Lò xo đĩa

CT32EN 16983:2016 (DIN 2092) – Almen–László

Lực và ứng suất của 1 đĩa tại độ nén s, sau đó nhân theo cách xếp chồng: n đĩa song song (cộng lực), i nhóm nối tiếp (cộng hành trình).

Giải thích chi tiết

Bài toán dùng để làm gì

Lò xo đĩa (vòng côn mỏng) cho lực rất lớn với hành trình rất ngắn: dùng trong cụm kẹp dao trục chính máy CNC, đồ gá kẹp thủy lực tự hãm, phanh lò xo, đệm chống lỏng bulông. Bài toán tính lực của 1 đĩa ở độ nén s, ứng suất ở các mép, rồi nhân lên cho cả bộ đĩa xếp chồng.

Hình dung đơn giản

Hãy tưởng tượng

Lò xo đĩa giống một cái nón lá rất dẹt làm bằng thép. Ấn nón xuống cho phẳng thì mép trên bị nén, mép dưới bị kéo. Xếp các đĩa úp – ngửa nối tiếp thì hành trình cộng lại (như nối dài lò xo); xếp chồng cùng chiều thì lực cộng lại (như nhiều lò xo đứng song song).

Kiến thức nền cần có

Đọc lại các mục sau ở Chương 0 nếu chưa nắm chắc: 0.3 lực · 0.5 ứng suất · 0.6 vật liệu · 0.7 hệ số an toàn · 0.14 mỏi

Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu

Ký hiệuÝ nghĩaĐơn vịLấy số liệu ở đâu
De, DiĐường kính ngoài, đường kính trong của đĩammCatalogue DIN 2093 (ví dụ A40: 40 × 20,4)
tChiều dày đĩammCatalogue
h0Chiều cao côn khi chưa nén (độ “phồng” của đĩa)mmCatalogue; = chiều cao tổng l0 − t
sĐộ nén của 1 đĩammChọn; thường làm việc ≤ 0,75·h0
E, μMô-đun đàn hồi, hệ số PoissonMPa, –Thép 206 000; 0,3
np, niSố đĩa xếp cùng chiều trong 1 nhóm; số nhóm xếp úp – ngửa nối tiếpcáiThiết kế bộ lò xo
σOM cho phépỨng suất cho phép ở mép trên khi ép phẳngMPaEN 16983 theo vật liệu (51CrV4, C67S…)

Xây dựng công thức từng bước

Công thức tổng quát không “từ trên trời rơi xuống”: nó được ghép từ những công thức con đơn giản. Đi lần lượt từng bước:

Bước 1. Các hệ số hình dạng

Tỉ số đường kính δ quyết định các hệ số K1, K2, K3 của lý thuyết Almen – László:


δ = De/Di ; K1 = (1/π)·((δ−1)/δ)² / [(δ+1)/(δ−1) − 2/lnδ] ; K2 = (6/π)·[(δ−1)/lnδ − 1]/lnδ ; K3 = (3/π)·(δ−1)/lnδ

Bước 2. Hằng số chung

Gom phần lặp lại của mọi công thức thành một hằng số C (đơn vị MPa):


C = 4E/(1 − μ²) · t² / (K1·De²)

Bước 3. Lực của 1 đĩa

Lực không tăng thẳng theo độ nén mà cong dần (đĩa càng phẳng càng “mềm” đi):


F = C·t²·(s/t)·[(h0/t − s/t)·(h0/t − s/(2t)) + 1] ; Fc = F(s = h0)

Bước 4. Ứng suất kiểm tra tĩnh

Mép trên phía trong khi ép phẳng là điểm bị nén mạnh nhất, dùng để kiểm tra tĩnh:


σOM = −C·(h0/t)·3/π ; |σOM| ≤ cho phép

Bước 5. Ứng suất các mép (cho mỏi)

σI nén ở mép trong phía trên; σII, σIII kéo ở mép trong và mép ngoài phía dưới – nơi vết nứt mỏi bắt đầu:


σII = −C·(s/t)·[K2(h0/t − s/2t) − K3] ; σIII = −C·(s/t)/δ·[(K2 − 2K3)(h0/t − s/2t) − K3]

Bước 6. Bộ lò xo xếp chồng

Đĩa cùng chiều cộng lực, nhóm nối tiếp cộng hành trình:


Ftổng = np·F ; stổng = ni·s ; L0 = ni·(h0 + np·t)

Hình CT32.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận
Hình CT32.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận

Lời giải mẫu từng bước (số liệu mẫu của công cụ tính ở đầu trang)

Bước A – Số liệu đầu vào (ô vàng của công cụ tính). Đây là bộ số ví dụ có sẵn; khi làm thật bạn thay bằng số của mình:

TTĐại lượngKý hiệuGiá trịĐơn vịGhi chú / nguồn
1Đường kính ngoàiDe40mmVí dụ DIN 2093 A40: 40 × 20,4 × 2,25, h0 = 0,9
2Đường kính trongDi20,4mm
3Chiều dàyt2,25mm
4Chiều cao côn tự doh00,9mm
5Độ nén 1 đĩas0,675mmThường làm việc ≤ 0,75·h0
6Mô-đun đàn hồiE206 000MPa
7Hệ số Poissonμ0,3
8Số đĩa song song mỗi nhómnp1
9Số nhóm nối tiếpni1
10Ứng suất σOM cho phép (tĩnh)sOz1 600MPaTra EN 16983 theo vật liệu (51CrV4, C67S…)

Bước B – Tính lần lượt (web tự tính, bạn có thể bấm tay để kiểm tra lại). Dòng xanh lá là kết quả chính:

TTĐại lượngKý hiệuKết quảĐơn vịCông thức / cách tính
11Tỉ số đường kính δδ1,96δ = De/Di
12K1K10,686K1 = (1/π)·((δ−1)/δ)² / [(δ+1)/(δ−1) − 2/lnδ]
13K2K21,21K2 = (6/π)·[(δ−1)/lnδ − 1]/lnδ
14K3K31,36K3 = (3/π)·(δ−1)/lnδ
15Hằng số 4E/(1−μ²)·t²/(K1·De²)C4 176MPa
16Lực 1 đĩa tại sF6 500NF = 4E/(1−μ²)·t⁴/(K1De²)·(s/t)·[(h0/t − s/t)(h0/t − s/2t) + 1]
17Lực khi ép phẳng (s = h0)Fc8 456NFc = F(s = h0)
18σOM (mép trên, ép phẳng)σOM-1 595MPaσOM = −C·(h0/t)·3/π – kiểm tra tĩnh
19|σOM| ≤ cho phépKiểm traĐẠT
20σI (mép trong trên – nén)σI-2 086MPaσI = −C·(s/t)·[K2(h0/t − s/2t) + K3]
21σII (mép trong dưới – kéo)σII1 328MPaσII = −C·(s/t)·[K2(h0/t − s/2t) − K3]
22σIII (mép ngoài dưới – kéo)σIII1 112MPaσIII = −C·(s/t)/δ·[(K2−2K3)(h0/t − s/2t) − K3]
23Lực bộ lò xoFt6 500NF tổng = n·F (bỏ qua ma sát giữa các đĩa)
24Hành trình bộ lò xost0,675mms tổng = i·s
25Chiều dài tự do bộL03,15mmL0 = i·(h0 + n·t)

Bước C – Kết luận ví dụ

Kết quả chính: Lực 1 đĩa tại s = 6 500 N; σII (mép trong dưới – kéo) = 1 328 MPa; σIII (mép ngoài dưới – kéo) = 1 112 MPa; Lực bộ lò xo = 6 500 N; Hành trình bộ lò xo = 0,675 mm.

Kiểm tra: |σOM| ≤ cho phép: ĐẠT.

Nếu đổi số liệu ở ô vàng, mọi kết quả tự tính lại. Ô nào báo KHÔNG ĐẠT thì xem mục Áp dụng thực tế bên dưới để biết cần sửa gì.

Áp dụng thực tế và lưu ý

  • Không nên ép đĩa phẳng hoàn toàn khi làm việc; giữ s ≤ 0,75·h0 để lực ổn định và tuổi thọ cao.
  • Lò xo chịu tải lặp: nén sơ bộ ít nhất 0,15–0,2·h0 để tránh nứt ở mép dưới; so max(σII, σIII) ở hai đầu chu kỳ với biểu đồ Goodman EN 16983.
  • Xếp nhiều đĩa cùng chiều có ma sát giữa các đĩa: lực khi nén lớn hơn lực khi nhả vài phần trăm mỗi đĩa; bảng tính bỏ qua phần này.
  • Bộ lò xo phải có trục hoặc ống dẫn hướng (chừa khe hở theo catalogue) và đĩa ngoài cùng nên tì lên mặt phẳng cứng, đã tôi.

Nhóm: Kết cấu – sức bền vật liệu

Gồm: CT33 dầm chịu uốn và cột chịu nén (khung, đồ gá) · CT34 dầm siêu tĩnh (ngàm – gối, ngàm – ngàm) · CT35 ứng suất phẳng – vòng mohr – thuyết bền · CT36 tải trọng va chạm · CT37 giãn nở nhiệt và ứng suất nhiệt · CT38 tấm tròn chịu áp suất và ống thành dày · CT39 ống / bình trụ chịu áp suất trong · CT40 nâng hạ: cáp, nhánh treo và tai cẩu

← CT31 Lò xo xoắn  ·  CT33 Dầm, cột, khung →

Lên đầu trang