Vòng đệm Belleville: Xếp lớp để kiểm soát lực nén trước
Trả lời ngắn gọn: Vòng đệm Belleville là một lò xo đĩa hình nón cung cấp lực cao trong không gian trục rất nhỏ, và đường cong tải trọng – biến dạng của nó có thể điều chỉnh được bằng hình học — chỉ làm phẳng đĩa một phần và đường cong vẫn dốc, hoặc thiết kế chiều cao nón khoảng 1,4 lần chiều dày và lò xo giữ lực gần như không đổi trên một dải biến dạng rộng. Xếp các đĩa song song và lực nhân lên theo số đĩa; xếp chúng nối tiếp và biến dạng nhân lên thay vào đó. Điều đó làm cho Belleville trở thành câu trả lời tiêu chuẩn cho lực nén trước bu lông, bù giãn nở nhiệt và các nhiệm vụ tải cao hành trình ngắn.
Vòng đệm Belleville — cùng một bộ phận mà các kỹ sư gọi là lò xo đĩa hoặc vòng đệm hình nón — trông giống như một vòng đệm phẳng có một hình nón được ép vào. Hình nón đơn giản đó là một lò xo chính xác: mép ngoài của nó tựa trên một đế, mép trong trên đế kia, và việc làm phẳng hình nón tạo ra tải trọng. Bởi vì toàn bộ đĩa làm việc trong nén trên chu vi của nó, một vòng đệm nhỏ có thể chịu lực mà một lò xo xoắn lớn sẽ cần, và các chồng đĩa nhân hành vi theo cả hai hướng. Hướng dẫn này giải thích đường cong tải trọng, phép toán xếp lớp, vật liệu và các quy tắc thiết kế giúp chồng Belleville không bị hỏng trong sử dụng.
Đường cong tải trọng – biến dạng và tỷ lệ h/t
Đặc điểm xác định của Belleville là đường cong tải trọng – biến dạng phi tuyến, và hình dạng của đường cong đó được thiết lập bởi một tỷ lệ: chiều cao nón h chia cho chiều dày vật liệu t. Dưới khoảng h/t = 0,4, đĩa hoạt động gần như tuyến tính, giống như một lò xo đệm cứng. Khi h/t tăng đến khoảng 1,4, đường cong phát triển một vùng phẳng rộng nơi tải trọng gần như không đổi trong khi biến dạng tiếp tục tăng — hành vi lực không đổi nổi tiếng. Đẩy h/t cao hơn nhiều, trên khoảng 2,8, và đường cong phát triển một nhánh giảm dần: vượt qua đỉnh, tải trọng thực sự giảm khi biến dạng tiếp tục, và đĩa có thể bật qua từ hình dạng ổn định này sang hình dạng khác. Việc bật qua đó là một tính năng trong một số cơ cấu lật và là mối nguy trong những cơ cấu khác, vì vậy tỷ lệ h/t phải được chọn có chủ đích, không bao giờ do tình cờ.
| Tỷ lệ h/t | Hình dạng đường cong | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|
| Dưới ~0,4 | Gần như tuyến tính | Đệm cứng, loại bỏ độ rơ, nén trước nhẹ |
| ~0,4 đến ~1,3 | Tăng dần, dốc hơn | Lò xo đĩa thông dụng, chồng có tỷ lệ xác định |
| ~1,4 | Cao nguyên phẳng, lực gần như không đổi | Kẹp tải không đổi, bộ bù |
| Trên ~2,8 | Nhánh giảm dần, có thể bật qua | Hành động bật/lật; tránh cho nén trước thông thường |
Đối với hầu hết các mối ghép bu lông và nhiệm vụ hành trình ngắn, các nhà thiết kế ở trong dải tuyến tính đến tăng dần vừa phải hoặc cố ý chọn vùng phẳng khi tải trọng không được trôi khi các bộ phận mài mòn hoặc giãn nở. Một thay đổi nhỏ về chiều cao nón làm đường cong dịch chuyển đáng kể, đó là lý do tại sao lò xo đĩa được sản xuất với dung sai chiều cao tự do chặt chẽ và tại sao thảo luận về tiêu chuẩn dung sai lò xo lại quan trọng hơn đối với Belleville so với nhiều dạng lò xo khác.
Xếp lớp: Song song, nối tiếp và kết hợp
Một đĩa cho một đường cong. Xếp lớp thay đổi kết quả theo cách cộng đơn giản. Xếp các đĩa cùng hướng — đỉnh với đỉnh — và chúng chia sẻ tải trọng song song: tổng lực nhân lên theo số đĩa trong khi biến dạng mỗi đĩa giữ nguyên. Xếp chúng xen kẽ hướng — đỉnh với đáy — và chúng hoạt động nối tiếp: biến dạng nhân lên theo số đĩa trong khi tải trọng giữ nguyên. Chồng kết hợp kết hợp các nhóm song song và các nhóm đó nối tiếp để đạt được lực và hành trình mà không một kích thước đĩa đơn nào cung cấp.
| Cấu hình | Tổng tải trọng | Tổng biến dạng | Sử dụng khi |
|---|---|---|---|
| Một đĩa | F | s | Không gian tối thiểu, một đĩa đủ |
| n đĩa, song song | n × F | s | Cần thêm lực trong cùng hành trình |
| n đĩa, nối tiếp | F | n × s | Cần thêm hành trình ở cùng lực |
| m nhóm song song × n nối tiếp | m × F | n × s | Cả lực và hành trình đều vượt quá một đĩa |
Hai lưu ý thực tế. Thứ nhất, các đĩa trong chồng song song chỉ chia sẻ tải nếu chiều cao của chúng khớp, vì vậy chúng luôn được cung cấp và lắp ráp thành bộ khớp, và ngay cả khi đó đĩa đầu tiên bị phẳng chịu phần chia không cân đối trừ khi dùng tấm đệm phẳng. Thứ hai, trượt giữa các đĩa tạo ra ma sát và trễ — tải trọng khi đi xuống đọc thấp hơn tải trọng khi đi lên — đó là lý do tại sao lực chồng thường được chỉ định với bôi trơn và tại sao các ứng dụng động cần số lượng chồng chính xác thay vì lạc quan. Nếu mối quan tâm là mỏi, hãy xem xét giới hạn biến dạng mỗi đĩa theo hướng dẫn trong hướng dẫn thiết kế tuổi thọ mỏi lò xo của chúng tôi trước khi hoàn thiện chồng.
Vật liệu, kích thước và xử lý bề mặt
Lò xo đĩa được dập hoặc gia công từ dải và tấm lò xo, sau đó tôi và ram. Dòng tiêu chuẩn châu Âu là DIN 2093, định nghĩa lò xo đĩa hệ mét với đường kính ngoài từ khoảng 6 mm đến 250 mm và chiều dày từ khoảng 0,2 mm đến 14 mm; vật liệu phổ biến là thép crôm-vanadi (51CrV4) vì độ bền và hành vi mỏi, với thép không gỉ và hợp kim nhiệt độ cao cho môi trường đặc biệt.
| Vật liệu | Nhiệt độ làm việc liên tục | Ghi chú |
|---|---|---|
| Crôm-vanadi 51CrV4 / 6150 | ~200-250°C | Mặc định DIN 2093, mỏi tốt |
| Thép carbon (Ck67 v.v.) | ~120-150°C | Kinh tế, sử dụng trong nhà |
| Thép không gỉ 302/301 | ~250-300°C | Chống ăn mòn |
| 17-7PH / Inconel | 350°C trở lên | Nhiệt độ cao, môi trường khắc nghiệt |
Xử lý bề mặt quan trọng không kém vật liệu cơ bản. Mạ phốt phát hoặc kẽm để chống ăn mòn trong nhiệm vụ thông thường, và phun bi trên các mặt chịu kéo cho ứng dụng động, vì lò xo đĩa hỏng do vết nứt mỏi bắt đầu từ các mép trong và ngoài nơi ứng suất uốn tập trung. Set (nén đĩa phẳng một hoặc vài lần trước khi lắp ráp) cải thiện độ ổn định kích thước và là thực hành tiêu chuẩn cho các chồng chính xác — cùng logic đặt trước được sử dụng trong ngành lò xo để khóa đường cong làm việc.
Quy tắc thiết kế cho mối ghép bu lông và nhiệm vụ hành trình ngắn
Đối với nén trước bu lông, một chồng Belleville nằm dưới đầu bu lông hoặc đai ốc và duy trì lực kẹp khi mối ghép lắng, gioăng từ biến hoặc chu kỳ nhiệt độ thay đổi chiều dài bộ phận. Trình tự thiết kế ngắn: xác định lực nén trước mà mối ghép cần, quyết định hành trình giãn mà chồng phải hấp thụ, sau đó chọn một đĩa và cách xếp lớp có tải trọng tại biến dạng làm việc vẫn trên lực kẹp tối thiểu trên toàn dải hành trình. Bởi vì tải trọng Belleville có thể được điều chỉnh để gần như phẳng, một chồng được chọn tốt giữ lực mối ghép ổn định hơn nhiều so với elastomer hoặc lò xo xoắn mềm qua chu kỳ nhiệt độ. Dẫn hướng các đĩa trên trục hoặc trong lỗ với khe hở vừa phải, giữ bề mặt tựa phẳng và song song, và bôi trơn các giao diện trong chồng động để kiểm soát tổn thất ma sát. Không bao giờ tải đĩa vượt quá phẳng cho nhiệm vụ liên tục trừ khi thiết kế cố ý sử dụng vị trí phẳng, vì ứng suất mép tăng mạnh trong vùng đó và từ biến và mỏi theo sau.
Khi vòng đệm Belleville là lựa chọn sai
Belleville khẳng định vị trí với lực cao, hành trình ngắn và không gian trục nhỏ gọn, nhưng chúng không phải là lò xo đa dụng. Chúng cung cấp biến dạng nhỏ trên mỗi đơn vị chi phí so với lò xo xoắn, vì vậy bất cứ thứ gì cần hành trình lớn tốt hơn nên là xoắn ốc hoặc cụm lò xo nén. Chúng cũng truyền tải qua các tiếp xúc mép nhỏ, vì vậy nhiệm vụ rất mềm hoặc chu kỳ rất cao cần xử lý mép cẩn thận. Và trong khi đường cong h/t là một tài sản thiết kế, nó cũng là một cái bẫy: một đĩa được chọn mà không kiểm tra tỷ lệ h/t của nó có thể hoạt động tăng dần, phẳng hoặc bật qua khi nhà thiết kế giả định tuyến tính. Chỉ định kích thước đĩa, cấp h/t và cách xếp lớp rõ ràng trên bản vẽ, và để nhà máy xác minh đường cong trên máy thử lò xo thay vì giả định hành vi danh mục giữ ở điểm làm việc của bạn.
Xác minh chồng Belleville trước sản xuất
Một chồng Belleville nên được xác minh theo cách nó sẽ được sử dụng: tải chồng đã lắp ráp trên máy thử lò xo đã hiệu chuẩn và so sánh lực đo được tại biến dạng làm việc của bạn với đường cong chỉ định. Dung sai tải trọng điển hình cho lò xo đĩa là khoảng ±10-15% tùy thuộc vào cấp được chỉ định, và dung sai áp dụng cho chồng đã lắp ráp, không chỉ một đĩa — đó là lý do tại sao bộ khớp quan trọng trong cấu hình song song. Hai kiểm tra bổ sung bắt được các hỏng hóc mà chỉ hình học không thể. Thứ nhất, đo tải trọng khi đi lên và khi đi xuống: khoảng cách lớn giữa hai số đọc là ma sát và trễ giữa các đĩa, và nó cho bạn biết liệu bôi trơn và xử lý bề mặt có đủ cho nhiệm vụ động không. Thứ hai, xác nhận chồng không bao giờ đạt vị trí phẳng trong sử dụng trừ khi thiết kế cố ý, vì ứng suất tăng gần phẳng là nơi từ biến và nứt mép bắt đầu.
Đối với ứng dụng động, xem xét biến dạng mỗi đĩa theo giới hạn mỏi được khuyến nghị trước khi phê duyệt thiết kế, và phun bi cộng xử lý mép nên được xác nhận trên bản vẽ thay vì giả định. Kiểm tra kích thước thuộc cùng kiểm tra mẫu đầu tiên: chiều cao tự do của chồng, độ song song của các đĩa đầu, và khe hở giữa lỗ đĩa và trục hoặc ống dẫn hướng, vì tiếp xúc mép với dẫn hướng là nguyên nhân phổ biến của hỏng sớm. Một nhà cung cấp gửi mỗi lô với dữ liệu tải tại biến dạng đo được, và đánh dấu bất kỳ thay đổi vật liệu hoặc xử lý nhiệt nào sẽ làm đường cong dịch chuyển, là loại đối tác mà thiết kế quan trọng nén trước cần.
Câu hỏi thường gặp
H: Sự khác biệt giữa vòng đệm Belleville và vòng đệm thông thường là gì?
Đ: Vòng đệm thông thường là một miếng đệm phẳng phân phối tải tĩnh. Vòng đệm Belleville có hình nón và hoạt động như một lò xo: nó biến dạng dưới tải, lưu trữ năng lượng và trở lại, vì vậy nó có thể duy trì nén trước, hấp thụ chuyển động nhiệt hoặc cung cấp lực kiểm soát nơi vòng đệm phẳng chỉ ngồi.
H: Làm thế nào để xếp lớp vòng đệm Belleville để có thêm lực hoặc hành trình?
Đ: Xếp các đĩa cùng hướng cho hành động song song, nhân lực với số đĩa trong khi biến dạng giữ nguyên; xen kẽ hướng cho hành động nối tiếp, nhân biến dạng ở cùng lực. Kết hợp các nhóm song song nối tiếp khi bạn cần cả thêm lực và thêm hành trình.
H: Tỷ lệ h/t có ý nghĩa gì đối với vòng đệm Belleville?
Đ: Đó là chiều cao nón chia cho chiều dày vật liệu, và nó thiết lập hình dạng của đường cong tải trọng – biến dạng: tỷ lệ thấp hoạt động gần như tuyến tính, tỷ lệ gần 1,4 cho vùng lực không đổi phẳng, và tỷ lệ trên khoảng 2,8 có thể tạo ra tải trọng giảm dần và hành vi bật qua. Chỉ định nó có chủ đích cho ứng dụng của bạn.
H: Vòng đệm Belleville có thể được sử dụng cho tải động chu kỳ cao không?
Đ: Có, với thiết kế đúng: giữ biến dạng mỗi đĩa trong dải động được khuyến nghị, phun bi các mặt chịu kéo, và dẫn hướng chồng để ngăn tải mép. Ma sát giữa các đĩa trong chồng song song cũng gây trễ, vì vậy bôi trơn và bộ đĩa khớp là một phần của thiết kế động đáng tin cậy.
H: Có những kích thước vòng đệm Belleville tiêu chuẩn nào?
Đ: Dòng hệ mét DIN 2093 bao gồm lò xo đĩa từ khoảng 6 mm đến 250 mm đường kính ngoài và khoảng 0,2 mm đến 14 mm chiều dày, phổ biến nhất bằng thép crôm-vanadi. Kích thước không tiêu chuẩn được sản xuất bằng dập hoặc gia công cộng tôi và ram khi đường bao yêu cầu.
Tài nguyên liên quan
- Bạn nên sử dụng loại lò xo nào? — so sánh lò xo đĩa với dạng xoắn, sóng và lá trước khi quyết định.
- Sản phẩm lò xo theo yêu cầu — lò xo nén, đĩa và đặc biệt từ nhà máy nguồn tại Dongguan.
- Giới thiệu BQUQ — nhà máy được chứng nhận ISO9001 vận hành dây chuyền lò xo, dập, CNC và tản nhiệt tại Dongguan.
- Liên hệ với chúng tôi — gửi tải trọng, hành trình và đường bao của bạn và nhận báo giá chồng lò xo trong vòng 12 giờ làm việc.
Được viết bởi Đội ngũ Kỹ thuật BQUQ. BQUQ là nhà máy nguồn được chứng nhận ISO9001 tại Dongguan, Trung Quốc, vận hành gia công CNC, dập kim loại, lò xo theo yêu cầu, tản nhiệt và dây chuyền collet dưới một mái nhà. Gửi bản vẽ đến sc@bquq.com hoặc WhatsApp +86 13713157787 để nhận báo giá trong vòng 12 giờ làm việc. www.bquq.com
