較?。┚色@得漸增型載荷特性曲線。這是

由于承載力較小的對(duì)合彈簧組或單片彈簧在達(dá)到壓平位置或變形極

限后，將不再對(duì)整個(gè)彈簧組的性能起作用，如下圖

DIN2093標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了盤(pán)片厚度由t減到t'的情況。A、B系列彈

簧t'與t之間的平均厚度減薄比為0.938,C系列彈簧t'與t之間

的平均厚度比為0.995。由于支撐面的存在，已不必對(duì)橫截面邊緣

I…IV角點(diǎn)的載荷應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。因此計(jì)算應(yīng)力或多或少高于用更為

精確的方法計(jì)算的角部實(shí)際應(yīng)力。由于這些數(shù)值只是一些名義值，因

此偏差并不重要。

3.7特殊情況

特殊材料碟形彈簧

適用于矩形彈簧截面碟形彈簧特征方程計(jì)算出的彈簧承載力高于

E=206000N/mm2.u=0.3的彈簧鋼達(dá)8%至9%,但可以通過(guò)由于I點(diǎn)和

HI點(diǎn)處的倒角引起的力臂縮短來(lái)補(bǔ)償，因此該鋼種碟型彈簧的計(jì)算

載荷和實(shí)測(cè)載荷基本相近。但對(duì)于特殊材料，尤其是泊送比u較

大的材料，這種情況不再成立。

極薄碟形彈簧

對(duì)于De/t>40的極薄碟形彈簧，特性方程計(jì)算出的彈簧承載力過(guò)大,

此時(shí)，碟形彈簧截面不再保持矩形，而且必須考慮到變形超出橫截面

的情況（特別是使用有限元分析）。

極小直徑比碟形彈簧

計(jì)算De/DiVI.8碟形彈簧的載荷特性曲線時(shí)，必須考慮由于倒角引

起的力臂縮短，否則會(huì)出現(xiàn)計(jì)算承載力過(guò)低的現(xiàn)象。

3.6碟形彈簧組合

碟型彈簧可以以多種方式組合、對(duì)合組合或混合組合碟型彈簧組。下

述內(nèi)容用于無(wú)支撐面的碟型彈簧，也同樣可以用于有支撐面碟型彈

簧，但必須考慮到彈簧厚度由t減少到管造成的疊合組合彈簧高度

減小或?qū)辖M合彈簧組中的疊合組合彈簧高度減小的影響。

彈簧組設(shè)計(jì)

疊合組合碟形彈簧組

由n片單彈簧平行放置組成的碟形彈簧組，其變形量恒定載荷則是單

片彈簧計(jì)算載荷的n倍。如下圖

自由狀態(tài)下彈簧組的高度可由下式計(jì)算:

Lo=lo+(n-l)*to

如忽略摩擦，可得到下列等式:

變形量：Sot=s

載荷:Ftot=n*F

對(duì)合組合碟形彈簧組

由i片單片彈簧串行放置組成的碟型彈簧組，其載荷恒定而變形量則

是單片彈簧變型量的i倍，如下圖

4.彈簧組設(shè)計(jì)指南及彈簧組導(dǎo)向（一）

4.1彈簧組設(shè)計(jì)指南

碟型彈簧組設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮下列因素：

I如果單片彈簧不能達(dá)到行程要求時(shí)，采用由單片彈簧組成的對(duì)合

組合彈簧組。

I如果安裝空間有限，而要達(dá)到較高的承載能力時(shí)，采用單片彈簧

組成的疊合組合彈簧組。

I采用大直徑彈簧可以相應(yīng)降低其自由高度。

I通常情況下，疊合組合彈簧組內(nèi)單片彈簧片數(shù)不應(yīng)超過(guò)2個(gè)到4個(gè),

這是由于隨著彈簧片數(shù)的增加，其內(nèi)部彈簧間的摩擦將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算和

實(shí)測(cè)的碟型彈簧特性曲線之間的偏差增大（Mubea碟形彈簧計(jì)算程序

不考慮摩擦的影響）。

4.2彈簧組導(dǎo)向

對(duì)合組合彈簧組合疊合組合彈簧組均需導(dǎo)向，該導(dǎo)向可由下列導(dǎo)向

元件來(lái)實(shí)現(xiàn)：

I導(dǎo)向桿（內(nèi)部導(dǎo)向）

I導(dǎo)向套（外部導(dǎo)向）或通過(guò)

I自定位裝置（滾珠導(dǎo)向）或硬化鋼絲

內(nèi)導(dǎo)向和外導(dǎo)向元件的整個(gè)長(zhǎng)度方向均需拋光和硬化，表面硬度應(yīng)至

少為55HRC。

在靜態(tài)載荷或非交變載荷條件下，可采用未經(jīng)硬化的導(dǎo)向件。碟型彈

簧組可以通過(guò)外徑和內(nèi)徑施加載荷，但通過(guò)內(nèi)徑加載將使接觸壓力增

大。

對(duì)于內(nèi)外兩種導(dǎo)向方式，彈簧與導(dǎo)向件之間都需要一定的間隙，T,以

保證潤(rùn)滑劑有充分的流動(dòng)空間，從而確保導(dǎo)向正確。根據(jù)盤(pán)片內(nèi)徑

Di（內(nèi)部導(dǎo)向）和盤(pán)片外徑De（外部導(dǎo)向）給出的對(duì)兩種導(dǎo)向方式總間

隙T的規(guī)定

DiorDeTotalclearanceT

(mrn)(mm)

一uptoI6Q0,2

owe，16upto20.0o,3

ove，2。uptn>6,o04

overuptoji.so.S

ove，315upto50,00,6

over5。upto8c,00.8

over80upto140.01.0

over140upto250.01,6

over-2.0

4.彈簧組設(shè)計(jì)指南及彈簧組導(dǎo)向（二）

自定位碟形彈簧組

自定心碟型彈簧組可以不使用內(nèi)外導(dǎo)向。目前使用的自定心碟

型彈簧組有三種類型。

滾珠導(dǎo)向的碟形彈簧組

碟型彈簧內(nèi)外邊緣均帶有水平環(huán)狀槽，內(nèi)裝經(jīng)硬化過(guò)的鋼珠進(jìn)行導(dǎo)

向。該種導(dǎo)向方式幾乎不產(chǎn)生摩擦。滾珠定位主要用于由較大尺寸彈

簧組成的碟型彈簧組。

其它導(dǎo)向方式

固定圈、T字圈也可須知于碟型彈簧組的定位

鋼絲定位碟形彈簧組

鋼絲定位碟型彈簧組是替代滾珠定位彈簧組的一種低成本定位方

法，采用鋼絲替代滾珠。但摩擦要比滾珠定位稍大些。

5.計(jì)算許用載荷應(yīng)力

計(jì)算許用載荷應(yīng)力

碟形彈簧的許用應(yīng)力主要取決于其承受的載荷類型。

hme

三種載荷類型:

a）在要求的壽命期限內(nèi)，載荷循環(huán)次數(shù)少于104靜態(tài)或非交變載荷

b）在要求的壽命期限內(nèi)，載荷循環(huán)次數(shù)為104VNV2?106的交變載

荷

c）在要求的壽命期限內(nèi)，載荷循環(huán)數(shù)為N>2?106的交載荷

a）靜態(tài)載荷和非交變載荷的應(yīng)用情況，對(duì)單個(gè)彈簧上表面內(nèi)邊緣（橫

截面位置I處）的最大計(jì)算應(yīng)力要求最為嚴(yán)格。橫截面I處的應(yīng)力至

關(guān)重要并決定彈簧的加載損失。由按照DIN17221和DIN17222規(guī)定的

高牌號(hào)鋼種制成的碟型彈簧，橫截面I處在水平位置SC=HO的計(jì)算

壓縮應(yīng)力不應(yīng)超出表所列的數(shù)值。

在壓縮應(yīng)力較高的情況下，彈簧承受較大的載荷。特殊尺寸情況下，

最大允許計(jì)算壓縮應(yīng)力會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)要求，這種彈簧也將隨較大的載荷

（N/mm，）

IS-2600

2>0-3400

2,5-jtoo

b）和c）：對(duì)于承受振動(dòng)載荷的碟在壓縮應(yīng)力較高的情況下，彈簧承

受較大的載荷。特殊尺寸情況下，最大允許計(jì)算壓縮應(yīng)力會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)

要求，這種彈簧也將隨較大的載荷。

b）和c）：對(duì)于承受振動(dòng)載荷的碟在壓縮應(yīng)力較高的情況下，彈簧承

受較大的載荷。特殊尺寸情況下，最大允許計(jì)算壓縮應(yīng)力會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)

要求，這種彈簧也將隨較大的載荷。

b）和c）：對(duì)于承受振動(dòng)載荷的碟型彈簧來(lái)講，下表面的最大拉應(yīng)力

是至關(guān)重要的。疲勞斷裂也往往在彈簧下面產(chǎn)生。斷裂將會(huì)從橫截面

II或in處開(kāi)始產(chǎn)生，這取決于其承受的循環(huán)應(yīng)力，承受較高循環(huán)

應(yīng)力處將會(huì)最先發(fā)生斷裂。

6.最小預(yù)緊載荷

最小預(yù)緊載荷

承受振動(dòng)載荷的彈簧在安裝時(shí)需要足夠的預(yù)緊載荷來(lái)防止上表面

內(nèi)邊緣（橫截面I）開(kāi)裂。殘余拉應(yīng)力的影響將導(dǎo)致彈簧在強(qiáng)壓處

理過(guò)程中上表面內(nèi)邊緣產(chǎn)生徑向表面裂紋。

經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)DIN標(biāo)準(zhǔn)碟形彈簧來(lái)講，最小壓力縮應(yīng)力I應(yīng)為大

約-GOON/mm?。這主要取決于預(yù)緊變形量Su=O.15?ho…0.20?ho,壓平

狀態(tài)時(shí)應(yīng)力較低的彈簧其預(yù)緊變形量相應(yīng)的可以較小。相反，壓平狀

態(tài)應(yīng)力較高的彈簧則需要較大的預(yù)緊變形量。

7.疲勞強(qiáng)度值（一）

疲勞強(qiáng)度值

以下所示疲勞強(qiáng)度圖的獲得基于Mubea對(duì)碟型彈簧多年的測(cè)試結(jié)果。

這些結(jié)果中所示為決定碟型彈簧疲勞壽命的下表面許用計(jì)算應(yīng)力。疲

勞強(qiáng)度圖也對(duì)不同彈簧的尺寸、厚度以及載荷循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

該圖表適用于50CrV4作原材料的第二組和第三組碟形彈簧以及Ck67

作原料的第一組碟形彈簧。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，獲得最大疲勞壽命的條件

下，下列幾種情況占99%：

a）最多由10片單片彈簧組成對(duì)合組合彈簧組

b）在允許的溫度條件下，碟型彈簧或彈簧組的變形曲線必須為隨時(shí)間

變化的正弦曲線，即在恒定的頻率下具有恒定的變形量。

C）碟型彈簧組必須按照要求采用導(dǎo)向元件（導(dǎo)向元件或?qū)蛱祝┻M(jìn)行

裝配。載荷必須通過(guò)已經(jīng)進(jìn)行硬化和拋光的盤(pán)面施加在彈簧組兩端。

d）適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑條件

e）在室溫和正常大氣條件下使用（即無(wú)較高的空氣濕度、無(wú)化學(xué)腐蝕

等）。

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