шайба Бельвиля

Для проверки этой статьи нужны дополнительные цитаты . Помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Неподтвержденный материал может быть оспорен и удален. Найти источники:  "Belleville washer" – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( январь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Тарельчатая шайба , также известная как коническая дисковая пружина , ^[1] коническая пружинная шайба , ^[2] дисковая пружина , тарельчатая пружина или чашеобразная пружинная шайба, представляет собой коническую оболочку, которая может быть нагружена вдоль своей оси как статически, так и динамически. Тарельчатая шайба — это тип пружины , имеющей форму шайбы . Именно форма, усеченный конус , придает шайбе ее характерную пружину.

Название «Belleville» происходит от имени изобретателя Жюльена Бельвиля, который в 1867 году в Дюнкерке , Франция, запатентовал конструкцию пружины, которая уже содержала принцип тарельчатой ​​пружины. ^{[1] [3]} Настоящий изобретатель шайб Бельвиля неизвестен.

За прошедшие годы было разработано множество профилей для тарельчатых пружин. Сегодня наиболее используемыми являются профили с контактными плоскостями или без них, в то время как некоторые другие профили, такие как тарельчатые пружины с трапециевидным поперечным сечением, утратили свою актуальность.

В различных областях, если они используются в качестве пружин или для приложения гибкой предварительной нагрузки к болтовому соединению или подшипнику, тарельчатые шайбы могут использоваться как отдельная пружина или как стопка. В стопке пружин тарельчатые пружины могут быть сложены в той же или в чередующейся ориентации и, конечно, можно складывать пакеты из нескольких пружин, сложенных в одном направлении.

Тарельчатые пружины обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами пружин: ^[4]

• Очень большие нагрузки могут поддерживаться при небольшом монтажном пространстве,
• Благодаря практически неограниченному количеству возможных комбинаций отдельных дисковых пружин характеристическая кривая и длина колонны могут дополнительно варьироваться в дополнительных пределах,
• Высокий срок службы при динамической нагрузке, если пружина правильно подобрана по размеру,
• При условии, что допустимое напряжение не превышается, недопустимая релаксация не происходит,
• При соответствующем расположении можно достичь большого эффекта демпфирования (высокого гистерезиса),
• Поскольку пружины имеют кольцевую форму, передача усилия абсолютно концентрична.

Благодаря этим полезным свойствам тарельчатые шайбы сегодня используются во многих областях, некоторые примеры приведены ниже.

В оружейной промышленности пружины Бельвилля используются, например, в ряде наземных мин, например, американских M19 , M15 , M14 , M1 и шведской Tret-Mi.59. Цель (человек или транспортное средство) оказывает давление на пружину Бельвилля, заставляя ее превышать порог срабатывания и переворачивать соседний ударник вниз в ударный детонатор , поджигая как его, так и окружающий его усилительный заряд и основное взрывчатое вещество.

Шайбы Бельвиля использовались в качестве возвратных пружин в артиллерийских орудиях , одним из примеров является ряд французских морских/береговых пушек Кане конца 1800-х годов (75 мм, 120 мм, 152 мм).

Некоторые производители винтовок для стрельбы по мишеням с продольно-скользящим поворотным затвором используют в затворе наборы шайб Белвилля вместо более традиционной пружины для освобождения ударника, поскольку они сокращают время между срабатыванием спускового крючка и ударом ударника по патрону. ^[5]

Тарельчатые шайбы без зубцов, которые могут повредить зажимную поверхность, не обладают значительной фиксирующей способностью в болтовых соединениях. ^[6]

На самолетах (обычно экспериментальных самолетах) с деревянными пропеллерами тарельчатые шайбы, используемые на крепежных болтах, могут быть полезны в качестве индикатора разбухания или усадки древесины. При затягивании соответствующих болтов для обеспечения определенного зазора между наборами шайб, размещенных «высокими концами» друг к другу, изменение относительного содержания влаги в древесине пропеллера приведет к изменению зазоров, которое часто достаточно велико, чтобы его можно было обнаружить визуально. Поскольку балансировка пропеллера зависит от одинакового веса лопастей, радикальное различие в зазорах шайб может указывать на разницу во влажности — и, следовательно, в весе — соседних лопастей.

В авиационной и автомобильной промышленности (включая автомобили Формулы-1 ^{[7] [ нужен лучший источник ]} ) дисковые пружины используются в качестве элементов гашения вибраций из-за их чрезвычайно детальной возможности настройки. Серия самолетов Cirrus SR2x использует установку шайбы Бельвилля для гашения колебаний носовой стойки шасси (или «шимми»). ^[8]

В строительной отрасли Японии пакеты тарельчатых пружин использовались под зданиями в качестве гасителей колебаний при землетрясениях. ^[9]

Тарельчатые шайбы используются в некоторых регуляторах воздуха высокого давления, например, в пейнтбольных маркерах и воздушных баллонах.

Несколько шайб Belleville могут быть сложены для изменения жесткости пружины (или жесткости пружины) или величины прогиба . Складывание в одном направлении добавит жесткость пружины параллельно, создавая более жесткое соединение (с тем же прогибом). Складывание в чередующемся направлении то же самое, что и добавление обычных пружин последовательно, что приводит к более низкой жесткости пружины и большему прогибу. Смешивание и сопоставление направлений позволяет проектировать определенную жесткость пружины и способность к прогибу.

Обычно, если n дисковых пружин уложены параллельно (обращены в одну сторону), выдерживая нагрузку, прогиб всего штабеля равен прогибу одной дисковой пружины, делённому на n , тогда, чтобы получить тот же прогиб одной дисковой пружины, прикладываемая нагрузка должна быть в n раз больше, чем у одной дисковой пружины. С другой стороны, если n шайб уложены последовательно (обращены в чередующихся направлениях), выдерживая нагрузку, прогиб равен в n раз больше, чем у одной шайбы, в то время как нагрузка, прикладываемая ко всему штабелю, чтобы получить тот же прогиб одной дисковой пружины, должна быть равна нагрузке одной дисковой пружины, делённой на n .

В параллельном стеке гистерезис (потери нагрузки) будет происходить из-за трения между пружинами. Потери на гистерезис могут быть выгодны в некоторых системах из-за дополнительного демпфирования и рассеивания энергии вибрации. Эти потери из-за трения можно рассчитать с помощью методов гистерезиса. В идеале не следует размещать параллельно более 4 пружин. Если требуется большая нагрузка, то необходимо увеличить коэффициент безопасности, чтобы компенсировать потерю нагрузки из-за трения. Потери на трение не являются такой большой проблемой в последовательных стеках.

В последовательном стеке прогиб не совсем пропорционален количеству пружин. Это происходит из-за эффекта нижнего предела , когда пружины сжимаются до плоского состояния, поскольку площадь контактной поверхности увеличивается после прогиба пружины более чем на 95%. Это уменьшает плечо момента, и пружина будет оказывать большее сопротивление пружине. Гистерезис можно использовать для расчета прогнозируемых прогибов в последовательном стеке. Количество пружин, используемых в последовательном стеке, не является такой большой проблемой, как в параллельных стеках, даже если, как правило, высота стека не должна превышать трехкратный внешний диаметр дисковой пружины. Если невозможно избежать более длинного стека, то его следует разделить на 2 или, возможно, 3 частичных стека с подходящими шайбами. Эти шайбы должны быть направлены как можно точнее.

Как уже говорилось, тарельчатые шайбы полезны для регулировок, поскольку можно менять местами разную толщину, и их можно настроить для достижения практически бесконечной настройки жесткости пружины, при этом занимая лишь небольшую часть ящика с инструментами техника. Они идеально подходят в ситуациях, когда требуется большая сила пружины с минимальной свободной длиной и сжатием до достижения полной высоты. Однако недостатком является вес, и они сильно ограничены в ходе хода по сравнению с обычной спиральной пружиной, когда свободная длина не является проблемой.

Волнистая шайба также действует как пружина, но волнистые шайбы сопоставимого размера не создают такого большого усилия, как тарельчатые шайбы, и их нельзя устанавливать последовательно.

Для тарельчатых пружин толщиной более 6,0 мм стандарт DIN 2093 предписывает небольшие контактные поверхности в точках I и III (т. е. точка приложения нагрузки и точка соприкосновения нагрузки с землей) в дополнение к скругленным углам. Эти контактные плоскости улучшают определение точки приложения нагрузки и, в частности, для пружинных пакетов, уменьшают трение на направляющем стержне. Результатом является значительное уменьшение длины плеча рычага и соответствующее увеличение нагрузки пружины. Это, в свою очередь, компенсируется уменьшением толщины пружины.

Уменьшенная толщина указывается в соответствии со следующими условиями: ^[4]

• Общая высота остается неизменной,
• Ширина контактных плоских поверхностей (т.е. ширина кольца) должна составлять примерно 1/150 наружного диаметра,
• Нагрузка, приложенная к пружине уменьшенной толщины для получения прогиба, равного 75% свободной высоты (неуменьшенной пружины), должна быть такой же, как и для неуменьшенной пружины.

Поскольку общая высота не уменьшается, пружины с уменьшенной толщиной неизбежно имеют увеличенный угол наклона и большую высоту конуса, чем пружины того же номинального размера без уменьшенной толщины. ^[4] Поэтому характеристическая кривая изменяется и становится совершенно иной.

Начиная с 1936 года, когда Й. О. Альмен и А. Ласло опубликовали упрощенный метод расчета, ^[10] все более точные и сложные методы появлялись также для того, чтобы включить в расчеты тарельчатые пружины с контактными плоскостями и уменьшенной толщиной. Поэтому, хотя сегодня существуют более точные методы расчета, ^[11] наиболее используемыми являются простые и удобные формулы DIN 2092, поскольку для стандартных размеров они дают значения, которые хорошо соответствуют результатам измерений.

Рассматривая тарельчатую шайбу с наружным диаметром , внутренним диаметром , высотой и толщиной , где — свободная высота, то есть разница между высотой и толщиной, получаем следующие коэффициенты:${\displaystyle {D_{e}}}$${\displaystyle {D_{i}}}$${\displaystyle {л}}$${\displaystyle {т}}$${\displaystyle {h_{0}}}$

${\displaystyle \delta ={\frac {D_{e}}{D_{i}}}}$

${\displaystyle {C_{1}}={\frac {\left({\frac {t'}{t}}\right)^{2}}{\left({\frac {1}{4}}\cdot {\frac {l}{t}}-{\frac {t'}{t}}+{\frac {3}{4}}\right)\cdot {\left({\frac {5}{8}}\cdot {\frac {l}{t}}-{\frac {t'}{t}}+{\frac {3}{8}}\right)}}}}$

${\displaystyle {C_{2}}={\frac {C_{1}}{\left({\frac {t'}{t}}\right)^{3}}}\cdot \left[{\frac {5}{32}}\cdot \left({\frac {l}{t}}-1\right)^{2}+1\right]}$

${\displaystyle {K_{4}}={\sqrt {-{\frac {C_{1}}{2}}+{\sqrt {\left({\frac {C_{1}}{2}}\right)^{2}+C_{2}}}}}}$

Уравнение для расчета нагрузки, которую необходимо приложить к однодисковой пружине для получения прогиба, выглядит следующим образом: ^[12]${\displaystyle {с}}$

${\displaystyle F={\frac {4E}{1-\mu ^{2}}}\cdot {\frac {t^{4}}{K_{1}-{D_{e}}^{2}}}\cdot {K_{4}}^{2}\cdot {\frac {s}{t}}\cdot \left[{K_{4}}^{2}\cdot \left({\frac {h_{0}}{t}}-{\frac {s}{t}}\right)\cdot \left({\frac {h_{0}}{t}}-{\frac {s}{2t}}\right)+1\right]}$

Обратите внимание, что для тарельчатых пружин постоянной толщины равно и, следовательно, равно 1.${\displaystyle {т'}}$${\displaystyle {т}}$${\displaystyle {K_{4}}}$

Что касается дисковых пружин с контактными плоскостями и уменьшенной толщиной, то следует сказать, что в статье, опубликованной в июле 2013 года, было показано, что уравнение, определенное в стандартных нормах, не является верным, поскольку оно привело бы к тому, что каждая уменьшенная толщина считалась бы правильной, а это, конечно, невозможно. Как написано в этой статье, следует заменить новым коэффициентом, который зависит не только от соотношения, но и от углов наклона пружины. ^[13]${\displaystyle {K_{4}}}$${\displaystyle {K_{4}}}$${\displaystyle {R_{d}}}$${\displaystyle {\frac {t'}{t}}}$

Жесткость пружины (или жесткость пружины) определяется как:

${\displaystyle {k}={\frac {dF}{ds}}}$

Если игнорировать трение и эффекты опускания, можно быстро приблизительно оценить жесткость стопки одинаковых тарельчатых шайб. Считая с одного конца стопки, сгруппируйте по числу соседних шайб, расположенных параллельно. Например, в стопке шайб справа группировка будет 2-3-1-2, поскольку есть группа из 2 шайб, расположенных параллельно, затем группа из 3, затем одна шайба, затем еще одна группа из 2.

Общий коэффициент упругости равен:

${\displaystyle K={\frac {k}{\sum _{i=1}^{g}{\frac {1}{n_{i}}}}}}$

${\displaystyle K={\frac {k}{{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{3}}+{\frac {1}{1}}+{\frac {1}{2}}}}}$

${\displaystyle K={\frac {3}{7}}\cdot {k}}$

Где

• ${\displaystyle n_{i}}$= количество шайб в i-й группе
• ${\displaystyle {g}}$= количество групп
• ${\displaystyle {k}}$= жесткость пружины одной шайбы

Итак, стопка 2-3-1-2 (или, поскольку сложение коммутативно, стопка 3-2-2-1) дает константу пружины 3/7 от константы одной шайбы. Эти же 8 шайб можно расположить в конфигурации 3-3-2 ( ), конфигурации 4-4 ( ), конфигурации 2-2-2-2 ( ) и различных других конфигурациях. Количество уникальных способов укладки шайб определяется целочисленной функцией распределения p ( n ) и быстро увеличивается с большими , что позволяет точно настраивать константу пружины. Однако каждая конфигурация будет иметь разную длину, что в большинстве случаев потребует использования прокладок .${\displaystyle K={\frac {6}{7}}\cdot k}$${\displaystyle K=2\cdot k}$${\displaystyle K={\frac {1}{2}}\cdot k}$${\displaystyle {n}}$${\displaystyle {n}}$

• DIN EN 16983 ранее DIN 2092 — Тарельчатые пружины — Расчет
• DIN EN 16984 ранее DIN 2093 — Тарельчатые пружины — Технические условия на производство и качество ^[14]
• DIN 6796 — Шайбы пружинные конические для болтовых соединений ^[2]

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Шайбы Бельвилля» .