Ermüdungsversagensanalyse und Vorbeugung von Wellenfedern

I.Einleitung 

Obwohl die Federindustrie ein kleiner Industriezweig im gesamten Maschinenbau ist, darf ihre Rolle nicht unterschätzt werden. Mit zunehmender Offenheit

Mit der kontinuierlichen Vertiefung der industriellen Automatisierung wurden importierte Industrieausrüstungen wie Maschinenbau, Automobilindustrie, Petrochemie und Energie in China weit verbreitet eingesetzt. Wir haben auch einige neue Arten von Komponenten mit überlegener Leistung kennengelernt, und mehrschichtige Wellenfedern sind eine relativ neue Art von elastischen Elementen.

Eine gewöhnliche einschichtige Wellenfeder ist ein elastisches Element mit mehreren Spitzen und Tälern auf einem Metallring. Eine mehrschichtige Wellenfeder scheint aus mehreren gewöhnlichen einschichtigen Federn zu bestehen, der Unterschied besteht jedoch darin, dass sie nicht einfach gestapelt, sondern durch einen speziellen kontinuierlichen Wickelprozess verarbeitet wird.

II. Klassifizierung und Funktionsprinzip

Wellenfedern werden normalerweise unterteilt in: eine einschichtige Wellenfeder

Einschichtige geschlossene Wellenformfeder in Form eines „O“, einlagige offene Wellenformfeder in Form eines „C“; b.Mehrschichtige Spitze-zu-Spitze-Wellenformfeder (Serie); c.Mehrschichtiger gestapelter Peaktyp, auch bekannt als verschachtelter (paralleler) Typ; Einschichtige Wellenformfeder: Geeignet für Arbeitsbedingungen mit kurzer Verschiebung und mittlerer bis geringer Elastizität, mit guter Zuverlässigkeit und hohem Arbeitsprinzip: Wellenformfeder hat die Genauigkeit der doppelten Arbeitsprinzipien von Zylinderfeder und Tellerfeder. Mehrschichtige Wellenformfeder Spitze-zu-Spitze-Typ (Serie): Der Elastizitätswert ist umgekehrt proportional zur Anzahl der Windungen, die hauptsächlich bei großen Verschiebungen und mittleren bis niedrigen Elastizitätsanforderungen verwendet wird und ein Ersatz für zylindrische Federn ist. Verschachtelter (paralleler) Typ: Der Kraftwert der Feder ist proportional zur Anzahl der Windungen, die alle präzisen Eigenschaften der Wellenformfeder beibehalten und gleichzeitig eine enorme Elastizität erzeugen können. In vielen Fällen kann die verschachtelte (parallele) Wellenformfeder anstelle der Tellerfeder verwendet werden.

Der Einfluss von Material und Temperatur auf Ermüdungsversagen ist für dasselbe Material derselbe: Materialien mit feiner Kornstruktur haben eine höhere Streckgrenze und Ermüdungsbeständigkeit als Materialien mit grober Kornstruktur; Eine oberflächenverstärkende Behandlung weist eine wesentlich höhere Ermüdungslebensdauer auf als eine nichtverfestigende Behandlung. Je geringer die Oberflächenrauheit des Materials ist, desto geringer ist die Spannungskonzentration und desto höher ist die Ermüdungsfestigkeit. Materialien mit metallurgischen Defekten verkürzen auch die Ermüdungslebensdauer, was zu einem frühen Ermüdungsversagen der Feder führt. Die aus gewöhnlichem Federstahl hergestellte Wellenfeder weist eine gute Elastizität, elektrische Leitfähigkeit und Verschleißfestigkeit auf. Bei normaler Temperatur (Temperatur 200) liegt das Ermüdungsversagen der Feder im normalen Bereich. Mit zunehmender Temperatur nimmt jedoch die Elastizität der Feder allmählich ab und das Ausfallphänomen nimmt erheblich zu.

Wellenfedern aus rostfreiem Stahlmaterial haben eine hohe Ermüdungslebensdauer und eine gute Entspannungsbeständigkeit, während Edelstahl auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit, nichtmagnetische und andere Eigenschaften aufweist. Im Allgemeinen gilt Edelstahl, wenn die Temperatur höher als 400 °C ist, aber spezieller Edelstahl weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit, nichtmagnetische und andere Eigenschaften auf, und selbst wenn die Arbeitstemperatur 650 erreicht, weist er immer noch eine hohe Beständigkeit auf Entspannung und Ermüdung auf, was es zu einem unersetzlichen Material in speziellen Arbeitsumgebungen macht.

Viertens: Verhinderung von Ermüdungsversagen von Wellenfedern

Im Folgenden sind die Last- und Spannungsberechnungsformeln für Wellenfedern aufgeführt. Wir können diese Formeln verwenden, um die Spannung von Wellenfedern so zu bestimmen, dass sie in einem Zustand niedrigere Spannung verwendet werden, wodurch Ermüdungsversagen von Wellenfedern weniger wahrscheinlich werden.

(1) Berechnungsformel für einschichtige Wellenfedern: f=PKDm/Ebt3N4*ID/OD

S=3IIPDm/4bt2N2;

(2) Die Berechnungsformel für mehrschichtige Serien- oder Spitze-zu-Spitze-Wellenformfedern: f=PKDm3Z/Ebt3N4*ID/OD;

S=3IIPDm/4bt2N2

(3) Der mehrschichtige Spitzentyp, auch bekannt als Berechnungsformel für verschachtelte oder parallele Wellenformfedern; F=PKDm3/Ebt3N4Z*IDOD;

S=3IIPDm/4bt2N2Z;

Wobei: f=Verschiebung; P=Letzter; K = Multi-Turn-Koeffizient; Dm = durchschnittlicher Durchmesser; Z=Anzahl der Windungen; E = Elastizitätsmodul; b=Breite des Materials;

t=Dicke des Materials; N=Wellenzahl; ID=Innendurchmesser; OD = Außendurchmesser; S=Biegespannung; Durch Ermüdungstests an Wellenfedern haben wir herausgefunden, dass die Ermüdungslebensdauer von Wellenfedern viel größer als das 500.000-fache ist, normalerweise mehr als 1 Million Mal. Der Außendurchmesser D = 137 mm, der Innendurchmesser d = 125 mm, die Dicke t = 0,8 mm, die Spitzenhöhe H = 6 mm und die Arbeitsverschiebung 3,5 mm, der Arbeitskraftwert F = 1225 N. Diese Spezifikation der Wellenfeder wird seit mehr als drei Jahren von einem petrochemischen Unternehmen verwendet. und die Lebensdauer der Feder hat das 1,8-Millionen-fache erreicht, und einige haben sogar eine längere Lebensdauer.

Daher sollten wir bei der Konstruktion einer Wellenfeder eine angemessene Spitzenhöhe und Materialdicke basierend auf der Last und Verschiebung wählen, die Spannung der Wellenfeder effektiv kontrollieren und einstellbare Wellenzahlen verwenden, um die Ermüdungsversagen der Wellenfeder effektiver zu kontrollieren.