Prawidłowy dobór podkładki Belleville wymaga dopasowania trzech parametrów do Twojego zastosowania: serię DIN (która określa krzywą siły-ugięcia), grubość materiału i konfigurację układania w stosy . Częstym błędem jest traktowanie tych podkładek jako prostych sprężyn o dużej wytrzymałości. W rzeczywistości zachowanie pojedynczej podkładki zmienia się drastycznie w zależności od stosunku wysokości do grubości. Całkowite spłaszczenie podkładki wymaga użycia siły, która może być nawet trzykrotnie większa niż jej początkowe obciążenie odginające, co często prowadzi do uszkodzenia złącza, jeśli nie zostanie uwzględnione w fazie projektowania.
Zrozumienie systemu serii DIN EN 16983
Podkładki Belleville nie są produktem uniwersalnym. Dotychczasowa norma DIN 2093, obecnie włączona do normy DIN EN 16983, dzieli podkładki na trzy odrębne serie w oparciu o ich stosunki wymiarowe. Litera serii bezpośrednio informuje o profilu sztywności podkładki. Użycie podkładki serii A w wrażliwym kołnierzu aluminiowym spowoduje osadzenie i odkształcenie, podczas gdy podkładka serii C może nie zapewnić wystarczającego obciążenia resztkowego zacisku, aby zapobiec samoluzowaniu się w środowisku wibracyjnym.
| Charakterystyka obciążenia i ugięcia według serii DIN EN 16983 | |||
| Seria | Stosunek h0/t (w przybliżeniu) | Kształt krzywej siły | Typowe zastosowanie |
| Seria A | ~0,4 | Prawie liniowy, duża siła | Wysoka nośność, ograniczona przestrzeń |
| Seria B | ~0,75 | Progresywny, standardowy | Inżynieria ogólna, cykle termiczne |
| Seria C | ~1,3 | Regresywny (prawie płaska środkowa część) | Stałe obciążenie w szerokim zakresie ugięcia |
Seria B to podstawa w przypadku większości połączeń śrubowych wymagających odporności na wibracje. Po spłaszczeniu podkładki serii B do 75% jej całkowitego dostępnego ugięcia, wzrost obciążenia jest stabilny i przewidywalny. Podkładki serii C są wyjątkowo dostosowane do dynamicznych środowisk termicznych, ponieważ mogą absorbować znaczne wydłużenie osiowe śruby bez zwielokrotniania siły zacisku na tyle, aby zatrzasnąć łącznik.
Obliczanie prawidłowego rozmiaru śruby
Fizyczna geometria podkładki musi pasować do trzpienia śruby i powierzchni współpracującej. Obejmuje to trzy krytyczne kontrole wymiarowe. Po pierwsze, wewnętrzna średnica podkładki musi przekraczać większą średnicę gwintu śruby z minimalnym odstępem; niechlujne dopasowanie powoduje tutaj obciążenie mimośrodowe. Po drugie, zewnętrzna średnica podkładki decyduje o naprężeniu łożyska na zaciskanym materiale. Jeżeli powierzchnia pod podkładką jest miękka, przekroczenie granicy plastyczności na ściskanie prowadzi do relaksacji osadzenia. Po trzecie, grubość podkładki i wysokość stożka w stanie nieobciążonym określają, jak bardzo można ją ścisnąć, zanim stwardnieje. Nie można dopuścić, aby podkładka Belleville osiągnęła płaską pozycję przy normalnym obciążeniu roboczym; należy pozostawić margines bezpieczeństwa wynoszący co najmniej 10-15% całkowitego skoku ugięcia aby zapobiec stałemu kontaktowi.
Dopasowanie ID podkładki do rozmiaru śruby
Standardowe rozmiary metryczne są pogrupowane. Podkładka przeznaczona do śruby M8 ma zazwyczaj średnicę wewnętrzną około 8,4 mm. Jednakże w zastosowaniach konstrukcyjnych wykorzystujących gwinty walcowane rzeczywista średnica korpusu śruby może być nieco niższa od nominalnej. Jako punkt odniesienia sprawdź następujące pary:
- Śruba M6 wymaga podkładki o średnicy wewnętrznej ~6,4 mm, średnicy zewnętrznej zwykle 12,5 mm lub 14 mm.
- Śruba M12 wymaga podkładki o średnicy wewnętrznej ~13 mm, średnicy zewnętrznej zazwyczaj 23 mm lub 28 mm.
- Śruba M20 wymaga podkładki o średnicy wewnętrznej ~21 mm, średnicy zewnętrznej zazwyczaj 36 mm lub 40 mm.
Wybór zbyt dużej średnicy zewnętrznej powoduje rozłożenie siły reakcji na większym obszarze, zmniejszając nacisk powierzchniowy. Ma to kluczowe znaczenie podczas mocowania kołnierzy z włókna szklanego lub miękkiego aluminium, gdzie naprężenie powierzchniowe musi pozostać poniżej 100 MPa .
Konfiguracje układania i ich współczynniki wiosenne
Układanie w stosy zmienia granicę wydajności pojedynczej podkładki. Trzy podstawowe układy układania w stosy dają całkowicie różne tożsamości ugięcia obciążenia. Stos równoległy zwielokrotnia siłę wymaganą dla danego ugięcia, podczas gdy stos szeregowy mnoży całkowite ugięcie dostępne dla danej siły. Mieszanie ich tworzy progresywny system sprężyn z punktem kolanowym na krzywiźnie.
Układanie równoległe w celu zwiększenia siły
Załóż identyczne podkładki jedna w drugą, wszystkie zorientowane w ten sam sposób. Dwie podkładki połączone równolegle podwajają siłę wyjściową przy tym samym ugięciu. Pięć równoległych podkładek zwiększa pięciokrotnie siłę. Jednak tarcie pomiędzy zagnieżdżonymi stożkami zwiększa histerezę. W praktyce stos czterech podkładek połączonych równolegle doświadcza a utrata tarcia około 6-8% w porównaniu z teoretycznym mnożeniem liniowym. Smarowanie współpracujących powierzchni pastą dwusiarczku molibdenu jest konieczne w celu przewidywalnej konwersji momentu obrotowego na napięcie wstępne w równoległych stosach przekraczających trzy podkładki.
Układanie serii w przypadku długich podróży
Zmieniaj położenie każdej podkładki, tak aby były naprzeciw siebie. Dwie podkładki połączone szeregowo podwajają całkowitą zdolność odkształcania przy tym samym poziomie siły. Stos czterech połączonych szeregowo zapewnia czterokrotny skok. Układ ten jest idealny do obciążania pod obciążeniem kołnierza śrubowego narażonego na cykliczną rozszerzalność cieplną. Stos działa jak podatna sprężyna, utrzymując obciążenie zacisku w szczelinie, która rozszerza się i kurczy o kilka milimetrów.
Mieszane układanie dla progresywnych krzywych
Połącz zestaw podkładek równoległych z zestawem podkładek szeregowych. Typową konfiguracją jest stos „potrójnie równoległy, podwójny szereg”. Oznacza to trzy podkładki zagnieżdżone razem (równolegle), a następnie dwie z tych potrójnych podkładek przeciwstawnych (szeregowo). Krzywa sprężyny początkowo podąża sztywną ścieżką równoległych trójek o dużej sile. Jeśli połączenie ulegnie niewielkiemu oddzieleniu pod wpływem przeciążenia, połączenie szeregowe załączy się, a napięcie sprężyny drastycznie zmniejszy się, zapobiegając gwałtownemu wzrostowi naprężenia śruby, który w przeciwnym razie spowodowałby uszkodzenie zmęczeniowe.
Wybór materiału i interfejsy korozyjne
Metal nieszlachetny podkładki decyduje o jej trwałości zmęczeniowej i odporności na korozję. Standardowa stal węglowa (C67S, 1.5014) hartowana i odpuszczana do 42-48 HRC nadaje się do większości zastosowań wewnętrznych. W przypadku śrub konstrukcyjnych na zewnątrz lub w środowiskach morskich wymagana jest stal nierdzewna AISI 316 lub Inconel 718, ale charakteryzują się one znacznym obniżeniem sztywności na rozciąganie w porównaniu ze stopową stalą sprężynową.
| Materiał | Zakres twardości | Maksymalna temperatura robocza | Odporność na korozję |
|---|---|---|---|
| C67S (1.5014) | 42-48 HRC | 120°C (bez powłoki) | Niska (wymaga powłoki) |
| 51CrV4 (1.8159) | 45-51 HRC | 180°C | Niski-Średni |
| AISI 316 (1.4401) | ~35 HRC maks | 280°C | Wysoka (odporność na chlorki) |
| Inconel 718 | 36-44 HRC | 600°C | Znakomicie |
Nigdy nie łącz podkładki Belleville z twardej stali węglowej ze śrubą z miękkiej stali nierdzewnej bez pośrednio hartowanej podkładki płaskiej. Stożkowa krawędź podkładki sprężystej wciśnie się w powierzchnię nośną śruby, tworząc nadwyżkę naprężenia, która inicjuje pęknięcia zmęczeniowe. Cienka, utwardzana powierzchniowo płaska podkładka ze ściętym otworem chroni promień zaokrąglenia łba śruby.
Ustawianie napięcia wstępnego za pomocą podkładek Belleville
Użycie momentu obrotowego do ustawienia napięcia wstępnego stosu Belleville jest zawodne, ponieważ ugięcie sprężyny, a nie moment obrotowy, określa siłę zacisku. Prawidłową metodą jest obliczenie ugięcia sprężyny przy żądanym napięciu wstępnym, a następnie dokręcenie jej do momentu zmierzenia fizycznego ugięcia. W przypadku pojedynczej podkładki serii B o całkowitym skoku 2,15 mm można celować Ugięcie 1,5 mm (70% skoku) aby osiągnąć znamionowe obciążenie płaskie. Sprawdza się to za pomocą czujnika zegarowego lub mikrometru głębokościowego mierzącego szczelinę pomiędzy zaciskanymi płytkami. Jeżeli stos podkładek jest ukryty, zastosować naprężenie hydrauliczne lub zmierzyć rozciągnięcie śrub ultradźwiękowo. Poleganie na samym kluczu dynamometrycznym może spowodować rozproszenie napięcia wstępnego ±25% , co często przekracza sprężysty zakres pracy podkładki.
Unikanie typowych trybów awarii
Uszkodzenie zmęczeniowe zwykle rozpoczyna się na wewnętrznej krawędzi podkładki, gdzie podczas ściskania skupiają się naprężenia rozciągające. Śrutowanie wklęsłej powierzchni podkładki opóźnia inicjację pęknięć. Upewnić się, że powierzchnia nośna względem średnicy wewnętrznej jest wolna od ostrych zadziorów i odprysków spawalniczych. Zadzior na trzpieniu śruby działa jak narzędzie tnące, nacinając otwór podkładki i powodując początek pęknięcia. Kolejną pomijaną porażką jest odwrócone układanie. Jeśli pojedyncza podkładka zostanie przypadkowo odwrócona, złącze całkowicie traci swoją funkcję sprężyny i staje się złączem płaskim, podlegającym natychmiastowemu poluzowaniu. Zawsze po montażu zaznaczaj zewnętrzną krawędź równoległych stosów pisakiem, tak aby podczas kontroli wizualnie było widać odwróconą podkładkę.
Lista kontrolna zastosowań dla złączy narażonych na wysokie wibracje
Przed sfinalizowaniem projektu sprawdź te pięć punktów. Po pierwsze, długość śruby w zacisku musi być taka, aby ugięcie podkładki stanowiło znaczącą część całkowitej sprężystości złącza. Po drugie, podkładka nie może być całkowicie spłaszczona przy maksymalnym obciążeniu użytkowym. Po trzecie, powierzchnia nośna musi być utwardzona lub zabezpieczona płaską podkładką. Po czwarte, liczba równoległych podkładek nie powinna przekraczać czterech bez zmniejszania wartości znamionowych ze względu na tarcie. Po piąte, materiał musi wytrzymać górną granicę temperatury otoczenia, nie tracąc panowania nad sobą. Pominięcie którejkolwiek z tych kontroli podważa podstawowy powód wyboru podkładki Belleville zamiast podkładki dzielonej, która traci napięcie po niewielkim osadzeniu.
