Auswahlhilfe für Belleville-Unterlegscheiben: Dimensionierung, Serie und Stapelung

Das System der DIN EN 16983-Reihe verstehen

Belleville-Unterlegscheiben sind kein Einheitsprodukt. Die alte Norm DIN 2093, die nun in die DIN EN 16983 übergegangen ist, unterteilt Unterlegscheiben anhand ihrer Abmessungsverhältnisse in drei verschiedene Serien. Der Serienbuchstabe verrät Ihnen direkt das Steifigkeitsprofil der Unterlegscheibe. Die Verwendung einer Unterlegscheibe der Serie A in einem empfindlichen Aluminiumflansch führt zu Einbettungen und Verformungen, während eine Unterlegscheibe der Serie C möglicherweise nicht genügend Restklemmkraft liefert, um ein Selbstlockern in einer vibrierenden Umgebung zu verhindern.

Die Serie B dient als Arbeitspferd für die meisten Schraubverbindungen, die Vibrationsfestigkeit erfordern. Wenn Sie eine Unterlegscheibe der Serie B auf 75 % ihrer insgesamt verfügbaren Durchbiegung abflachen, ist der Lastanstieg stabil und vorhersehbar. Unterlegscheiben der Serie C eignen sich hervorragend für dynamische thermische Umgebungen, da sie erhebliche axiale Ausdehnungen einer Schraube absorbieren können, ohne die Klemmkraft so weit zu vervielfachen, dass das Befestigungselement einrastet.

Berechnen der richtigen Größe für die Schraube

Die physikalische Geometrie der Unterlegscheibe muss zum Schraubenschaft und der Gegenfläche passen. Dies beinhaltet drei kritische Maßprüfungen. Erstens muss der Innendurchmesser der Unterlegscheibe mit einem minimalen Spalt über den Hauptdurchmesser des Schraubengewindes hinausragen; Eine unsaubere Passform führt hier zu einer exzentrischen Belastung. Zweitens bestimmt der Außendurchmesser der Unterlegscheibe die Lagerbelastung des eingespannten Materials. Wenn die Oberfläche unter der Unterlegscheibe weich ist, führt ein Überschreiten der Druckstreckgrenze zu einer Entspannung der Einbettung. Drittens bestimmen die Dicke der Unterlegscheibe und die Kegelhöhe im unbelasteten Zustand, wie weit Sie sie komprimieren können, bevor sie fest wird. Sie dürfen nicht zulassen, dass eine Belleville-Unterlegscheibe unter normalen Betriebslasten ihre flache Position erreicht; Sie müssen einen Sicherheitsabstand von mindestens einhalten 10-15 % des gesamten Auslenkweges um festen Kontakt zu verhindern.

Passende Unterlegscheiben-ID zur Schraubengröße

Standardmäßige metrische Größen werden gruppiert. Eine Unterlegscheibe für eine M8-Schraube hat typischerweise einen Innendurchmesser von etwa 8,4 mm. Bei strukturellen Anwendungen mit gerollten Gewinden kann der tatsächliche Durchmesser des Schraubenkörpers jedoch geringfügig unter dem Nenndurchmesser liegen. Überprüfen Sie als Basis die folgenden Paarungen:

• Für die M6-Schraube ist ein Unterlegscheiben-Innendurchmesser von ca. 6,4 mm und ein Außendurchmesser von typischerweise 12,5 mm oder 14 mm erforderlich.
• Für die M12-Schraube ist ein Unterlegscheiben-Innendurchmesser von ca. 13 mm und ein Außendurchmesser von typischerweise 23 mm oder 28 mm erforderlich.
• M20-Schrauben erfordern eine Unterlegscheibe mit einem Innendurchmesser von ca. 21 mm und einem Außendurchmesser von typischerweise 36 mm oder 40 mm.

Durch die Wahl eines übergroßen Außendurchmessers wird die Reaktionskraft auf eine größere Fläche verteilt, wodurch der Oberflächendruck verringert wird. Dies ist entscheidend beim Spannen von Glasfaserflanschen oder weichem Aluminium, wo die Oberflächenspannung niedrig bleiben muss 100 MPa .

Stapelkonfigurationen und ihre Federraten

Das Stapeln verändert die Leistungsgrenzen einer einzelnen Waschmaschine. Die drei grundlegenden Stapelanordnungen führen zu völlig unterschiedlichen Last-Weg-Identitäten. Ein Parallelstapel vervielfacht die für eine gegebene Durchbiegung erforderliche Kraft, während ein Reihenstapel die für eine gegebene Kraft verfügbare Gesamtdurchbiegung vervielfacht. Durch die Mischung entsteht ein progressives Federsystem mit einem Kniepunkt in der Kurve.

Paralleles Stapeln für mehr Kraft

Legen Sie identische Unterlegscheiben ineinander, alle mit der gleichen Ausrichtung. Zwei parallel geschaltete Unterlegscheiben verdoppeln die Kraftabgabe bei gleicher Auslenkung. Fünf parallel geschaltete Unterlegscheiben verfünffachen die Kraft. Allerdings erhöht die Reibung zwischen den ineinander geschachtelten Kegeln die Hysterese. In der Praxis erfährt ein Stapel von vier Unterlegscheiben parallel eine Reibungsverlust von ca. 6-8 % im Vergleich zur theoretischen linearen Multiplikation. Das Schmieren der Passflächen mit Molybdändisulfidpaste ist für eine vorhersehbare Umwandlung von Drehmoment in Vorspannung in parallelen Stapeln mit mehr als drei Unterlegscheiben erforderlich.

Reihenstapelung für lange Reisen

Wechseln Sie die Ausrichtung der einzelnen Unterlegscheiben, sodass sie einander gegenüberliegen. Zwei in Reihe geschaltete Unterlegscheiben verdoppeln die gesamte Durchbiegungskapazität bei gleichem Kraftniveau. Ein Stapel von vier Stück in Reihe bietet den vierfachen Hub. Diese Anordnung ist ideal für die Live-Belastung eines verschraubten Flansches, der einer zyklischen Wärmeausdehnung ausgesetzt ist. Der Stapel wirkt wie eine nachgiebige Feder und hält die Klemmkraft über einen Spalt aufrecht, der sich um mehrere Millimeter ausdehnt und zusammenzieht.

Gemischtes Stapeln für progressive Kurven

Kombinieren Sie einen Satz Parallelscheiben mit einem Satz Reihenscheiben. Eine typische Konfiguration ist ein „dreifach paralleler, doppelt serieller“ Stapel. Dies bedeutet, dass drei Unterlegscheiben ineinander verschachtelt (parallel) und dann zwei dieser Dreifachverschachtelungen gegenüberliegend (in Reihe) angeordnet sind. Die Federkurve folgt zunächst dem steifen, kraftstarken Verlauf der Paralleltripel. Wenn sich das Gelenk unter Überlastung leicht trennt, greift der Serienwiderstand ein und die Federrate verringert sich drastisch, wodurch ein starker Anstieg der Schraubenspannung verhindert wird, der andernfalls zu einem Ermüdungsversagen führen würde.

Materialauswahl und Korrosionsschnittstellen

Das Grundmetall der Unterlegscheibe bestimmt deren Ermüdungslebensdauer und Korrosionsbeständigkeit. Standard-Kohlenstoffstahl (C67S, 1.5014), vergütet auf 42–48 HRC, deckt die meisten Innenanwendungen ab. Für strukturelle Verschraubungen im Freien oder in Meeresumgebungen ist Edelstahl AISI 316 oder Inconel 718 erforderlich, diese weisen jedoch im Vergleich zu legiertem Federstahl eine erhebliche Verringerung der Zugsteifigkeit auf.

Kombinieren Sie niemals eine Belleville-Unterlegscheibe aus hartem Kohlenstoffstahl mit einer weichen Edelstahlschraube ohne dazwischenliegende gehärtete Unterlegscheibe. Die konische Kante der Federscheibe dringt in die Auflagefläche des Bolzens ein und erzeugt einen Spannungsanstieg, der Ermüdungsrisse auslöst. Eine dünne, oberflächengehärtete Unterlegscheibe mit abgeschrägter Bohrung schützt den Kehlkopfradius des Schraubenkopfes.

Vorspannung mit Tellerfedern einstellen

Die Verwendung eines Drehmoments zum Einstellen der Vorspannung eines Belleville-Stapels ist unzuverlässig, da die Federauslenkung und nicht das Drehmoment die Klemmkraft bestimmt. Die richtige Methode besteht darin, die Auslenkung der Feder bei der gewünschten Vorspannung zu berechnen und dann festzuziehen, bis diese physische Auslenkung gemessen wird. Für eine einzelne Unterlegscheibe der Serie B mit 2,15 mm Gesamtweg könnten Sie Ihr Ziel erreichen 1,5 mm Durchbiegung (70 % des Federwegs) um die Nennflachlast zu erreichen. Dies wird mit einer Messuhr oder einem Tiefenmikrometer überprüft, das den Spalt zwischen den eingespannten Platten misst. Wenn der Unterlegscheibenstapel verborgen ist, verwenden Sie eine hydraulische Spannung oder messen Sie die Schraubendehnung mit Ultraschall. Die alleinige Verwendung eines Drehmomentschlüssels kann zu einer Streuung der Vorspannung führen ±25 % , was häufig den elastischen Arbeitsbereich der Waschmaschine überschreitet.

Vermeiden häufiger Fehlermodi

Ermüdungsversagen beginnt normalerweise an der Innenkante der Unterlegscheibe, wo sich die Umfangszugspannungen während der Kompression konzentrieren. Das Kugelstrahlen der konkaven Oberfläche der Unterlegscheibe verzögert die Rissbildung. Stellen Sie sicher, dass die Auflagefläche am Innendurchmesser frei von scharfen Graten oder Schweißspritzern ist. Ein Grat am Bolzenschaft fungiert als Schneidwerkzeug, ritzt die Unterlegscheibenbohrung ein und erzeugt einen Bruchursprung. Ein weiterer übersehener Fehler ist das umgekehrte Stapeln. Wenn eine einzelne Unterlegscheibe versehentlich umgedreht wird, verliert die Verbindung vollständig ihre Federfunktion und wird zu einer flachen Verbindung, die sich sofort lösen kann. Markieren Sie nach dem Zusammenbau immer den äußeren Rand paralleler Stapel mit einem Farbstift, damit eine umgekehrte Unterlegscheibe bei der Inspektion optisch erkennbar ist.

Anwendungscheckliste für Hochvibrationsverbindungen

Bevor Sie einen Entwurf fertigstellen, überprüfen Sie diese fünf Punkte. Erstens muss die Klemmlänge der Schraube so groß sein, dass die Durchbiegung der Unterlegscheibe einen sinnvollen Anteil an der Gesamtelastizität der Verbindung ausmacht. Zweitens darf die Unterlegscheibe bei maximaler Betriebslast nicht durchgedrückt werden. Drittens muss die Lagerfläche gehärtet oder durch eine Unterlegscheibe geschützt werden. Viertens sollte die Anzahl der parallelen Unterlegscheiben vier nicht überschreiten, ohne dass die Reibung beeinträchtigt wird. Fünftens muss das Material der oberen Temperaturgrenze der Umgebung standhalten, ohne die Temperatur zu verlieren. Das Fehlen einer dieser Prüfungen beeinträchtigt den Hauptgrund für die Wahl einer Belleville-Unterlegscheibe gegenüber einer geteilten Sicherungsscheibe, die nach einer geringen Einbettung ihre Spannung verliert.