Шайба Бельвилля

редактировать

Шайба Бельвилля

A Шайба Бельвилля, также известная как конусно-дисковая пружина, коническая пружинная шайба, тарельчатая пружина, тарельчатая пружина или чашеобразная пружинная шайба, представляет собой коническую оболочку, которая может быть нагружена вдоль своей оси статически или динамически. Шайба Бельвилля представляет собой тип пружины, имеющий форму шайбы. Именно форма усеченного - конуса придает шайбе характерную пружину.

Название «Бельвиль» происходит от изобретателя Жюльена Бельвиля, который в Дункерк, Франция, в 1867 году запатентовал конструкцию пружины, которая уже содержала принцип тарельчатой пружины.. Настоящий изобретатель шайб Belleville неизвестен.

На протяжении многих лет было разработано множество профилей для дисковых пружин. Сегодня наиболее часто используются профили с контактной поверхностью или без нее, тогда как некоторые другие профили, такие как тарельчатые пружины с трапециевидным поперечным сечением, потеряли свое значение.

Содержание

1 Особенности и использование
2 Укладка
3 Соображения по производительности
4 Тарельчатые пружины с плоскими контактами и уменьшенной толщиной
5 Расчет
6 Стандарты
7 Ссылки

Характеристики и использование

Поперечный разрез противотанковой мины M4 (около 1945 г.), демонстрирующий стальную тарельчатую пружину в механизме взрывателя

В разрезе вид противопехотной мины M14, демонстрирующий ударник, установленный в центре пластиковой тарельчатой пружины

в различных полях, если они используются в качестве пружин или для применения Гибкая предварительная нагрузка на болтовое соединение или подшипник, шайбы Бельвилля могут использоваться как одна пружина или как набор. В пакете пружин тарельчатые пружины могут быть уложены стопкой в одной или в чередующейся ориентации, и, конечно, можно уложить пакеты из нескольких пружин, уложенных в одном направлении.

Дисковые пружины имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами пружин:

Очень большие нагрузки могут выдерживаться с небольшим установочным пространством,
Из-за почти неограниченного количества возможных комбинации отдельных тарельчатых пружин, характеристическая кривая и длина колонны могут быть дополнительно изменены в дополнительных пределах,
Большой срок службы при динамической нагрузке, если размер пружины выбран правильно,
При условии допустимого напряжения не превышается, недопустимая релаксация не возникает,
При соответствующем расположении может быть достигнут большой эффект демпфирования (высокий гистерезис),
Поскольку пружины имеют кольцевую форму, передача усилия абсолютно концентрические.

Благодаря этим выгодным свойствам шайбы Belleville сегодня используются во многих областях, некоторые примеры приведены ниже.

В оружейной промышленности пружины Бельвилля используются, например, в ряде наземных мин, например американские M19, M15, M14, M1 и шведский Tret-Mi.59. Цель (человек или транспортное средство) оказывает давление на тарельчатую пружину, в результате чего она превысит порог срабатывания и перевернет расположенный рядом боек боек вниз в колющий детонатор, выстрелив одновременно и окружающий разгонный заряд и начинка основного взрывчатого вещества.

Шайбы Belleville использовались в качестве возвратных пружин в артиллерийских орудиях, одним из примеров является французская линейка морских / прибрежных пушек Canet с конца 1800-х годов (75 мм, 120 мм, 152 мм).

Некоторые производители винтовок для стрельбы с затвором используют стопку шайб Бельвилля в затворе вместо более традиционной пружины для освобождения ударника, поскольку они сокращают время между срабатыванием спускового крючка и ударом ударника. на картридже.

Шайбы Бельвилля без зазубрин, которые могут повредить зажимную поверхность, не обладают значительной блокирующей способностью при использовании болтов.

На самолетах (как правило, экспериментальных самолетах) с деревянными винтами шайбы Бельвилля, используемые на крепежных болтах, могут быть полезны как индикатор разбухания или усадки древесины. Затягивая соответствующие болты, чтобы обеспечить определенный зазор между наборами шайб, размещенных так, чтобы «высокие концы» были обращены друг к другу, изменение относительного содержания влаги в дереве пропеллера приведет к изменению зазоров, которые часто достаточно велики, чтобы их можно было обнаружить. визуально. Поскольку балансировка гребного винта зависит от веса лопастей равного веса, радикальное различие в зазоре под шайбу может указывать на разницу в содержании влаги и, следовательно, в весе соседних лопастей.

В авиастроении и автомобилестроении (включая автомобили Formula One ) дисковые пружины используются в качестве элементов гашения вибрации из-за их чрезвычайно точной настройки. В самолетах серии Cirrus SR2x используется установка шайб Бельвилля для гашения колебаний передней стойки (или «шимми»).

В строительной отрасли в Японии используются стопки дисковых пружин. используются под зданиями в качестве гасителей вибрации при землетрясениях.

Укладка в стопку

Для изменения жесткости пружины (или жесткости пружины) или величины прогиб. Укладка в одном направлении добавит жесткость пружины параллельно, создавая более жесткое соединение (с таким же прогибом). Укладка в чередующемся направлении аналогична последовательному добавлению общих пружин, что приводит к более низкой жесткости пружины и большему прогибу. Направления смешивания и согласования позволяют рассчитать конкретную жесткость пружины и прогибающую способность.

Обычно, если n тарельчатые пружины уложены друг на друга параллельно (в одном направлении), выдерживая нагрузку, прогиб всего пакета равен прогибу одной тарельчатой пружины, деленному на n, тогда, чтобы получить такое же отклонение, как у одинарной дисковой пружины, прикладываемая нагрузка должна быть в n раз больше, чем у одинарной дисковой пружины. С другой стороны, если n шайб уложены последовательно (обращены в чередующихся направлениях), выдерживая нагрузку, прогиб будет в n раз больше, чем у одной шайбы, в то время как нагрузка применить ко всему пакету для получения одинакового прогиба одной тарельчатой пружины должно быть делением прогиба одной тарельчатой пружины на n.

Рекомендации по производительности

В параллельном пакете гистерезис (потери нагрузки) будет возникать из-за трение между пружинами. Гистерезисные потери могут быть полезны в некоторых системах из-за дополнительного демпфирования и рассеивания энергии колебаний. Эти потери из-за трения можно рассчитать с помощью методов гистерезиса. В идеале следует размещать параллельно не более 4 пружин. Если требуется большая нагрузка, необходимо увеличить запас прочности, чтобы компенсировать потерю нагрузки из-за трения. Потери на трение не являются большой проблемой для последовательных стеков

В последовательных пакетах отклонение не совсем пропорционально количеству пружин. Это происходит из-за эффекта «дна», когда пружины сжимаются до плоского состояния, поскольку площадь контактной поверхности увеличивается, когда пружина отклоняется более чем на 95%. Это уменьшает плечо момента, и пружина будет обеспечивать большее сопротивление пружины. Гистерезис можно использовать для расчета прогнозируемых прогибов в последовательном сумме. Количество пружин, используемых в последовательном стопке, не является такой большой проблемой, как в параллельных пакетах, даже если, как правило, высота стопки не должна превышать трехкратный внешний диаметр тарельчатой пружины. Если невозможно избежать более длинной стопки, ее следует разделить на 2 или, возможно, 3 частичных стопки с подходящими шайбами. Эти шайбы следует направлять как можно точнее.

Как было сказано ранее, шайбы Бельвилля полезны для регулировки, потому что их можно менять местами разной толщины, и они могут быть настроены для достижения практически неограниченной регулировки жесткости пружины, заполняя только небольшую часть ящика для инструментов техника.. Они идеальны в ситуациях, когда требуется большая сила пружины с минимальной свободной длиной и сжатием до достижения твердой высоты. Обратной стороной является вес, и они сильно ограничены в перемещении по сравнению с обычной винтовой пружиной, когда свободная длина не является проблемой.

A волнообразная шайба также действует как пружина, но волнообразные шайбы сопоставимого размера не создают такого большого усилия, как шайбы Бельвилля, и их нельзя устанавливать последовательно.

Тарельчатые пружины с плоскими контактами и уменьшенной толщиной

Для тарельчатых пружин толщиной более 6,0 мм DIN 2093 указывает малые контактные поверхности в точках I и III (это точка, в которой нагрузка приложена и точка, в которой груз касается земли) в дополнение к закругленным углам. Эти контактные поверхности улучшают определение точки приложения нагрузки и, особенно для пружинных пакетов, уменьшают трение на направляющем стержне. Результат - значительное уменьшение длины плеча рычага и соответствующее увеличение нагрузки пружины. Это, в свою очередь, компенсируется уменьшением толщины пружины.

Уменьшенная толщина определяется в соответствии со следующими условиями:

Общая высота остается неизменной,
Ширина контактных поверхностей (то есть ширина кольцевого пространства) должна быть приблизительно 1/150 наружного диаметра,
Нагрузка, прикладываемая к пружине уменьшенной толщины для получения прогиба, равного 75% от свободной высоты (нередуцированной пружины), должна быть такой же, как и для неуменьшенной пружины.

Поскольку общая высота не уменьшается, пружины с уменьшенной толщиной неизбежно имеют увеличенный угол наклона боковой поверхности и большую высоту конуса, чем пружины того же номинального размера без уменьшения толщины. Поэтому характеристическая кривая изменяется и становится совершенно другой.

Расчет

Начиная с 1936 года, когда Й.О. Алмен и А.Ласло опубликовали упрощенный метод расчета, всегда появлялись более точные и сложные методы для включения в расчет дисковых пружин с контактными лысками. и уменьшенная толщина. Таким образом, хотя сегодня существуют более точные методы расчета, наиболее часто используются простые и удобные формулы DIN 2092, так как для стандартных размеров они дают значения, которые хорошо соответствуют результатам измерений.

С учетом шайбы Бельвилля с внешним диаметром $D e {\ displaystyle {D_ {e}}}$ ${\ displaystyle {D_ {e}}}$ , внутренним диаметром $D i {\ displaystyle {D_ {i} }}$ ${D_{i}}$ , высота $l {\ displaystyle {l}}$ ${\ displaystyle {l}}$ и толщина $t {\ displaystyle {t}}$ ${t}$ , где $h 0 {\ displaystyle {h_ {0}}}$ ${\ displaystyle {h_ {0}}}$ - свободная высота, то есть разница между высотой и толщиной, получаются следующие коэффициенты:

δ = D e D i {\ displaystyle \ delta = {\ frac {D_ {e}} {D_ {i}}}}

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

C 1 = (t ′ t) 2 (1 4 ⋅ lt - t ′ t + 3 4) ⋅ ( 5 8 ⋅ lt - t ′ t + 3 8) {\ displaystyle {C_ {1}} = {\ frac {\ left ({\ frac {t '} {t}} \ right) ^ {2}} {\ влево ({\ 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)}}}}

{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)}}}

C 2 = C 1 (t ′ t) 3 ⋅ [5 32 ⋅ (lt - 1) 2 + 1] {\ 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 \ справа]}

{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]

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

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

Уравнение для расчета прилагаемой нагрузки к однодисковой пружине, чтобы получить прогиб $s {\ displaystyle {s}}$ ${s}$ :

F = 4 E 1 - μ 2 ⋅ t 4 K 1 - D e 2 ⋅ К 4 2 ⋅ ст ⋅ [К 4 2 ⋅ (час 0 t - st) ⋅ (час 0 t - s 2 t) + 1] {\ 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]}

{\ 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}} \ вправо) +1 \ вправо]}

Обратите внимание, что для диска пружины постоянной толщины, $t ′ {\ displaystyle {t '}}$ ${t'}$ равно $t {\ displaystyle {t}}$ ${t}$ и, следовательно, $K 4 {\ displaystyle {K_ {4}}}$ ${\ displaystyle {K_ {4}}}$ равно 1.

Что касается дисковых пружин с плоскими контактами и уменьшенной толщиной, следует отметить, что в статье, опубликованной в июле 2013 г.,продемонстрировали, что уравнение $K 4 {\ displaystyle {K_ {4}}}$ ${\ displaystyle {K_ {4}}}$ , как определено в стандартных нормах, неверно, так как это приведет к тому, что каждая уменьшенная толщина будет считаться правильной, а это конечно, невозможно. Как написано в этом документе $K 4 {\ displaystyle {K_ {4}}}$ ${\ displaystyle {K_ {4}}}$ следует заменить на новый коэффициент, $R d {\ displaystyle {R_ {d}}}$ ${\ displaystyle {R_ {d}}}$ , который зависит не только от соотношения $t ′ t {\ displaystyle {\ frac {t '} {t}}}$ ${\frac {t'}{t}}$ , но и от углов боковых сторон пружины.

Жесткость пружины (или жесткость пружины) определяется как:

k = d F ds {\ displaystyle {k} = {\ frac {dF} {ds}}}

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

Набор шайб Бельвилля иллюстрация

Если игнорировать трение и эффект дна, жесткость пружины набора идентичных шайб Бельвилля может быть быстро вычислена. Отсчитывая от одного конца стопки, сгруппируйте по количеству соседних шайб, расположенных параллельно. Например, в стопке шайб справа группировка 2-3-1-2, потому что есть группа из 2 шайб, включенных параллельно, затем группа из 3, затем одна шайба, затем еще одна группа из 2.

Общий коэффициент пружины:

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

K = {\ гидроразрыв {к} {\ сумма _ {я = 1} ^ {g} {\ гидроразрыв {1} {n_ {i}}}}}

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

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

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

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

где

$ni {\ displaystyle n_ {i}}$ $n_ {i}$ = количество шайб в i группа
$g {\ displaystyle {g}}$ ${\ displaystyle {g}}$ = количество групп
$k {\ displaystyle {k}}$ ${k}$ = жесткость пружины одной шайбы

Итак, стопка 2-3-1-2 (или, поскольку сложение является коммутативным, стопка 3-2-2-1) дает жесткость пружины 3/7 жесткости одиночной шайбы. Эти же 8 шайб можно расположить по схеме 3-3-2 ( $K = 6 7 ⋅ k {\ displaystyle K = {\ frac {6} {7}} \ cdot k}$ ${\ displaystyle K = {\ frac {6} {7}} \ cdot k}$ ), конфигурация 4-4 ( $K = 2 ⋅ k {\ displaystyle K = 2 \ cdot k}$ ${\ displaystyle K = 2 \ cdot k}$ ), конфигурация 2-2-2-2 ( $K = 1 2 ⋅ {\ displaystyle K = {\ frac {1} {2}} \ cdot}$ ${\ Displaystyle К = {\ гидроразрыва {1} {2}} \ cdot}$ ) и различные другие конфигурации. Количество уникальных способов укладки $n {\ displaystyle {n}}$ ${n}$ шайб определяется целочисленной функцией распределения p (n) и быстро увеличивается с увеличением $n {\ displaystyle {n}}$ ${n}$ , позволяющий точно настроить жесткость пружины. Однако каждая конфигурация будет иметь разную длину, что в большинстве случаев требует использования прокладок .

Стандарты

DIN EN 16983, ранее DIN 2092 - Тарельчатые пружины - Расчет
DIN EN 16984, ранее DIN 2093 - Тарельчатые пружины - Характеристики производства и качества
DIN 6796 - Конические пружинные шайбы для болтовых соединений

Ссылки

На Викискладе есть материалы, относящиеся к шайбам Belleville.