碟形弹簧：小元件的大作用与广泛应用
碟形弹簧作为一种重要的机械元件，虽外形简单却功能强大，在现代工业中扮演着不可或缺的角色。这种呈圆锥碟片状的弹簧元件，以其独特的力学特性和紧凑的结构设计，在众多工程领域展现出卓越的性能。从日常汽车到高精尖的航空航天技术，从传统机械到新能源装备，碟形弹簧的应用范围之广，与其小巧的体积形成了鲜明对比。 常州中立美弹簧厂，专业生产弹簧好多年，电聊 一吧零 伍 二伍四 九六 伍伍。
1 碟形弹簧的概述与基本原理
碟形弹簧，又称贝勒维尔弹簧垫圈，是由法国工程师贝勒维尔发明的一种特殊弹簧。其基本形状是在轴向上呈锥形的薄片圆盘，外形类似日常生活中的碗碟，故得名“碟形弹簧”。这种弹簧在承受轴向负载后会发生变形，储蓄一定的势能，当外力减小或消失时，释放储存的能量恢复原状。
碟形弹簧的工作原理基于材料的弹性变形特性。当碟形弹簧在轴向受到负载时，截面会发生扭转弯曲变形，将机械能转化为应变能储存起来。当负载移除时，弹簧利用储存的应变能恢复原状，将应变能重新转化为机械能。这一特性使得碟形弹簧能够承受动态负载条件，如冲击和振动，并在螺栓预紧、振动隔离和能量储存等应用中发挥关键作用。
与传统的螺旋弹簧相比，碟形弹簧具有非线性刚度特性，这意味着其载荷与变形关系不遵循简单的线性规律。这种非线性特性使得碟形弹簧能够在微小变形下承受大载荷，特别适合空间受限但负荷要求高的应用场景。碟形弹簧的应力分布从内到外均匀递减，实现了低行程高补偿力的效果，这一特性使其在密封和预紧应用中表现出色。
碟形弹簧可以单个使用，也可以根据实际需要多片组合使用。通过不同的排列组合方式（如对合、叠合或混合组合），可以获得不同的负载-变形特性，满足各种工况要求。这种灵活的组合特性大大扩展了碟形弹簧的应用范围。
值得注意的是，碟形弹簧在承受负载时，应力分布并不均匀，最大应力通常出现在锥形碟片的内边缘区域。这一特性要求在设计和选型时需特别注意应力集中问题，防止弹簧因应力过大而过早失效。合理的热处理工艺和表面强化处理能够显著提高碟形弹簧的承载能力和使用寿命。
2 碟形弹簧的类型与特点
碟形弹簧根据不同的分类标准可以分为多种类型，每种类型都有其独特的结构特点和应用场景。了解这些分类及其特性，对于正确选择和使用碟形弹簧至关重要。
2.1 按截面形状分类
根据截面形状的不同，碟形弹簧主要可分为三类：普通碟形弹簧（矩形截面）、带径向沟槽的碟形弹簧和梯形截面碟形弹簧。
普通碟形弹簧是最基本的形式，截面形状为矩形，分为有支撑面和无支撑面两类。这种弹簧形状和结构简单，应用最为广泛。它可以单个使用，也可以通过对合、叠合或复合组成碟簧组使用，能够承受静载荷或变载荷，常见于重型机械和武器系统中作为强力缓冲和减振弹簧。
带径向沟槽的碟形弹簧是在普通碟形弹簧的基础上，沿径向开出若干个均匀分布的槽。这些槽可以从内孔向外圆方向开出，也可以由外圆向内孔方向开出。开槽设计使弹簧具有了特殊的性能，如零刚度特性，这种特性可以应用于某些变形范围内要求弹簧力基本保持稳定的场合。
梯形截面碟形弹簧的截面呈梯形，可分为内缘厚度大于外缘厚度型和内缘厚度小于外缘厚度型两类。梯形截面设计使得弹簧在受力时应力分布更为合理，从而获得更好的载荷-变形特性。
2.2 按特殊结构和功能分类
除了按截面形状分类外，碟形弹簧还可按特殊结构和功能分为多种类型，以满足不同应用场景的特殊需求。
膜片弹簧是一种特殊结构的碟形弹簧，主要用于汽车离合器。它由分离指和碟簧两部分组成，既作为压紧弹簧又作为分离机构，简化了离合器结构，提高了工作效率。
波形垫圈是碟形弹簧的一种变体，在机械密封中大量使用。它可以进一步发展为螺旋式波形弹簧，获得更大的变形量。
开槽形碟形弹簧通常用于离合器中，如车床、汽车和拖拉机等的离合器。开槽设计使其具有特殊的扭矩传递特性。
圆板形碟形弹簧截面为圆板形，受载后产生变形而成为截圆锥形。这种弹簧结构简单，刚度较大，适用于有特殊要求的场合。
螺旋碟形弹簧结合了碟形弹簧和螺旋弹簧的特点，具有双重特性，可以获得不同刚度的要求。
波形圆柱弹簧（波簧）则是利用波形垫圈重叠成圆柱形，可以获得较大的变形量。
表：主要碟形弹簧类型及特点比较
2.3 组合碟形弹簧
由于单片碟形弹簧的变形量和负荷值往往不能满足使用要求，在实际应用中大多采用组合使用的方式。通过不同的组合方式，可以获得多种特性，满足不同的性能要求。
叠合组合弹簧是将多片碟形弹簧同向叠放，这种组合方式可大幅增加承载能力。在相同变形下，叠合弹簧的载荷随弹簧片数增加而增加。叠合面之间存在摩擦阻尼，使弹簧具有更好的吸震和耗能能力。
对合组合弹簧是将碟形弹簧反向对放，这种组合方式可增加变形量而不增加载荷。对合组合适用于需要大变形但空间有限的场合。
复合组合弹簧是结合叠合和对合的混合组合方式，可以同时增加变形量和承载能力，获得更为复杂的负载-变形特性。
组合碟簧使用时，为了防止受载时碟簧片产生横向滑移，应有导向芯轴或导向套。由于碟簧片在变形时内外径尺寸会产生变化，碟片与导向件之间应留适当间隙，并保持润滑，导向件表面硬度也应大于碟片。
碟形弹簧的组合特性使其应用范围大大扩展。通过巧妙设计组合方式，工程师可以精确控制弹簧系统的负载-变形特性，满足各种复杂工况的需求。这种灵活性和适应性是碟形弹簧在众多领域得以广泛应用的关键原因。
3 碟形弹簧的材料与制造工艺
碟形弹簧的性能不仅取决于其几何设计和热处理工艺，更与所选材料密切相关。合适的材料选择配合精密的制造工艺，是确保碟形弹簧满足各种工况要求的前提条件。
3.1 常用材料及其特性
碟形弹簧多采用冷轧或热轧带钢、板材或锻造坯料制造，其中锻造比不小于3。常用材料包括60Si2MnA、50CrVA等弹簧钢。对于厚度小于1.1mm的薄片碟形弹簧，也可用高碳钢制造。
60Si2MnA是中国碟形弹簧最常用的材料，这主要得益于中国硅锰资源丰富而铬钒资源相对稀少。60Si2MnA弹簧钢具有较高的强度极限、弹性极限和屈强比，成本相对较低，能够满足大多数一般应用场景的需求。
相比之下，50CrVA具有更优的淬透性、回火稳定性和冲击韧性，虽然价格较高，但适用于对疲劳性能要求较高的场合。在高温工作环境或需要更长疲劳寿命的应用中，50CrVA往往是更理想的选择。
对于特殊工况，碟形弹簧的材料选择更为多样化。在高温或腐蚀环境中，常选用不锈钢系列（如302型、17-7PH）或镍基合金（如Inconel 718、Inconel 750）。这些材料具有良好的耐腐蚀性和耐热性，适用于航空航天、化工设备等苛刻环境。在要求抗磁性的场合，则可选用铍铜合金等特殊材料。
3.2 材料性能要求
对碟形弹簧材料的性能要求极为严格。经热处理后，材料应具备高的强度极限、屈服极限、弹性极限和疲劳极限，同时要求具有较高的冲击韧性、塑性和尽量高的屈强比。
高强度极限保证了弹簧能够承受大载荷而不发生塑性变形；高弹性极限确保了弹簧在正常工作范围内不产生永久变形；高疲劳极限则决定了弹簧在循环载荷下的使用寿命。此外，良好的冲击韧性和塑性能够防止弹簧在冲击载荷或过载情况下发生脆性断裂。
为了满足这些性能要求，国内外大都采用冷轧或热轧的优质钢带或钢板。当厚度大于6mm时，碟形弹簧多采用锻造坯料，钢种主要为中碳低合金弹簧钢（硅锰或铬钒弹簧钢）及优质碳素弹簧钢。
3.3 制造工艺流程
碟形弹簧的制造工艺直接影响其性能和质量。典型的制造流程包括下料、冲压成形、热处理、表面处理和强压处理等环节。
下料是首道工序，要求精确控制坯料的尺寸和形状。对于不同厚度的材料，采用的下料方式也不同：薄板多采用精密冲裁，而厚板则可能采用激光切割或等离子切割。
冲压成形是碟形弹簧制造的核心工序，通过模具将平板坯料压制成锥形碟片。成形过程中需要控制好压力速度和模具温度，防止产生裂纹和过度加工硬化。合理的模具设计是保证弹簧几何尺寸的关键。
热处理是决定碟形弹簧性能的关键环节，主要包括淬火和回火两个步骤。淬火可以提高材料的硬度和强度，但也会产生内应力和脆性，因此需要通过回火来调整硬度和韧性，获得良好的综合力学性能。
热处理后，碟形弹簧通常需要进行喷丸处理。这一工序通过在弹簧表面喷射小钢珠，使表面产生塑性变形引入残余压应力，从而显著提高弹簧的疲劳寿命。实践证明，经过喷丸处理的碟形弹簧疲劳寿命可提高数倍。
3.4 表面处理与防腐技术
根据使用环境的不同，碟形弹簧需要采用不同的表面处理技术来提高防腐能力。标准的处理工艺是锌-磷化处理加涂油，适用于一般环境。
对于更苛刻的腐蚀环境，可选择镀锌、电化学镀镍、达克罗涂覆等高级防腐处理。不锈钢碟形弹簧则可采用抛光处理，获得光滑表面并增强耐腐蚀性。
在高温或特殊环境下使用的碟形弹簧，需要选择特殊的涂层或材料。如Delta Tone/Delta Seal涂层、电化学镀镍等，这些处理能显著提高弹簧在恶劣环境下的使用寿命。
3.5 质量控制与检测标准
碟形弹簧的质量控制涵盖材料检测、尺寸测量、机械性能测试和表面质量检查等多个方面。材料检测包括化学成分分析、弹性模量检测等；尺寸测量涉及直径、厚度、自由高度的极限偏差等。
机械性能测试主要包括疲劳试验、松弛试验、蠕变试验、变形能力测试、硬度测试和脱碳检测等。表面检测则关注粗糙度、毛刺、裂纹、伤痕等缺陷，以及表面防腐性能和强化性能。
根据缺陷的严重程度，碟形弹簧的质量问题分为A、B、C三类。A类缺陷（如硬度、疲劳、脱碳不合格）最为严重，会导致整批产品报废；B类缺陷（如高度负荷、内径、外径不合格）和C类缺陷（如厚度、自由高度不合格）则有相应的接受质量水平。
国际上碟形弹簧的主要标准有德国的DIN 2093，中国的GB/T 1972-92（已被GB/T1972.1-2023和GB/T1972.2-2023替代）等。这些标准规定了碟形弹簧的尺寸系列、技术要求、试验方法和检验规则，确保了产品的互换性和可靠性。
4 碟形弹簧的应用领域
碟形弹簧以其独特的性能特点，在众多工业领域中发挥着不可替代的作用。从传统的重型机械到新兴的新能源产业，从民用到高精尖的航空航天技术，碟形弹簧的应用范围正在不断扩大。
4.1 重型机械与工程机械
在重型机械领域，碟形弹簧常被用作强力缓冲和减振弹簧。例如，在大型压力机、锻压设备中，碟形弹簧能够有效吸收冲击能量，保护设备主体结构免受损坏。其高刚度和大承载能力的特性，使其能够以较小的变形承受巨大的载荷，非常适合空间受限但负荷要求高的场合。
工程机械中的离合器、制动系统也广泛使用碟形弹簧作为压紧弹簧。在这些应用中，碟形弹簧能够提供稳定的压紧力，保证传动系统的可靠结合与分离。即使在高温、高磨损的恶劣工况下，优质的碟形弹簧也能保持长期的性能稳定。
此外，在大型桥梁和高层建筑的减震系统中，碟形弹簧组也被用作减震元件。它们能够有效地消耗地震和风荷载产生的振动能量，保护结构安全。相比传统的橡胶减震支座，碟形弹簧减震系统具有更强的耐久性和更长的使用寿命。
4.2 汽车与交通运输
在汽车领域，碟形弹簧的应用尤为广泛。膜片弹簧是现代汽车离合器的核心元件，它既作为压紧弹簧保证动力传递，又通过分离指的变形实现离合器的分离操作。这种集成化设计大大简化了离合器结构，提高了传动系统的可靠性。
汽车的悬挂系统和制动系统中也大量使用碟形弹簧。在悬挂系统中，碟形弹簧能够提供非线性刚度特性，在轻载时柔软保证舒适性，重载时刚硬提高稳定性。在制动系统中，碟形弹簧用于保持制动片的适当间隙，确保制动响应的及时性。
随着新能源汽车的快速发展，碟形弹簧在这一新兴领域找到了更多应用场景。在新能源汽车的电机、电池系统和电控装置中，碟形弹簧用于连接器、开关等部件，提供稳定的连接和保护功能。其耐高温、抗腐蚀的特性正好满足电动汽车对元件的苛刻要求。
在轨道交通领域，高速铁路和地铁车辆的悬挂系统、连接装置中也广泛使用碟形弹簧。它们能够有效衰减车辆运行中的振动，提高乘坐舒适性，同时保证车辆运行的安全性和稳定性。
4.3 航空航天与国防工业
航空航天领域对元件的可靠性、轻量化和环境适应性要求极高，碟形弹簧在这一领域发挥着不可替代的作用。从航空发动机的密封装置到飞行控制系统的作动机构，从航天器的太阳能板展开机制到宇航员的生命保障系统，碟形弹簧都有关键应用。
在国防工业中，碟形弹簧被广泛应用于各种武器系统。例如，大炮的驻退复进机中使用碟形弹簧作为缓冲弹簧，吸收后坐能量并推动炮管复位。坦克、装甲车的悬挂系统和炮塔旋转机构中也大量使用碟形弹簧，保证在恶劣战场环境下的可靠性。
航空航天和国防应用中的碟形弹簧往往采用特殊材料制造，如高温合金、耐腐蚀合金等，以满足极端环境下的使用要求。这些弹簧的制造工艺和质量控制标准也远比民用产品严格，确保在极端条件下不会发生失效。
4.4 能源与电力设备
在能源领域，碟形弹簧的应用同样广泛。在风电设备中，碟形弹簧用于主轴轴承的预紧装置，保证齿轮箱的稳定运行。在核电设备中，碟形弹簧用于阀门执行机构和密封装置，确保核反应的安全控制。
特别值得一提的是，碟形弹簧在制氢电解槽中起着关键作用。它们提供必要的紧固力，维持堆叠板的密封状态，防止氢气泄漏。考虑到氢气是极易爆炸的危险气体，这种密封功能对整个制氢系统的安全至关重要。
在电力设备中，碟形弹簧常用于高压断路器的操作机构、变压器的调压装置等关键部位。它们能够提供稳定的接触压力，保证电气连接的可靠性，同时在开关动作时吸收冲击能量，保护设备免受损坏。
4.5 精密机械与电子产品
在精密机械和电子产品领域，碟形弹簧的应用同样不可忽视。在连接器中，碟形弹簧提供稳定的接触力，保证信号传输的可靠性；在开关中，碟形弹簧用作触发机构，提供清晰的触感反馈。
医疗器械是碟形弹簧的另一个重要应用领域。在手术器械、诊断设备和康复装置中，碟形弹簧用于精密的传动、缓冲和定位机构。这些应用对弹簧的卫生性、耐腐蚀性和精度稳定性有着极高要求，通常需要采用不锈钢或特殊涂层处理。
在精密仪器仪表中，碟形弹簧常用于调节机构、减震装置和密封元件。它们能够提供微米级的精确位移，吸收环境振动，保证测量精度。这些应用通常要求弹簧具有长期稳定的力学性能和最小的弛豫现象。
碟形弹簧在这些多样化领域中的广泛应用，充分证明了其作为基础机械元件的重要价值。随着技术的进步和市场需求的演变，碟形弹簧的应用领域还将继续扩展，为各行各业提供关键的技术支持。
5 碟形弹簧的选型、安装与维护
正确的选型、规范的安装和定期的维护是确保碟形弹簧发挥最佳性能、延长使用寿命的关键环节。本节将系统介绍碟形弹簧选型考虑的要素、安装方法及维护要点。
5.1 选型考虑因素
碟形弹簧的选型是一个综合考虑工况条件、性能要求和经济效益的系统工程。首要考虑的是负载要求，包括最大工作载荷、预紧载荷和冲击载荷。这些参数决定了弹簧的基本规格和所需刚度。
空间限制是另一个关键因素。碟形弹簧的主要优势之一就是能在有限空间内提供大承载力，但需精确确定可用空间的尺寸，特别是轴向空间。如果空间特别受限，可能需要采用叠合组合或更高强度的材料。
工作环境条件也极大影响选型决策。温度 extremes（极端温度）、腐蚀性环境、振动频率和幅度等因素决定了材料的选用和必要的表面处理。例如，高温环境可能需要采用铬钒钢或镍基合金，腐蚀环境可能需要不锈钢或特殊涂层。
动态载荷特性是选型中常被忽视但至关重要的因素。如果弹簧将承受频繁的循环载荷，疲劳寿命就成为首要考虑，可能需要选择50CrVA等具有优良疲劳性能的材料，并确保经过喷丸处理。
此外，成本效益也是选型中需要权衡的因素。在满足性能要求的前提下，应选择经济合理的方案，避免过度设计。有时，通过巧妙的组合设计，可以用标准规格的弹簧满足特殊需求，大幅降低成本。
5.2 组合设计与特性调整
单片碟形弹簧的承载能力和变形量有限，大多情况下需要成组使用。通过不同的组合方式，可以获得多种特性，满足不同的性能要求。
叠合组合（并联）是将多片碟形弹簧同向叠放，这种组合可增加承载能力。在相同变形下，叠合弹簧的载荷随弹簧片数增加而线性增加。例如，n片弹簧叠合组成的弹簧组，其载荷能力约为单片弹簧的n倍。
对合组合（串联）是将碟形弹簧反向对放，这种组合可增加变形量而不增加载荷。对合组合适用于需要大变形但空间有限的场合。n片弹簧对合组成的弹簧组，其总变形量约为单片弹簧的n倍，但载荷能力与单片相同。
复合组合是结合叠合和对合的混合组合方式，可以同时增加变形量和承载能力，满足更复杂的工况需求。通过合理设计复合组合，可以获得近似线性的刚度特性，或者特定的非线性特性。
组合碟簧使用时，为了防止受载时碟簧片产生横向滑移，组合碟簧应有导向芯轴或导向套。由于碟簧片在变形时内外径尺寸会产生变化（以碟簧的制造方式不同内外径的变化不同），一般情况下碟片应与导向件之间留有一定的间隙（通常为0.5-1mm）。碟片与导向件之间也应有润滑，导向件表面硬度也应大于碟片。
5.3 安装规范与注意事项
碟形弹簧的安装质量直接影响其性能和使用寿命。安装前应检查弹簧的规格型号是否正确，表面有无裂纹、锈蚀等缺陷，导向件的尺寸和润滑是否合格。
安装时应确保弹簧方向正确。普通碟形弹簧通常有标识面，应按照设计要求的方向安装。对于组合弹簧，要严格按照设计顺序排列，不得错位或遗漏。
使用导向件时，应保证弹簧在导向轴上能自由滑动，无卡滞现象。但间隙也不宜过大，以免弹簧在压缩过程中发生偏斜。通常导向轴与弹簧内孔的间隙为0.2-0.5mm。
预紧力的施加应均匀渐进，避免冲击加载。对于组合弹簧，应使用专用工具确保各片弹簧均匀受力。螺栓预紧时，应采用扭矩扳手控制预紧力，确保符合设计值。
在高温或腐蚀环境中使用的弹簧，安装时应考虑热膨胀和腐蚀防护的影响。必要时，应采用适当的补偿措施和防护手段，如加装隔热罩或防腐罩。
5.4 维护检查与故障诊断
定期的维护检查是确保碟形弹簧长期可靠运行的关键。维护周期应根据工作条件和重要性确定，重要部位或恶劣工况应缩短检查间隔。
维护检查主要包括以下内容：外观检查：检查弹簧表面有无裂纹、锈蚀、磨损等缺陷。重点检查应力集中区域，如内边缘和槽口部位。
高度检查：测量弹簧自由高度，与初始值比较，判断是否有永久变形（塌陷）。如自由高度减少超过5%，应考虑更换。
弹性检查：通过压缩试验检查弹簧的刚度特性是否变化。如载荷-变形曲线与初始值偏差超过10%，应进一步分析原因。
导向件检查：检查导向轴或导向套的磨损情况，确保导向间隙在允许范围内。过度磨损会导致弹簧偏斜，加速失效。
常见的碟形弹簧故障包括永久变形、疲劳断裂、应力腐蚀开裂等。永久变形通常是由于过载或材料松弛导致；疲劳断裂多源于循环载荷超过疲劳极限；应力腐蚀开裂则是应力和腐蚀环境共同作用的结果。
故障分析应综合考虑弹簧的工况、材料和失效形态。例如，如果断裂起源于表面缺陷处，且呈疲劳辉纹，表明是疲劳失效，可能源于载荷过大或表面质量差。此时应检查工作载荷是否超标，或考虑采用更高质量的弹簧。
5.5 更换标准与寿命预测
碟形弹簧的更换应基于定量标准，而非单纯依靠经验。主要的更换标准包括：自由高度减少超过初始值的5%；刚度变化超过设计值的10%；出现可见裂纹或严重腐蚀。
对于重要场合，建议基于疲劳寿命预测进行预防性更换。通过记录实际工作循环次数，结合设计疲劳曲线，可以在弹簧达到预期寿命前安排更换，避免意外失效。
在难以监测的情况下，可以采用定期更换策略。更换周期应基于类似工况的经验或加速试验结果确定。同时，保留旧弹簧进行失效分析，为优化选型和设计提供反馈。
通过科学的选型、规范的安装和定期的维护，碟形弹簧能够发挥最佳性能，提供长期可靠的服务。随着状态监测技术的发展，碟形弹簧的维护正从定期维护向预测性维护转变，进一步提高可靠性和经济性。
总结
碟形弹簧作为一种机械元件，以其独特的性能特点和灵活的应用方式，已成为现代工业中不可或缺的基础零件。从普通的机械设备到高精尖的航空航天技术，从传统工业到新兴能源产业，碟形弹簧都发挥着重要作用。随着材料科学的进步、制造技术的提升和设计方法的优化，碟形弹簧的性能将不断提高，应用领域将持续扩展。
未来，随着工业技术向智能化、绿色化方向发展，碟形弹簧也将面临新的机遇和挑战。轻量化设计、长寿命可靠性、环境友好性将成为碟形弹簧技术发展的重要方向。通过持续的技术创新和应用探索，这一传统的机械元件必将在未来的工业体系中继续发挥关键作用。
