Urvalsguide för Belleville bricka: storlek, serier och stapling

Förstå DIN EN 16983-serien

Belleville brickor är inte en produkt som passar alla. Den äldre DIN 2093-standarden, nu absorberad i DIN EN 16983, kategoriserar brickor i tre distinkta serier baserat på deras dimensionsförhållanden. Seriebrevet berättar direkt brickans styvhetsprofil. Användning av en serie A bricka i en känslig aluminiumfläns kommer att orsaka inbäddning och deformation, medan en serie C bricka kanske inte ger tillräckligt med kvarvarande klämbelastning för att förhindra självlossning i en vibrationsmiljö.

Serie B fungerar som arbetshäst för de flesta skruvförband som kräver vibrationsmotstånd. När du plattar ut en serie B-bricka till 75 % av dess totala tillgängliga nedböjning är belastningsökningen stabil och förutsägbar. Serie C-brickor är unikt lämpade för dynamiska termiska miljöer eftersom de kan absorbera betydande axiell expansion från en bult utan att multiplicera klämkraften tillräckligt för att knäppa fast fästet.

Beräkna rätt storlek för bulten

Brickans fysiska geometri måste matcha bultskaftet och den passande ytan. Detta innebär tredimensionella kontroller. Först måste brickans innerdiameter klara bultgängans huvuddiameter med ett minimalt mellanrum; en slarvig passform här orsakar excentrisk belastning. För det andra dikterar brickans ytterdiameter lagerspänningen på det fastklämda materialet. Om ytan under brickan är mjuk, leder överskridande av den sammanpressande sträckgränsen till avslappning av inbäddningen. För det tredje bestämmer brickans tjocklek och konhöjden i obelastat tillstånd hur långt du kan komprimera den innan den blir fast. Du kan inte tillåta en Belleville-bricka att nå sitt plana läge under normala arbetsbelastningar; du måste lämna en säkerhetsmarginal på minst 10-15 % av den totala avböjningsrörelsen för att förhindra fast kontakt.

Matchande bricka ID till bultstorlek

Standardmåttstorlekar är grupperade. En bricka designad för en M8-bult har vanligtvis en innerdiameter på cirka 8,4 mm. För strukturella applikationer som använder valsade gängor kan den faktiska bultkroppens diameter vara något under nominell. Kontrollera följande parningar som baslinje:

• M6-bult kräver bricka ID ~6,4 mm, OD vanligtvis 12,5 mm eller 14 mm.
• M12-bult kräver bricka ID ~13 mm, OD vanligtvis 23 mm eller 28 mm.
• M20 bult kräver bricka ID ~21mm, OD vanligtvis 36mm eller 40mm.

Att välja en överdimensionerad OD sprider reaktionskraften över ett större område, vilket minskar yttrycket. Detta är kritiskt vid klämning av glasfiberflänsar eller mjukt aluminium där ytspänningen måste stanna under 100 MPa .

Staplingskonfigurationer och deras fjäderhastigheter

Stapling förvandlar prestandagränsen för en enda bricka. De tre grundläggande staplingsarrangemangen ger helt olika last-avböjningsidentiteter. En parallell stapel multiplicerar kraften som krävs för en given avböjning, medan en seriestapel multiplicerar den totala avböjningen som är tillgänglig för en given kraft. Att blanda dessa skapar ett progressivt fjädersystem med en knäpunkt i kurvan.

Parallell stapling för ökad kraft

Nest identiska brickor inuti varandra, alla orienterade på samma sätt. Två parallella brickor fördubblar kraftuttaget för samma avböjning. Fem brickor parallellt femdubblar kraften. Men friktion mellan de kapslade konerna ökar hysteresen. I praktiken upplever en stapel med fyra brickor parallellt en friktionsförlust på ungefär 6-8 % jämfört med den teoretiska linjära multiplikationen. Smörjning av de passande ytorna med molybdendisulfidpasta är nödvändigt för förutsägbar omvandling av vridmoment till förspänning i parallella staplar som överstiger tre brickor.

Serie stapling för långa resor

Alternera orienteringen på varje bricka så att de står emot varandra. Två brickor i serie fördubblar den totala avböjningskapaciteten vid samma kraftnivå. En stack på fyra i serie ger fyra gånger restiden. Detta arrangemang är idealiskt för spänningsförande av en bultad fläns som upplever cyklisk termisk expansion. Stapeln fungerar som en följsam fjäder och upprätthåller klämbelastningen över ett gap som expanderar och drar ihop sig med flera millimeter.

Blandad stapling för progressiva kurvor

Kombinera en uppsättning parallella brickor med en uppsättning seriebrickor. En typisk konfiguration är en "trippelparallell, dubbelserie"-stack. Detta innebär att tre brickor är kapslade ihop (parallellt), sedan två av dessa trippelbon är motsatta (serier). Fjäderkurvan följer initialt den styva, högkraftiga vägen för de parallella trippelna. Om skarven separeras något under överbelastning, kopplas seriemotståndet in, och fjäderhastigheten mjuknar drastiskt, vilket förhindrar en skarp topp i bultspänningen som annars skulle orsaka utmattningsbrott.

Materialval och korrosionsgränssnitt

Brickans basmetall bestämmer dess utmattningslivslängd och korrosionsbeständighet. Standard kolstål (C67S, 1.5014) härdat och härdat till 42-48 HRC täcker de flesta inomhusapplikationer. För konstruktionsbultning utomhus eller marina miljöer krävs AISI 316 rostfritt stål eller Inconel 718, men dessa kommer med en betydande nedsättning i dragstyvhet jämfört med legerat fjäderstål.

Para aldrig ihop en Belleville-bricka av hårt kolstål med en mjuk bult i rostfritt stål utan en mellanhärdad plattbricka. Den koniska kanten på fjäderbrickan kommer att tränga in i bultens lageryta, vilket skapar en spänningshöjare som initierar utmattningssprickor. En tunn, ythärdad platt bricka med ett avfasat hål skyddar bulthuvudets kälradie.

Inställning av förspänning med Belleville-brickor

Att använda vridmoment för att ställa in förspänning på en Belleville-stack är opålitligt eftersom fjäderavböjningen, inte vridmomentet, bestämmer klämkraften. Den korrekta metoden är att beräkna fjäderns nedböjning vid önskad förspänning och sedan dra åt tills den fysiska nedböjningen mäts. För en enstaka serie B-bricka med 2,15 mm total slaglängd kan du sikta in dig på 1,5 mm avböjning (70 % av rörelsen) för att uppnå den nominella plana belastningen. Detta verifieras med en mätklocka eller en djupmikrometer som mäter gapet mellan de fastklämda plattorna. Om brickstapeln är dold, använd hydraulisk spänning eller mät bultsträckningen ultraljud. Att förlita sig på enbart en momentnyckel kan resultera i spridning av förspänningen ±25 % , som ofta överskrider brickans elastiska arbetsområde.

Undviker vanliga fellägen

Utmattningsbrott börjar vanligtvis vid brickans innerkant där dragspänningarna koncentreras under kompressionen. Kulblästring av brickans konkava yta fördröjer sprickinitiering. Se till att lagerytan mot innerdiametern är fri från skarpa grader eller svetsstänk. En grad på bultskaftet fungerar som ett skärverktyg, skär brickans hål och skapar ett brott. Ett annat förbisett misslyckande är inverterad stapling. Om en enstaka bricka av misstag vänds, förlorar fogen sin fjäderfunktion helt och blir en plan fog som omedelbart kan lossna. Markera alltid den yttre kanten av parallella staplar med en färgpenna efter montering så att en omvänd bricka är visuellt uppenbar vid inspektion.

Applikationschecklista för högvibrerande leder

Innan du slutför en design, verifiera dessa fem punkter. För det första måste bultens inspända längd vara tillräcklig för att brickans utböjning är en meningsfull bråkdel av den totala fogelasticiteten. För det andra får brickan inte tillplattas fast vid maximal arbetsbelastning. För det tredje måste lagerytan härdas eller skyddas av en plan bricka. För det fjärde bör antalet parallella brickor inte överstiga fyra utan nedstämpling för friktion. För det femte måste materialet motstå miljöns övre temperaturgräns utan att tappa humöret. Att missa någon av dessa kontroller äventyrar det grundläggande skälet till att välja en Belleville-bricka framför en delad låsbricka, som tappar spänningen efter en liten mängd inbäddning.