Jak zakres ugięcia sprężyn dyskowych wpływa na ich wydajność

Obciążenie statyczne definiuje się jako przenoszenie stałego obciążenia lub obciążenia zmieniającego się w stosunkowo długich odstępach czasu, nie częściej niż co 10 000 cykli w założonym okresie eksploatacji. W zastosowaniach statycznych najwyższa obliczona wartość naprężenia w połowie rozpiętości górnej powierzchni sprężyny krążkowej jest krytyczna (patrz punkt 0 na rys. 2). W tym punkcie najwyższa obliczona wartość naprężenia nie powinna przekraczać przybliżonej wytrzymałości na rozciąganie materiału (1400–1600 N/mm²), gdy sprężyna znajduje się w pozycji płaskiej. Standardowych sprężyn dyskowych można używać przy obciążeniu statycznym bez wykonywania obliczeń teoretycznych, jeśli stopień ugięcia jest utrzymywany poniżej 75% całkowitego ugięcia.

Rysunek 2

Obciążane dynamicznie sprężyny dyskowej można podzielić na dwie ogólne kategorie:

1. Ograniczona trwałość zmęczeniowa, w przypadku której sprężyny dyskowe wytrzymują od 10 000 do 2 000 000 cykli.
2. Wysoka trwałość zmęczeniowa, w przypadku której sprężyny dyskowe są w stanie wytrzymać ponad 2 000 000 cykli.

W celu zwiększenia trwałości zmęczeniowej sprężyn dyskowych można stosować procesy takie jak kulkowanie. Kulkowanie indukuje korzystne naprężenia ściskające na powierzchni krążka, zmniejszając rozprzestrzenianie się pęknięć.

Resztkowe naprężenia rozciągające wynikające z produkcji występują na górnej krawędzi wewnętrznej średnicy krążka, patrz punkt 1 na rys. 2.

W trakcie pracy to naprężenie rozciągające przechodzi w naprężenie ściskające. Poprzez to odwrócenie naprężeń trwałość zmęczeniowa drastycznie spada. Utrzymywanie sprężyny dyskowej pod stałym obciążeniem wstępnym przy minimum 15% ugięciu eliminuje to odwrócenie naprężeń i wydłuża żywotność sprężyny dyskowej.

Wstępne obciążenie sprężyny dyskowej pełni dwie role:

1. W sprężynach dyskowych bez przyłożonego obciążenia szczątkowe naprężenie rozciągające z produkcji występuje w pokazanym na rys. 2 punkcie I. Wstępne obciążenie krążka zmienia naprężenie rozciągające w punkcie I na naprężenie ściskające. Utrzymanie górnej części krążka pod naprężeniem ściskającym zmniejsza ryzyko rozprzestrzeniania się pęknięć. Wahania pomiędzy naprężeniem rozciągającymi a ściskającym znacznie ograniczają trwałość zmęczeniową sprężyny dyskowej. Sprężyna taka musi zostać wstępnie obciążona do minimum 15% całkowitego ugięcia w celu wyeliminowania naprężeń rozciągających.
2. Sprężyna dyskowa osiada, gdy początkowo przyłożona siła równomiernie rozłoży się na jej obwodzie. Sprężyny dyskowe nie są w 100% symetryczne, więc w momencie osadzenia podczas obciążenia wstępnego występuje niewielki wzrost siły. Chociaż ten wzrost siły można przewidzieć, nie jest on uwzględniany w obliczeniach siły/ugięcia.

Zwiększenie obciążenia końcowego skutkuje zwiększeniem naprężenia w sprężynie dyskowej, powodując mniejszą trwałość zmęczeniową. Jak w przypadku każdego elementu konstrukcyjnego, mniejsze ugięcie skutkuje mniejszym naprężeniem i dłuższą żywotnością. Obciążenie sprężyny dyskowej powyżej 75% całkowitej wartości ugięcia powoduje przekroczenie odcinka liniowego krzywej wydajności (patrz rys. 1), a naprężenia mogą wzrastać w sposób nieliniowy, prowadząc do szybkiej utraty odporności zmęczeniowej. Im mniejsze obciążenie końcowe spełniające wymagania konstrukcji, tym większa trwałość zmęczeniowa.

Trwałość zmęczeniową można zwiększyć poprzez zmniejszenie ugięcia sprężyny dyskowej. Jeśli wymagany jest dodatkowy przesuw, sprężyny dyskowe można organizować w stosy, aby zapewnić większe ugięcie bez zwiększania naprężeń na każdym z krążków, co prowadzi do zwiększenia trwałości zmęczeniowej.

Zakres ugięcia sprężyny dyskowej determinuje przewidywalność jej działania i wytrzymałość.

W przypadku obciążenia statycznego nie jest konieczne wykonywanie teoretycznych kalkulacji naprężenia, pod warunkiem, że stopień ugięcia nie przekracza 75% pełnego ugięcia sprężyny dyskowej. Ugięcia o wyższych wartościach powodują duże naprężenia, które prowadzą do utraty siły sprężyny. Zrozumienie wpływu zakresu ugięcia na żywotność sprężyny dyskowej jest kluczem do określenia jej trwałości zmęczeniowej.

Wytyczne zawarte w niniejszym dokumencie mają charakter ogólny, dlatego też w celu spełnienia wymagań wydajnościowych w przypadku każdego konkretnego zespołu zalecamy konsultować się z inżynierami ds. aplikacji, którzy specjalizują się w projektowaniu i opracowywaniu specyfikacji dla sprężyn dyskowych.