碟形弹簧基础知识

江苏三众弹性技术刘部长为大家科普碟簧基础知识：

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一、 定义

碟形弹簧简称碟簧，犹如一只无底的金属盘子，可以承受轴向载荷，常用金属钢带、钢板或锻坯加工而成的弹性元件。

二、 碟簧特点

1） 在负荷作用方向上尺寸较小，且能在很小变形时承受很大负荷，轴向的空间紧凑，具有较大变形能。

2） 具有变刚度特性，根据不同的h₀/t,可得到近似直线，渐减型、渐增型、零刚度乃至负刚度的特性。

3） 组合自由、方便，可以标准化生产，使用、维修、管理方便。

三、 结构形式

普通碟簧根据支承结构分为无支承面及有支承面两种，如图（1）

 

                            图1

 

四、 碟簧的技术要求

1） 材料在GB/T1972-2005标准中推荐使用60Si2MnA或50CrVA材料，也可以选用不锈钢、耐热钢或其他铜合金、钛合金、镍基、钴基合金等。

2） 尺寸与形位的极限偏差：

我国标准将碟簧的尺寸、负荷精度分为一级和二级精度。尺寸包括直径（内、外径）、厚度、自由高度。

3） 形位极限偏差：我国标准没有，但德国DIN2093有要求，如同心度，D≤50为2.1T11  ;D〉50时，为2.1T12。国标只有表面粗糙度，这些具体数据都在GB/T1972-2005

    中载明。

4） 表面处理、热处理、强压处理都有明确要求。表面不论是氧化、磷化都不允许有对使用有害的毛刺、裂纹和伤痕缺陷。需淬、回火处理的，淬火次数不得超过两次，硬度在42HRC~52HRC中间，单边脱碳层深度对1类碟簧不应超过其厚度的5%，2、3类碟簧不应超过其厚度的3%（最大不超过0.15mm）.

5） 强压处理是必须的工序。处理方法是用≮2F_f=0.75h0的负荷压缩弹簧，持续时间≮12h，或短时压缩，压缩次数≮5次。

6） 特殊表面防腐处理以及强化处理特殊技术要求（如疲劳、松弛、蠕变等）均由双方协议规定，不作为国家标准硬性规定。

五、 根据国家标准要求，碟簧制造工艺及其厚度分为三组：

第Ⅰ组  厚度t<1.25mm

第Ⅱ组  厚度t<1.25~6mm

第Ⅲ组  厚度t>6mm

第Ⅰ组生产工艺流程是：冲坯→热处理→强压→表面处理→终检→包装

第Ⅱ组生产工艺流程是：冲坯→机加工内外径→热处理→强压→表面处理→终检→包装

第Ⅲ组生产工艺流程是：冲坯→全加工（外径、内径、平面）→热处理→强压→表面处理→终检→包装

每道工序都有过程检验。终检时必须按照国家标准或工艺文件进行全面试检。

六、 碟簧试验与检查的相关知识

    a．应用深度尺测碟簧自由高度

   碟形弹簧的尺寸检查有外径、内径、自由高度和厚度。检查依据是产品图样（成品），工艺卡（半成品）和技术标准（标准件成品）。标准碟簧产品如未注明精度要求，一般均按Ⅱ级精度检查。如注明为Ⅰ级精度，则应按Ⅰ级精度检查。凡出口碟簧，一般都按DIN2093“碟簧尺寸”标准检查，与我国GB/T1972“碟形弹簧”Ⅰ级精度等同。工艺卡或工序卡中注明的尺寸允差是工艺设计者制定的，它为了保证产品的质量，可能会用自己的实践经验或企业标准、内控标准要求，所以检查时必须按工艺卡（或工序卡）检查。

碟形弹簧在检查高度尺寸时，应用0.02mm的深度游标卡尺。测量时，游标卡尺的测量爪与碟簧的上端面需轻轻接触，不能施以很大压力。以免影响结果的准确性。规定以碟簧的最高点作为碟簧的自由高。对于有弹簧高度自动分选机检查的，则它会将合格、超高、欠高三类分别隔离以便返工。

b．应用游标卡测量碟簧厚度、内孔及外圆尺寸

   测量厚度需要厚度千分尺检查，不能用常见的外圆千分尺检查。因与碟形弹簧压成形、热处理和强压以后，上下两个锥面会变形，可能上凸，也可能下凹。不再是一对平行直线，所以，用常见的外圆千分尺检查会将挠曲的弦也量入，使之比真实厚度加厚，因此只能用两端尖点的厚度千分卡检查。

内外径检查用0.02mm的游标卡检查。外径以最大值为准，内径以其最小值为准。对于生产批量的的碟簧，常用通止规检查。检查碟簧内外径的依据和检查高度一样，分为成品、半成品，也按国标、工艺卡（工序卡）或产品标准检查。

c．用平板与塞尺相结合检查碟簧支承面平度

GB/T1972-2005“碟形弹簧”国家标准未对碟形弹簧支承面平度有要求。但GB/1972-80老标准的技术要求中提到碟簧两支承面的平行度不得大于（表1）的规定：

                                       表1

精度要求	外径D
	8～18	>18～40	>40～63	>63~100	>100~160	>160~250	>250~450
	平行度
1	0.04	0.05	0.06	0.08	0.10	0.12	0.15
2	0.06	0.08	0.10	0.12	0.15	0.20	0.25

碟簧支承面（A型为圆线）与检查平台间的最大间隙不得大于表的规定，间隙的累加总弧长不得大于圆周长的1/3（检查间隙可在2%的Pf=0.75h0的负荷下进行，但最大不超过30kgf）

检查碟簧支承面平度只需检查外径支承面，将碟簧放置量在平板上（Ⅱ级精度即可），用厚度为0.02mm的塞尺进塞缝（根据其刚度结构，可在2%的Pf=0.75ho的负荷下进行，不超过30kgf），对应上表判定合格不合格，同时还可测其累加总弧长是否>总长的1/3，如大于则判为不合格。

 

d．检查碟簧成形缺陷

碟形弹簧成形后，应是一个圆锥体，在圆锥面实际上很难是一个平面，往往这个面上的每条半径线都是弯曲的。（除了锻坯削后的锥面是一直线，只是半成品）如果曲线上弯，则碟簧所测之力便大，反之便小，因此不宜太弯。如果试样发现力值超差，除了厚度主要因素外，往往这个曲率是其关键影响因素。

新标准GB/T1972-2005对支承面宽度没有提出技术要求，，老标准GB1972-80提出-0.5b+1b的允差，实际上对此可不必苛求，主要是支承面宽窄影响着力F的大小。越宽，力F越大；反之，力F减少。由于碟形弹簧成形工装设计不当或操作不按工艺，会造成同一片碟簧上支承面宽窄不一，因此检查出明显不一时需向生产者发出警告。

3.5.2.2弹簧负荷、刚度检查

碟形弹簧负荷及刚度曲线

碟形弹簧与普通圆柱螺旋弹簧不同，一般不能使变形和负荷成虎克定律，P-f不是一根直线。碟形弹簧P-f曲线是根据ho/t来决定的。标准碟簧A系列ho/t=0.4，近似一根直线，B系列ho/t=0.75为一渐减性曲线，C系列碟簧ho/t=1.3，如果ho/t>1.3，此时的碟形弹簧受力状态就不稳定了，在强压和测力时会翻边，测力曲线会发生突变。ho/t再增大，还会产生零刚度和负刚度曲线，具体见图（2）

 

              图2                                 图3

 

为什么国家标准规定的P值一定要在Pf=0.75ho检查呢?其原因主要是标准推荐的计算公式和实际测定值是有差别的，如图（3）所示，只有在Pf=0.6ho～Pf=0.8ho之间比较吻合。f<0.6ho时，实测值小于理论偏值，f>0.8ho实测值大于理论值，加之对交变负荷作用的f不宜>0.75ho以上，所以认定为Pf=0.75ho为宜。

组合检查时要用专用压具，其导向件单边间隙要符合表（2）的规定。导向件导向表面的硬度最低不小于55HRC，导向件表面粗糙度Ra<3.2μm。

                                 表2

d或D	间隙	d或D	间隙
～16	0.2	>31.5~50	0.6
>16~20	0.3	>50~80	0.8
>20~26	0.4	>80~140	1
>26~31.5	0.5	>140~250	1.6

 

七、碟形弹簧的检查

    碟簧的几何尺寸、特性、疲劳试验应在永久变形检验后进行。

1）几何尺寸

1．1  厚度

      碟簧的厚度用千分尺在碟簧中心处沿圆周测量至少3点，取最大值。

1．2  直径

      碟簧的直径用分度值小于0．02 mm的游标卡尺测量，圆周范围内至少测量3点，外径取最大值，内径取最小值。

1．3  自由高度

      碟簧的自由高度在二级精度平台上，用分度值小于0．02 mm的游标深度尺测量。圆周范围内至少测量3点，取最大值。

2） 特性

2．1  负荷

2．1．1  单片碟簧

    单片碟簧的负荷在精度不低于1％的试验机上进行，测量加载到Ho—0．75 h。时的负荷或Ho—0．75h₀·i(i≤10片，对合组合)时的负荷，试验时要用润滑剂，两端的压板硬度必须在52 HRC以上，表面粗糙度Ra＜1.6μm。

2．1．2  组合碟簧

    组合碟簧的负荷在精度不低于1％的试验机上进行，测量加载和卸载到H0一0．75 ho·i(即指定高度)时的负荷。试验时要用润滑剂，两端的压板硬度必须在52 HRC以上，表面粗糙度Ra<1．6μm；导向件应符合国标中的要求。组合碟簧的试验要求由供需双方协议规定。

2．2  永久变形

    碟簧的永久变形在试验机上用两倍的／f≈0．75h。时的负荷将成品碟簧压缩3次，测量第2次和第3次压缩后的自由高度，其差值即为永久变形量。永久变形检验后碟簧的自由高度应符合国标规定限偏差范围内。

2．3  硬度

    碟簧硬度按GB／T230．1或GB／T4340．1的规定，厚度<1 mm，在维氏(或表面洛氏)硬度计上进行；厚度≥1 mm，在洛氏硬度计上进行。试验压痕应在碟簧上表面的中心处。每件打4点，第1点不考核，取后3点的平均值。

2．4  脱碳检验

    碟簧脱碳层深度按GB／T 224的规定进行。

3）表面质量

    碟簧的表面质量用10倍放大镜，目测检查。

4） 表面粗糙度

    碟簧的表面粗糙度用粗糙度比较样块检验。

5） 防腐

    碟簧表面防腐按选定防腐方法的相关规定检验。

6） 疲劳试验

6．1  单片碟簧

单片碟簧在疲劳试验机上用等幅正弦波负荷进行试验。试验可以单片进行，也可以由小于或等于10片的样本对合成一组进行。试验前必须加预压，其单片变形量f0=(0.15~0.2)H0。

6．2 组合碟簧   

 组合碟簧的疲劳试验由供需双方协议规定。

八、检验规则

1． 缺陷分类

1．1 A缺陷项目：疲劳，脱碳，硬度。

1．2 B缺陷项目：Ho-0.75h₀时负荷，内径、外径、永久变形。

1．3 C缺陷项目：厚度，自由高度，表面质量，表面粗糙度。

2． 检查水平

碟簧产品检查按GB/T2828.1中特殊检查水平S-4。

样本大小字码、抽样方案、合格质量水平、检验分类具体见GB/T1972-2005规定，这里要强调的是型式检验。有下列情况之一时，应进行型式检验：

a） 新产品试制鉴定时；

b） 正式生产后，材料、工艺有较大改变，可能影响产品性能时；

c） 产品停产两年后，恢复生产时。

型式检验项目为：A缺陷项目中的脱碳、硬度及B、C缺陷项目