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碟形弹簧
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碟簧主要表面处理方式及特性

碟簧作为机械装备中 “以小承大” 的关键弹性元件，广泛应用于螺栓预紧、液压阀组、风电变桨等核心场景，其服役可靠性直接决定整机运行安全。然而，据行业失效分析数据显

铍青铜碟形弹簧

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DIN6797-碟形垫圈

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    • 碟形弹簧介绍

    碟形弹簧设计计算

    碟形弹簧型式品种繁多，设计计算方法也有数十种之多。这里只介绍普通等截面碟形弹簧的标准GB/T1972-2005采用的设计计算方法。

    1. 碟形型式

    单片碟形弹簧的结构型式分两种 ：一种是无支承面碟形弹簧（图1-a）；另一种是有支承面碟形弹簧（图1-b）。

    图1-a 无支承面 图1-b有支承面

    2、 碟簧尺寸、参数名称及单位

    碟簧尺寸、参数名称、代号及单位按表1的规定。


    表 1

    尺寸、参数名称

    代 号

    单 位

    外径

    D

    mm

    内径

    d

    中性径

    D0

    厚度

    t

    有支承面碟簧减薄厚度

    t?

    单片碟簧的自由高度

    H0

    组合碟簧的自由高度

    Hz

    无支承面碟簧压平时变形量的计算值 h0 = H0 - t

    h0

    有支承面碟簧压平时变形量的计算值h0? = H0 - t?

    h0?

    支承面宽度

    b

    单片碟簧压平时的计算高度

    Hc

    组合碟簧压平时的计算高度

    Hzc

    单片碟簧的负荷

    F

    N

    压平时的碟簧的负荷的计算值

    Fc

    与变形量fz对应的组合碟簧负荷

    Fz

    考虑摩擦时叠合组合碟簧负荷

    FR

    对应于碟簧变形量f1 ，f2 ，f3 ，…… 的负荷

    F1，F2 ，F3 ，……

    单片碟簧在f = 0.75 h0 时的负荷

    Ff = 0.75 h0

    与碟簧负荷F1，F2 ，F3 ，……对应的碟簧高度

    F1，F2 ，F3 ，……

    mm

    单片碟簧的变形量

    f

    对应于碟簧负荷F1，F2 ，F3 ，……的变形量

    f1 ，f2 ，f3 ，……

    不考虑摩擦力时叠合组合碟簧或对合组合碟簧的变形量

    fz

    负荷降低值（松弛）

    ΔF

    N

    高度减少值（蠕变）

    ΔH

    mm

    对合组合碟簧中对合碟簧片数或叠合组合碟簧中叠合碟簧组数

    i


    叠合组合碟簧中碟簧片数

    n

    碟簧刚度

    F?

    N/mm

    碟簧变形能

    U

    N·mm

    组合碟簧变形能

    UZ

    直径比C = D/d

    C


    碟簧疲劳破坏时负荷循环次数

    N

    摩擦系数

    fM，fR

    弹性模量

    E

    N/mm?

    泊松比

    ?


    计算系数

    K1，K2 ，K3 ，K4

    N/mm?

    计算应力

    σ

    位置OM、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ处（见图1）的计算应力

    σOM，σⅠ，σⅡ，σⅢ，σⅣ

    kg

    变负荷作用时计算上限应力

    σmax

    变负荷作用时计算下限应力

    σmin

    变负荷作用时对应于工作行程的计算应力幅

    σa

    疲劳强度上限应力

    σr max

    疲劳强度下限应力

    σr min

    疲劳强度应力幅

    σra

    质量

    m

    注：中性径指碟簧截面翻转点（中性点）所在圆直径。 D0 =（D – d）/ ㏑（D/d）

    kg

    3、碟簧组合方式

    碟簧组合方式分还是为对合（图2）及叠合（图3）两种，可混合组合（图4）

    图2对合组合碟簧

    图3叠合组合碟簧


    图4 可混合对合组合碟簧

    对于杠杆臂的缩短，可以影响力的大。缘蔚删团缮鲇兄С忻娴牡，这样无支承面碟簧在上下面的支承面的影响下，力增大了。为使标准碟簧力不变，这样就可以将原有厚度减。焕唇谠甲试，二来减轻重量。所以标准碟簧的支承面宽度一般在D/150左右，其减薄比例为表2：

    表 2

    厚度比

    A

    B

    C

    t`/t

    0.94

    0.94

    0.96

    只有碟簧厚度t ≧ 6.5 mm 时才有应用，因为标准规定碟簧厚度t≧ 6.5 mm时是用锻坯加工的。

    ③、碟形弹簧f- F特性线不是线性的，不同的h0／t有不同的特性线。

    ④、碟形弹簧的理论计算公式与实际有差异。

    例如：B50碟簧计算和实测特性曲线有如图差异。

    其原因有：⒈）碟簧的理论与实际有不符之处；

    ⒉）当f / h0 > 0.75时，由于实际杠杆臂缩短，碟簧负荷比计算值要大，这部分的计算特性曲线与实测特性曲线有较大的差别，所以标准对负荷的偏差用Ff = 0.75h0考核。

    ⑤、叠合组合碟簧 FZ = n · F

    fz = f

    Hz = H0 + (n-1) ·t

    ⑥、对合组合碟簧 FZ = F

    fz = i · f

    Hz = i · H0

    ⑦、复合组合碟簧 FZ = n · F

    fz = i · f

    Hz = i ·[ H0 + (n-1) ]·t

    ⑧、实际设计与使用中要考虑摩擦力，具体加减系数可参见GB / T1972-2005。

    5、寿命设计

    碟簧作用负荷不变或在长时间内只有偶然变化，在规定寿命内变化次数 < 1×10次，称之为静载荷。而作用在碟簧上的负荷在预加负荷F1和工作负荷F2之间循环变化，在规定寿命内变化次数 > 1×10次，称之为变负荷。

    静载荷承载前用压平负荷效验Ff = h0产生的σOM ，应接近弹簧材料的屈服极限σs ，如用标准中的弹簧钢，一般σs = 1400–1600 N/mm?。

    变载荷的寿命是由Ⅱ处或Ⅲ处的预载和终载决定的。预载产生的应力为σmin ，终载产生的应力为σmax 。

    有了这两个预载，根据不同的厚度，再到GB / T1972-2005标准中三个疲劳强度曲线图中找出对应的寿命线域。如图所示。

    图 6 t < 1.25 mm 碟簧的疲劳强度曲线图

    图 7 1.25 mm ≤ t ≤ 6 mm 碟簧的疲劳强度曲线图

    图8 6 mm < t ≤ 16 mm 碟簧的疲劳强度曲线图

    碟形弹簧尺寸极限偏差

    一、厚度极限偏差

    厚度极限偏差见表1。

    表1 厚度极限偏差　　 单位为毫米

    组别

    t(t’)

    极限偏差

    1

    0.2≤t≤0.6

    +0.03

    –0.06

    0.6＜t＜1.25

    +0.03

    ?0.09

    2

    1.25≤t≤3.8

    +0.04

    ?0.12

    3.8＜t≤6.0

    +0.05

    ?0.15

    3

    6.0＜t≤14.0

    ±0.10

    二、外径、内径的极限偏差

    碟簧的外径、内径极限偏差按GB/T1800.4 标准要求，见表2。

    碟簧的外径、内径极限偏差分为Ⅰ级和Ⅱ级。

    表2 外径、内径极限偏差 单位为毫米

    外径或内径

    D

    d

    Ⅰ级（h12）

    Ⅱ级（h13）

    Ⅰ级（H12）

    Ⅱ级（H13）

    ＞3～6

    0

    ?0.12

    0

    ?0.18

    +0.12

    0

    +0.18

    0

    ＞6～10

    0

    ?0.15

    0

    ?0.22

    +0.15

    0

    +0.22

    0

    ＞10～18

    0

    ?0.18

    0

    ?0.27

    +0.18

    0

    +0.27

    0

    ＞18～30

    0

    ?0.21

    0

    ?0.33

    +0.21

    0

    +0.33

    0

    ＞30～50

    0

    ?0.25

    0

    ?0.39

    +0.25

    0

    +0.39

    0

    ＞50～80

    0

    ?0.3

    0

    ?0.46

    +0.3

    0

    +0.46

    0

    ＞80～120

    0

    ?0.35

    0

    ?0.54

    +0.35

    0

    +0.54

    0

    ＞120～180

    0

    ?0.4

    0

    ?0.63

    +0.4

    0

    +0.63

    0

    ＞180～250

    0

    ?0.46

    0

    ?0.72

    +0.46

    0

    +0.72

    0

    三、自由高度极限偏差

    表3 单片碟簧的自由高度极限偏差 单位为毫米

    组别

    t(t’)

    极限偏差

    1

    ＜1.25

    +0.10

    ?0.05

    2

    1.25≤t≤2

    +0.15

    ?0.08

    2＜t≤3

    +0.20

    ?0.10

    3＜t≤6

    +0.30

    ?0.15

    3

    6＜t≤16

    ±0.30

    四、碟簧负荷

    碟簧的检测负荷Ft，是在测试高度Ht=H0-0.75h0这一位置测得的。碟簧的负荷极限偏差见表5。如有其他特性要求或测试组合碟形弹簧，碟簧的负荷极限偏差应由供需双方协议商定。

    表5 碟簧负荷极限偏差

    组别

    t

    mm

    极限偏差（一级）

    Ft（Ht=H0-0.75h0）

    N

    极限偏差（二级）

    Ft（Ht=H0-0.75h0）

    N

    1

    t＜1.25

    +25%

    ?7.5%

    +30%

    -10%

    2

    1.25≤t≤3

    +15%

    ?7.5%

    +20%

    ?10%

    3＜t≤6

    +10%

    ?5%

    +15%

    -7.5%

    3

    6＜t≤16

    ±5%

    ±10%

    碟簧尺寸、型号、设计值

    一、A系列尺寸

    碟形弹簧：D/t≈18，h0/t≈0.4，E=206000MPa，ν=0.3。

    A系列尺寸参数见表1。

    表1　A系列碟簧尺寸

    组别

    D

    mm

    d

    mm

    t或tfa

    mm

    h0

    mm

    H0

    mm

    Ft

    N

    Ht

    mm

    σⅡ

    MPa

    σOM

    MPa

    s≈0.75h0

    s≈h0

    1

    8

    4.2

    0.4

    0.2

    0.6

    210

    0.45

    1218

    ?1605c

    10

    5.2

    0.5

    0.25

    0.75

    325

    0.56

    1218

    ?1595

    12.5

    6.2

    0.7

    0.3

    1

    660

    0.77

    1382

    ?1666c

    14

    7.2

    0.8

    0.3

    1.1

    797

    0.87

    1308

    ?1551

    16

    8.2

    0.9

    0.35

    1.25

    1013

    0.99

    1301

    ?1555

    18

    9.2

    1

    0.4

    1.4

    1254

    1.1

    1295

    ?1558

    20

    10.2

    1.1

    0.45

    1.55

    1521

    1.21

    1290

    ?1560

    2

    22.5

    11.2

    1.25

    0.5

    1.75

    1929

    1.37

    1296

    ?1534

    25

    12.2

    1.5

    0.55

    2.05

    2926

    1.64

    1419

    ?1622c

    28

    14.2

    1.5

    0.65

    2.15

    2841

    1.66

    1274

    ?1562

    31.5

    16.3

    1.75

    0.7

    2.45

    3871

    1.92

    1296

    ?1570

    35.5

    18.3

    2

    0.8

    2.8

    5187

    2.2

    1332

    ?1611c

    40

    20.4

    2.25

    0.9

    3.15

    6500

    2.47

    1328

    ?1595

    45

    22.4

    2.5

    1

    3.5

    7716

    2.75

    1296

    ?1534

    50

    25.4

    3

    1.1

    4.1

    11976

    3.27

    1418

    ?1659c

    56

    28.5

    3

    1.3

    4.3

    11388

    3.32

    1274

    ?1565

    63

    31

    3.5

    1.4

    4.9

    15025

    3.85

    1296

    ?1524

    71

    36

    4

    1.6

    5.6

    20535

    4.4

    1332

    ?1594

    80

    41

    5

    1.7

    6.7

    33559

    5.42

    1453

    ?1679c

    90

    46

    5

    2

    7

    31354

    5.5

    1295

    ?1558

    100

    51

    6

    2.2

    8.2

    48022

    6.55

    1418

    ?1663c

    112

    57

    6

    2.5

    8.5

    43707

    6.62

    1239

    ?1505

    3

    125

    64

    8(7.5)

    2.6

    10.6

    85926

    8.65

    1326

    ?1708c

    140

    72

    8(7.5)

    3.2

    11.2

    85251

    8.8

    1284b

    ?1675c

    160

    82

    10(9.4)

    3.5

    13.5

    138331

    10.87

    1338

    ?1753c

    180

    92

    10(9.4)

    4

    14

    125417

    11

    1201b

    ?1576

    200

    102

    12(11.25)

    4.2

    16.2

    183020

    13.05

    1227

    ?1611d

    225

    112

    12(11.25)

    5

    17

    171016

    13.25

    1137c

    ?1489

    250

    127

    14(13.1)

    5.6

    19.6

    248828

    15.4

    1221c

    ?1596

    a──t的值为标称值。对于减薄型带有支承面的碟簧，所需的弹簧负荷F通过减少单片碟簧的厚度得到（其中s≈0.75h0），然后给出值tf。在尺寸系列A和B的情况下，t'≈0.94×t，在尺寸系列C的情况下，t'≈0.96×t。

    b──这个值是位置Ⅲ处的最大计算拉应力。

    c──当σOM大于1600MPa时，应按GB/T 1972.1中8.2条规定，其σⅠ应小于3000MPa。

    二、B系列尺寸

    碟形弹簧：D/t≈28，h0/t≈0.75，E=206000MPa，ν=0.3。

    B系列尺寸参数见表2。

    表2　B系列碟簧尺寸

    组别

    D

    mm

    d

    mm

    t或tfa

    mm

    h0

    mm

    H0

    mm

    Ft

    N

    Ht

    mm

    σⅡ

    MPa

    σOM

    MPa

    s≈0.75h0

    s≈h0

    1

    8

    4.2

    0.3

    0.25

    0.55

    118

    0.36

    1312

    ?1505

    10

    5.2

    0.4

    0.3

    0.7

    209

    0.47

    1281

    ?1531

    12.5

    6.2

    0.5

    0.35

    0.85

    294

    0.59

    1114

    ?1388

    14

    7.2

    0.5

    0.4

    0.9

    279

    0.6

    1101

    ?1293

    16

    8.2

    0.6

    0.45

    1.05

    410

    0.71

    1109

    ?1333

    18

    9.2

    0.7

    0.5

    1.2

    566

    0.82

    1114

    ?1363

    20

    10.2

    0.8

    0.55

    1.35

    748

    0.94

    1118

    ?1386

    22.5

    11.2

    0.8

    0.65

    1.45

    707

    0.96

    1079

    ?1276

    25

    12.2

    0.9

    0.7

    1.6

    862

    1.07

    1023

    ?1238

    28

    14.2

    1

    0.8

    1.8

    1107

    1.2

    1086

    ?1282

    2

    31.5

    16.3

    1.25

    0.9

    2.15

    1913

    1.47

    1187

    ?1442

    35.5

    18.3

    1.25

    1

    2.25

    1699

    1.5

    1073

    ?1258

    40

    20.4

    1.5

    1.15

    2.65

    2622

    1.79

    1136

    ?1359

    45

    22.4

    1.75

    1.3

    3.05

    3646

    2.07

    1144

    ?1396

    50

    25.4

    2

    1.4

    3.4

    4762

    2.35

    1140

    ?1408

    56

    28.5

    2

    1.6

    3.6

    4438

    2.4

    1092

    ?1284

    63

    31

    2.5

    1.75

    4.25

    7189

    2.94

    1088

    ?1360

    71

    36

    2.5

    2

    4.5

    6725

    3

    1055

    ?1246

    80

    41

    3

    2.3

    5.3

    10518

    3.57

    1142

    ?1363

    90

    46

    3.5

    2.5

    6

    14161

    4.12

    1114

    ?1363

    100

    51

    3.5

    2.8

    6.3

    13070

    4.2

    1049

    ?1235

    112

    57

    4

    3.2

    7.2

    17752

    4.8

    1090

    ?1284

    125

    64

    5

    3.5

    8.5

    29908

    5.87

    1149

    ?1415

    140

    72

    5

    4

    9

    27920

    6

    1101

    ?1293

    160

    82

    6

    4.5

    10.5

    41108

    7.12

    1109

    ?1333

    180

    92

    6

    5.1

    11.1

    37502

    7.27

    1035

    ?1192

    3

    200

    102

    8(7.5)

    5.6

    13.6

    76378

    9.4

    1254

    ?1409

    225

    112

    8(7.5)

    6.5

    14.5

    70749

    9.62

    1176

    ?1267

    250

    127

    10(9.4)

    7

    17

    119050

    11.75

    1244

    ?1406

    t的值为标称值。对于减薄型带有支承面的碟簧，所需的弹簧负荷F通过减少单片碟簧的厚度得到（其中s≈0.75h0），然后给出值tf。在尺寸系列A和B的情况下，t'≈0.94×t，在尺寸系列C的情况下，t'≈0.96×t。

    三、C系列尺寸

    碟形弹簧：D/t≈40，h0/t≈1.3，E=206000MPa，ν=0.3。

    C系列尺寸参数见表3。

    表3　C系列碟簧尺寸

    组别

    D

    mm

    d

    mm

    t或tfa

    mm

    h0

    mm

    H0

    mm

    Ft

    N

    Ht

    mm

    σⅡ

    MPa

    σOM

    MPa

    s≈0.75h0

    s≈h0

    1

    8

    4.2

    0.2

    0.25

    0.45

    38

    0.26

    1034

    ?1003

    10

    5.2

    0.25

    0.3

    0.55

    58

    0.32

    965

    ?957

    12.5

    6.2

    0.35

    0.45

    0.8

    151

    0.46

    1278

    ?1250

    14

    7.2

    0.35

    0.45

    0.8

    123

    0.46

    1055

    ?1018

    16

    8.2

    0.4

    0.5

    0.9

    154

    0.52

    1009

    ?-988

    18

    9.2

    0.45

    0.6

    1.05

    214

    0.6

    1106

    ?1052

    20

    10.2

    0.5

    0.65

    1.15

    254

    0.66

    1063

    ?1024

    22.5

    11.2

    0.6

    0.8

    1.4

    246

    0.8

    1227

    ?1178

    25

    12.2

    0.7

    0.9

    1.6

    600

    0.92

    1259

    ?1238

    28

    14.2

    0.8

    1

    1.8

    801

    1.05

    1304

    ?1282

    31.5

    16.3

    0.8

    1.05

    1.85

    687

    1.06

    1130

    ?1077

    35.5

    18.3

    0.9

    1.15

    2.05

    832

    1.19

    1078

    ?1042

    40

    20.4

    1

    1.3

    2.3

    1017

    1.32

    1063

    ?1024

    2

    45

    22.4

    1.25

    1.6

    2.85

    1891

    1.65

    1253

    ?1227

    50

    25.4

    1.25

    1.6

    2.85

    1550

    1.65

    1035

    ?1006

    56

    28.5

    1.5

    1.95

    3.45

    2662

    1.99

    1218

    ?1174

    63

    31

    1.8

    2.36

    4.15

    4238

    2.39

    1351

    ?1315

    71

    36

    2

    2.6

    4.6

    5144

    2.65

    1342

    ?1295

    80

    41

    2.25

    2.95

    5.2

    6613

    2.99

    1370

    ?1311

    90

    46

    2.5

    3.2

    5.7

    7684

    3.3

    1286

    ?1246

    100

    51

    2.7

    3.5

    6.2

    8609

    3.57

    1235

    ?1191

    112

    57

    3

    3.9

    6.9

    10489

    3.97

    1218

    ?1174

    125

    64

    3.5

    4.5

    8

    15416

    4.62

    1318

    ?1273

    140

    72

    3.8

    4.9

    8.7

    17195

    5.02

    1249

    ?1203

    160

    82

    4.3

    5.6

    9.9

    21843

    5.7

    1238

    ?1189

    180

    92

    4.8

    6.2

    11

    26442

    6.35

    1201

    ?1159

    200

    102

    5.5

    7

    12.5

    36111

    7.25

    1247

    ?1213

    3

    225

    112

    6.5(6.2)

    7.1

    13.6

    44580

    8.27

    1137

    ?1119

    250

    127

    7(6.7)

    7.8

    14.8

    50466

    8.95

    1116

    ?1086

    t的值为标称值。对于减薄型带有支承面的碟簧，所需的弹簧负荷F通过减少单片碟簧的厚度得到（其中s≈0.75h0），然后给出值tf。在尺寸系列A和B的情况下，t'≈0.94×t，在尺寸系列C的情况下，t'≈0.96×t。

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