Jak zakres ugięcia sprężyn krążkowych wpływa na ich wydajność
John Leckfor

Sprężyny krążkowe są podkładkami w kształcie stożka zaprojektowanymi tak, aby działały w przewidywalny i powtarzalny sposób. Można stosować je do przykładania obciążenia statycznego, gdy jest ono niemal stałe, lub w sytuacjach dynamicznych, gdy jest do nich wielokrotnie przykładane i usuwane. Zrozumienie, w jaki sposób charakterystyka obciążenia wpływa na ich działanie, jest kluczowe dla prawidłowego zaprojektowania systemu wykorzystującego sprężyny krążkowe.

Sprężyny, w odróżnieniu od innych elementów montażowych, mają za zadanie uginać się i magazynować energię mechaniczną.  Ugięcie sprężyny krążkowej jest przewidywalne, co pozwala na oszacowanie jej cyklu życia po zamontowaniu jej w zespole.

Optymalną wydajność sprężyny krążkowej uzyskuje się, gdy stopień ugięcia roboczego utrzymywany jest na poziomie 15–75% pełnego ugięcia. To właśnie w tym zakresie zmierzone wyniki najdokładniej odpowiadają teoretycznej charakterystyce sprężyn krążkowych (patrz rys. 1).





Zmierzona krzywa charakterystyki w dolnym zakresie (poniżej 15% pełnego ugięcia) odbiega od krzywej teoretycznej z powodu obecności naprężeń resztkowych. W środkowym zakresie krzywej, odpowiadającym zakresowi normalnej pracy sprężyny krążkowej, wartość zmierzona i teoretyczna są bardzo podobne. W miarę wzrastania wartości ugięcia powyżej 75% pełnego ugięcia ramię momentu siły spada, a odchylenie od wartości teoretycznej gwałtownie wzrasta. Z tego powodu przewidywalność siły/ugięcia jest ograniczona do zakresu normalnej pracy sprężyny krążkowej.


Żywotność krążka
Obciążenie statyczne
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 krążkowych można używać przy obciążeniu statycznym bez wykonywania obliczeń teoretycznych, jeśli stopień ugięcia jest utrzymywany poniżej 75% całkowitego ugięcia.



Obciążenie dynamiczne
Obciążane dynamicznie sprężyny krążkowe można podzielić na dwie ogólne kategorie:

1. Ograniczona trwałość zmęczeniowa, w przypadku której sprężyny krążkowe wytrzymują od 10000 do 2000000 cykli.
2. Wysoka trwałość zmęczeniowa, w przypadku której sprężyny krążkowe są w stanie wytrzymać ponad 2000000 cykli.

W celu zwiększenia trwałości zmęczeniowej sprężyn krążkowych 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 krążkowej pod stałym obciążeniem wstępnym przy minimum 15% ugięciu eliminuje to odwrócenie naprężeń i wydłuża żywotność sprężyny krążkowej.


Znaczenie obciążenia wstępnego i końcowego
Obciążenie wstępne
Wstępne obciążenie sprężyny krążkowej pełni dwie role:

1. W sprężynach krążkowych 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 rozciągającym a ściskającym znacznie ograniczają trwałość zmęczeniową sprężyny krążkowej. Sprężyna krążkowa musi zostać wstępnie obciążona do minimum 15% całkowitego ugięcia w celu wyeliminowania naprężeń rozciągających.
2. Sprężyna krążkowa osiada, gdy początkowo przyłożona siła równomiernie rozłoży się na jej obwodzie. Sprężyny krążkowe 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.

Obciążenie końcowe
Zwiększenie obciążenia końcowego skutkuje zwiększeniem naprężenia w sprężynie krążkowej, powodując mniejszą trwałość zmęczeniową. Jak w przypadku każdego elementu konstrukcyjnego, mniejsze ugięcie skutkuje mniejszym naprężeniem i dłuższą żywotnością. Obciążenie sprężyny krążkowej 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 krążkowej. Jeśli wymagany jest dodatkowy przesuw, sprężyny krążkowe można organizować w stosy, aby zapewnić większe ugięcie bez zwiększania naprężeń na każdym z krążków, co prowadzi do zwiększenia trwałości zmęczeniowej.


Podsumowanie
Zakres ugięcia sprężyny krążkowej 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 krążkowej. Ugięcia o wyższych wartościach powodują duże naprężenia, które prowadzą do utraty siły sprężyny. Zrozumienie wpływu zakresu ugięcia na żywotność sprężyny krążkowej 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. wdrożeń, którzy specjalizują się w projektowaniu i opracowywaniu specyfikacji dla sprężyn krążkowych.


Autor: John Leckfor, inżynier ds. wdrożeń SPIROL International Corporation, USA


info-pl@spirol.com
SPIROL.com