碟形彈簧的 A、B、C 換的是曲線形狀,不是強度

閱讀約 8 分鐘。碟形彈簧用 A、B、C 分系列,那幾個字母讀起來像強度等級,就像螺栓上的 8.8 與 10.9。它們是尺寸系列,而區分它們的是一組比例,不是一個評級。其中一個比例 h0/t 決定負載—變形曲線的形狀——那也正是一開始會裝一片碟形彈簧的唯一理由。

那個字母是一個比值

碟形彈簧是一個錐面。有兩個尺寸在描述它「錐到什麼程度」:h0,自由變形高度; 以及 t,材料厚度。系列字母記的就是兩者的比值。Schnorr 的產品手冊列的是 DIN 2093 的 尺寸,它在表格旁邊的說明裡寫得很直接:

前綴 A、B 或 C 表示對應的系列。

而三個系列坐落在那個比值的不同位置:

系列h0/t這片碟長什麼樣
A約 0.40相對於錐高偏厚
B約 0.75中間
C約 1.30相對於錐高偏薄

這三個的正式身分是尺寸系列,靠比例而不是靠評級來區分:外徑對厚度,以及錐高對厚度。 所以那個字母不是螺栓上 8.8 與 10.9 那種強度等級。A、B、C 沒有任何一個在說誰比較強。 會變的是曲線的形狀,而那是一個你去挑的性質,不是一個可以排名的性質。

用比值當規格有一個代價,而它在小尺寸上先出現。h0 與 t 在一片小碟上都是小數字, 兩個小數字之間的比值,正是製造公差第一個會移動的東西——而手冊自己的厚度公差表, 隨著碟片變薄,比例上是變粗的。定義曲線的那個比值,在碟片最薄的地方被守得最鬆。

那個比值買到的是什麼

會去指定那個比值,理由是負載—變形曲線的形狀。Schnorr 的技術頁把可選的範圍寫了出來:

特性曲線可以設計成線性、遞減,甚至遞增。

而另一家製造商 MW Components 把單片碟的曲線隨比值上升怎麼變,排成了一個梯子:

h/t曲線
0.4 以下接近線性
約 1遞減——壓下去的過程中變平
1.4定負載
1.4 以上負型(負剛度)

同一份型錄把小比值那一端寫得很直接:這個比值小的時候(到 0.4 為止),形狀接近一條直線。 把梯子對回系列的數值,C 系列在 1.30 左右,就坐在定負載那一格的下面一點。 這是本站把兩份資料並排讀出來的,不是它們任何一份自己說的。

有一格不屬於這個梯子。MW 也列了遞增曲線,但把讀者導去另一頁——因為遞增的特性來自 疊不同厚度或不同並聯片數的碟片,不是來自單片的比值。Schnorr 那句「線性、遞減、甚至遞增」 講的是碟形彈簧能被設計成什麼,不是單獨一片碟會怎麼樣。

會變平的那一種,才是碟形彈簧出現在螺栓接合裡的原因。接合因為嵌入與沉陷失去的是一小段 長度,而一個剛硬的接合面對一小段長度的損失,回應的是一大段預力的損失。一個在那段範圍裡 力幾乎不變的彈簧,回應的則是幾乎沒有。這就是它的工作,而這跟阻止扣件旋轉是兩件不同的事。 本站的華司規格那一頁從華司那一側做了同樣的區分。

表上的數字是算出來的

這是值得帶走的那一句,而它在表格旁邊的說明裡,不在表格裡:

負載與對應的應力是給在三個點上的:s = 0.25 ho、s = 0.5 ho、 s = 0.75 ho。從 s > 0.75 ho 開始,實際的特性曲線會遞增, 與計算相反(表上裝的是計算值)。

這句話同時講了三件事。表上的值只存在於三個變形點上,其他地方沒有。它們是算出來的, 不是量出來的。而超過可用行程的四分之三之後,真實的彈簧會朝一個被明確指出的方向偏離 計算:它比表上說的更硬。

那個方向比乍看之下更要緊。空間不夠的設計者傾向把彈簧往壓平的方向推,而那正好是表格 停止描述這個零件、並且開始低估它會產生多少力的那個區間。製造商把這件事寫在跟數字同一頁 上。它是那種會被跳過的註記,因為它坐在格子外面,旁邊那張表看起來自給自足。

MW Components 從同一件事推出了實務結論:碟形彈簧應該設計在總可用變形量的 20% 到 80% 之間工作。把兩句話擺在一起看:建議的工作範圍到 80% 為止,而計算表停止描述這片彈簧是在 75%。那份型錄還有一節的標題就叫「Theoretical vs. Measured Characteristic of a Disc Spring」——第二家製造商拿一個標題在講本頁講的這件事。

疊法決定哪一個量會相加

一片碟很少同時給得出設計要的力與行程,所以碟片會疊起來用。兩種疊法相加的量不一樣:

排法會相加的不變的
串聯(對頂交錯)變形量負載
並聯(同向疊合)負載變形量

Schnorr 兩句都寫了:串聯時「彈簧的變形量相加,負載不變」;並聯時「力相加,變形量相同」。 所以疊法是坐在系列字母之上的第二個設計變數,而一疊碟片其實是兩個決定——碟片,以及排法。

並聯有一條來自同一本手冊的提醒。有些碟片做成帶車削支承面、厚度減薄的形式,Schnorr 註明 t′ 是有效厚度,而且「在並聯堆疊時,必須用它來決定整疊的長度」。整疊的長度不是 片數乘以標稱厚度那麼簡單。

圖上那個編號已經換了

幾乎所有關於碟形彈簧的資料,無論哪一種語言,尺寸都引 DIN 2093、計算都引 DIN 2092。 Schnorr 自己的技術頁記載:兩者已於 2017 年 2 月 1 日被 DIN EN 16983(尺寸與品質要求) 與 DIN EN 16984(計算)取代,技術內容不變。

技術內容不變,正是沒有東西會壞掉的理由,也是沒有人會去更新的理由。照 DIN 2093 買到的 零件還是同一個零件;而一張到現在還引 DIN 2093 的圖,引的是一個已經被取代好幾年的編號。 如果那張圖本來就要改版,那就是改掉這個引用最便宜的時機。

台灣這邊是新舊並存。交叉查核回報 CNS 9073/B2684〈皿形彈簧〉1996-11 仍列為現行, CNS 7853 已撤銷;市面上有的供應商頁寫 DIN 2093,也有的把 DIN 2093 與 EN 16983 並列。 本站沒有能力確認 CNS 那一份跟哪一份等同,也沒有數據說哪個編號用得比較多—— 只能說這三個編號現在會同時出現在你收到的報價與圖面上,看到不一致不代表有人寫錯。

這篇沒有確定的事

  • 沒有讀到任何標準。DIN 2092、DIN 2093、EN 16983、EN 16984 全部要付費。 系列與比值的對應、取代關係與日期,都來自 Schnorr 自己公布的資料,那是一家製造商在 轉述標準,不是標準本身。
  • 本頁沒有任何負載或應力數值。手冊裡有完整的表,本頁只引用它的說明文字。 那些值依尺寸、系列與材料而異,而把它們從周圍的條件裡抽出來重印,正好就是本頁在講的 那個錯誤。
  • DIN 6796 是另一份標準。它管的是螺栓接合用的碟形彈簧墊圈,不是 DIN 2093 的碟形彈簧。本站的把扭矩控制換成 位移控制那一頁用摘要描述過 DIN 6796,而那一頁自己把它標成未查證;本篇沒有把那件事 定案:形狀相近但歸屬不同標準,就不是同一個零件。
  • 那個比值梯子是單片碟的理論。上面的數值描述的是標準幾何下的單獨一片碟。 它不保證某一個實際零件會剛好在 1.414 反轉,而一疊碟片的行為是一疊的行為。
  • 並聯的摩擦本頁沒有量化。交叉查核回報的設計裕量是每個滑動面約 2% 到 3% 的力,加載時加上、卸載時減去。它指向的那份來源對本站回 403,所以記成線索, 不是可以拿去用的數字。
  • 本頁完全不涉及疲勞與循環。那三個表列點與關於真實曲線的註記都是靜態的。 碟形彈簧用在循環工況有它自己的限制,本頁沒有涵蓋。

這一篇不屬於六步中的任何一步。它橫跨各步,或者發生在組裝之後。導致它的那些決定是在哪裡做的,見指定一顆螺絲,那篇寫的是順序,以及為什麼順序做反了是重工。

常見問題

碟形彈簧上的 A、B、C 是什麼意思?

它們是尺寸系列,靠比例而不是靠評級來區分。其中一個比例是 h0/t,也就是錐面自由變形高度對材料厚度的比;Schnorr 列出的三個系列大約是 A 為 0.40、B 為 0.75、C 為 1.30。這個比值決定負載—變形曲線的形狀,所以那個字母不是螺栓上 8.8 與 10.9 那種強度等級:A、B、C 沒有任何一個在說誰比較強。

h0/t 這個比值為什麼要緊?

因為它決定單片碟曲線的形狀。MW Components 把這些情況排成一個梯子:0.4 以下接近線性、約 1 是遞減、1.4 是定負載、1.4 以上是負型。會變平的曲線在一段行程裡力幾乎不變,這正是碟形彈簧能用來對付因嵌入與沉陷而流失的預力的原因。遞增曲線是另一回事,它來自堆疊而不是來自單片的比值。

型錄上的負載值是量出來的嗎?

不是。Schnorr 指出負載與對應應力是給在三個點上:s = 0.25 h0、s = 0.5 h0、s = 0.75 h0;並且從 s 大於 0.75 h0 開始,實際的特性曲線會遞增,與計算相反,因為表上裝的是計算值。超過四分之三行程之後,真實的彈簧比表上說的更硬。

串聯疊跟並聯疊差在哪?

串聯(對頂交錯)時變形量相加、負載不變;並聯(同向疊合)時力相加、變形量相同。Schnorr 兩句都寫了。另外要注意,帶車削支承面的碟片有一個減薄後的有效厚度 t′,算並聯整疊長度時要用它。

現在還應該引 DIN 2093 嗎?

Schnorr 記載,DIN EN 16983(尺寸與品質要求)與 DIN EN 16984(計算)已於 2017 年 2 月 1 日取代 DIN 2093 與 DIN 2092,技術內容不變。零件還是同一個零件,所以不會有東西壞掉;但一張到現在還引 DIN 2093 的圖,引的是一個已被取代的編號。

碟形彈簧算防鬆件嗎?

不算。它維持的是預力,對付的是長度的流失——嵌入、沉陷、熱循環。阻止扣件旋轉是另一個問題,有另一套答案,而一個能撐住負載的彈簧,跟一個能抵抗旋轉的裝置不是同一件事。

參考資料

三份製造商資料都是本站直接開啟讀過的:兩份 Schnorr 來自 schnorr.com 與 schnorr-group.com,MW Components 的型錄 PDF 則以 pdftotext 轉出全文後查它談 h/t 的那幾段。本頁每一段引文都出自它們:產品資料 PDF 以 pdftotext 轉出全文,碟形彈簧表旁的說明整段讀過。它們是一家製造商公布的資料,也就是說,關於 DIN 2093 內容為何、以及 EN 16983 與 EN 16984 取代了它這兩件事,是製造商在轉述標準,不是標準本身。DIN 2092、DIN 2093、EN 16983、EN 16984 一份都沒有讀到,四份都要付費。本頁沒有出現手冊表上的任何負載、應力或尺寸數值,只用了它的說明文字——因為本頁講的正是那些值帶著條件,把它們從條件裡抽出來重印就是在重犯同一個錯。DIN 6796 在本頁只是被拿來跟 DIN 2093 區分;本站 torque-into-length 那一頁對 DIN 6796 的描述仍然標示為未查證,本篇沒有把它定案。

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如果一個接合是在流失預力而不是鬆轉,該告訴我們的是它流失了多少長度、以及流失給了誰 ——嵌入、墊片、還是熱循環。每一個的答案是不同的零件,而其中只有一個是彈簧。

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