选择碟形弹簧原材料时需考虑的因素

作者 John Valvoda, 碟形弹簧应用专家

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碟形弹簧是实现指定行程范围内力值稳定且可预测的理想功能部件。与其他类型的弹簧（包括贝勒维尔垫圈）不同，碟形弹簧具有可预测的疲劳寿命，且该寿命可通过计算得出。这种经过专门设计的高性能弹簧在可靠性和可预测性方面无与伦比。虽然碟形弹簧看起来像一个简单的锥形垫圈，但选择正确的碟形弹簧或碟形弹簧组的过程却相当专业。

为碟形弹簧选择合适的材料，与为您的应用选择合适尺寸的碟形弹簧同样重要。原因在于，原材料的选择会受到以下因素的影响：

1. 载荷
2. 工作环境
3. 疲劳寿命
4. 成本

以下是对上述（4）个变量的概述，以及每个变量如何影响碟形弹簧材料的选择。

dsc disc spring stacks in carbon and stainless steel

图 1
碟形弹簧有多种材质可供选择。图中展示的是碳钢（左）和 17-7 不锈钢（右）材质的碟形弹簧。

载荷

通常情况下，碳钢和合金钢制圆盘弹簧因其“弹性”而表现最佳。经过热处理后，碳钢和合金钢（也称为弹簧钢）还具有极佳的耐用性和抗疲劳性。通常情况下，与同尺寸的301或17-7不锈钢碟形弹簧相比，碳钢或合金钢碟形弹簧能提供更大的弹力输出（高出5-6%）。虽然弹簧钢在普通环境下能提供卓越的性能，但在高温条件下其性能可能会开始下降。不锈钢碟形弹簧具有更好的耐温性，但在极端温度下，其保持弹力的能力仍不及镍基合金（如Inconel）碟形弹簧等特种材料。在需要防腐蚀保护的情况下，设计工程师应权衡以下两种方案的成本效益：使用2或3个并联的不锈钢碟形弹簧，与使用一个经机械镀锌或 ArmorGalv^® （一种锌合金热扩散涂层）处理的碳钢或合金钢碟形弹簧——这两种方案均可达到相同的弹力。

运行环境注意事项

在综合考虑所有参数的情况下，选择碟形弹簧的原材料可能相当复杂。工作温度和腐蚀风险是选择材料和/或涂层时的主要因素。

例如:

在涉及极端温度的航空航天应用中，使用因科镍（Inconel）碟形弹簧是否合适？这或许可行，但您也可以考虑采用不同结构的17-7不锈钢碟形弹簧，以在组件中实现所需的性能。弹簧钢可能无法承受腐蚀性环境。在这种情况下，特别是在动态应用中，17-7不锈钢可能是最佳选择。
在制动系统中，耐用性至关重要。保持清洁尤为关键，以防止杂质进入制动管路。乍看之下，不锈钢似乎是理所当然的选择。但如果在实际应用中，碟形弹簧浸没在液压油中呢？未涂层碳钢和合金钢制成的碟形弹簧不仅性能优异，且成本更低，而且浸没在液压油中的碟形弹簧也能得到有效的防腐蚀保护。

疲劳寿命

碟形弹簧的选材会影响其在实际应用中的预计疲劳寿命。影响碟形弹簧疲劳寿命的最大因素是，作用在其上的应力与原材料的抗拉强度或屈服强度之间的接近程度。次要因素是循环过程中最大应力与最小应力之间的差异。差异越大，疲劳寿命越短。另一个需要考虑的重要因素是碟形弹簧在具体应用中的使用方式。该碟形弹簧是用于静态、动态还是冲击工况？在动态工况下，300系列不锈钢会发生加工硬化，与17-7不锈钢及碳钢/合金钢相比，其疲劳寿命可能更短。在做出最终决定之前，应计算该具体应用中碟形弹簧的疲劳寿命。

成本

显然，原材料越稀有，碟形弹簧的成本就越高。然而，成本真的是主要决定因素吗？一种使用寿命更长、无需频繁更换的稀有材料，从整体来看是否更具成本效益？或者，如果采用市售的标准材料制造的碟形弹簧虽然需要更频繁地更换，但考虑到组件的预期使用寿命，其总体成本是否反而更低？成本问题并非表面看起来那么简单。

疲劳寿命: 1.25mm ≤ t ≤ 6.0mm

图 2
DSC 50 x 25.4 x 2 碟形弹簧的估计疲劳寿命
Y轴 = 最大差应力 N/mm2
X轴 = 最小拉应力 N/mm2