Ograniczenia projektowe i eksploatacyjne

Obciążenie statyczne lub quasi-statyczne występuje wówczas, gdy:

1. sprężyny talerzowe przenoszą wyłącznie niezmienne obciążenia statyczne.
2. sprężyny talerzowe poddawane są okazjonalnym zmianom obciążenia w dłuższych odstępach czasu oraz cyklom obciążeniowym w liczbie mniejszej niż 10 000 w okresie planowanej trwałości eksploatacyjnej.

Sprężyny talerzowe projektuje się w wysokości całkowitej I0, co pozwala na takie ich spłaszczenie pod obciążeniem statycznym lub obciążeniem o małej zmienności, by zmniejszenie całkowitej ich wysokości I0 nie przekroczyło wartości dopuszczalnej tolerancji. Stosuje się tu naprężenie σOM w punkcie OM określone we wzorze 9.

Odkształcenia plastyczne występują w sytuacji, gdy naprężenia w niektórych obszarach przekraczają granicę plastyczności. Naprężenie odniesienia wynosi σOM, a jego wartość nie powinna przekraczać wartości wytrzymałości na rozciąganie Rm stosowanego materiału. Dla stali sprężynowej zgodnej z DIN EN 10132-4 i DIN 17221 wytrzymałość na rozciąganie wynosi Rm ≈ 1600 N/mm2. Dla innych materiałów należy stosować odpowiednie, mające zastosowanie wartości granicy plastyczności. Sprężyny talerzowe zgodne z DIN 2093

Obciążenia dynamiczne występują w sprężynach talerzowych w sytuacji, gdy obciążenie zmienia się w sposób ciągły pomiędzy ugięciem przy obciążaniu wstępnym s1 a ugięciem s2. Pod wpływem zmiany naprężenia σh sprężyny talerzowe obciążane dynamicznie można podzielić na dwie grupy w zależności od trwałości eksploatacyjnej (patrz również DIN 50100):

1. Sprężyny talerzowe o większej trwałości eksploatacyjnej. Sprężyny tego typu przeznaczone są do znoszenia cykli obciążeń w liczbie co najmniej 2 · 106 lub większej bez uszkodzenia. Jeśli wymagana jest znacznie większa trwałość eksploatacyjna, prosimy o kontakt. Być może dokładne informacje będzie można uzyskać tylko na podstawie próby wytrzymałościowej.
2. Sprężyny talerzowe o ograniczonej trwałości eksploatacyjnej. Sprężyny tego typu przeznaczone są do osiągania ograniczonej liczby cykli obciążeniowych z zakresu 104 ≤ N < 2 · 106, po której dopiero może dojść do ich uszkodzenia.

W przypadku sprężyn talerzowych przenoszących czynnikami decydującymi są obciążenia dynamiczne obliczeniowe naprężenia rozciągające na dolnej powierzchni sprężyny, ponieważ to właśnie w tym miejscu mają swój początek pęknięcia zmęczeniowe. W zależności od stosunków wymiarowych δ = De/Di i h0/t, a także ugięcia względnego s/h0 największy zakres naprężeń σh może wystąpić zarówno w punkcie II, jak i punkcie III. Fakt, czy decydujący jest punkt II, czy III, można wywnioskować na podstawie rysunku dla sprężyn z płaskimi powierzchniami stykowymi i bez nich.

Po obróbce cieplnej wszystkie sprężyny poddaje się wstępnemu uginaniu lub wstępnemu naprężaniu, powodującym odkształcenia plastyczne w rejonie punktu przekroju I . Wywołuje to szczątkowe naprężenie rozciągające w tym punkcie nieobciążonej sprężyny. Po przyłożeniu obciążenia następuje
zmiana naprężenia z rozciągającego na ściskające, co może prowadzić do powstawania pęknięć podczas obciążania dynamicznego. Aby uniknąć wystąpienia takiego zjawiska, należy zrównoważyć naprężenie rozciągające poprzez przyłożenie odpowiedniego naprężenia wstępnego. Z tego powodu sprężyny talerzowe poddawane obciążeniom dynamicznym należy obciążać wstępnie do wartości co najmniej s = od 0,15 do 0,20 h0.

Naprężenie obliczone dla zakresu roboczego należy porównać z wykresami zmęczenia na rys. 1-3. Podają one standardowe wartości dopuszczalnego zakresu naprężeń dla N ≥ 2 ∙ 106, N = 5 ∙ 105 i N = 105 cykli obciążeń w zależności od minimalnego naprężenia σu dla sprężyn talerzowych nieśrutowanych, poddawanych obciążeniu dynamicznemu. Wartości pośrednie dla innych cykli obciążeń można oszacować.

Dla każdej z 3 grup produkcyjnych zgodnych z DIN 2093 podano wykres zmęczeniowy. Grupy te dzieli się w zależności od grubości talerzy:

• Grupa 1: t < 1,25 mm

• Grupa 2: t = 1,25 – 6 mm

• Grupa 3: t > 6 – 14 mm

Wykresy te zostały opracowane na podstawie badań laboratoryjnych przeprowadzonych na maszynach do prób o równomiernym obciążeniu sinusoidalnym z wykorzystaniem oceny statystycznej, przy założeniu wskaźnika trwałości na poziomie 99%. Oznacza to, że dla dostatecznie dużej próbki można oczekiwać, że wskaźnik wadliwości powstałej w wyniku zmęczenia będzie wynosił 1%.
Wykresy odnoszą się do pojedynczych sprężyn oraz stosów sprężyn zawierających do 10 pojedynczych sprężyn ułożonych w stos w seriach, eksploatowanych w temperaturze pokojowej, z utwardzonymi i idealnie wykończonymi wewnętrznymi i zewnętrznymi elementami prowadzącymi oraz o minimalnym ugięciu przy obciążeniu wstępnym wynoszącym s1 = 0,15 do 0,20 h0

Należy zauważyć, że w praktyce rodzaj przyłożonego obciążenia często odbiega od blisko sinusoidalnej częstotliwości. W przypadku cyklu obciążeń typu uderzeniowego oraz w wyniku częstotliwości naturalnych, rzeczywiste obciążenie materiału jest zdecydowanie większe od wartości obliczeniowej. Wartości z wykresów można stosować tylko w odniesieniu do tych rodzajów obciążeń po uwzględnieniu stosownych współczynników bezpieczeństwa.

W przypadku sprężyn talerzowych wykonanych z materiałów innych niż określone w normie DIN 2093, w przypadku stosów sprężyn zawierających więcej niż 10 sztuk lub wielu sprężyn pojedynczych ułożonych równolegle, a także w przypadku innych niekorzystnych wpływów natury chemicznej lub cieplnej, brakuje na chwilę obecną dostatecznych danych, umożliwiających przewidywanie trwałości zmęczeniowej. W takich przypadkach należy zastosować dodatkowe współczynniki bezpieczeństwa.