Per selezionare correttamente una lavatrice Belleville è necessario abbinare tre parametri alla propria applicazione: la serie DIN (che determina la curva forza-deflessione), lo spessore del materiale e la configurazione di impilamento . Un errore comune è trattare queste rondelle come semplici molle per carichi pesanti. In realtà il comportamento di una singola rondella cambia drasticamente in base al suo rapporto tra altezza e spessore. L'appiattimento completo di una rondella richiede una forza che può essere fino a tre volte superiore al carico di deflessione iniziale, il che spesso porta al cedimento del giunto se non preso in considerazione in fase di progettazione.
Comprensione del sistema serie DIN EN 16983
Rondelle Belleville non sono un prodotto valido per tutti. Lo standard legacy DIN 2093, ora assorbito nella DIN EN 16983, classifica le rondelle in tre serie distinte in base ai loro rapporti dimensionali. La lettera della serie indica direttamente il profilo di rigidità della rondella. L'utilizzo di una rondella della serie A in una flangia sensibile in alluminio causerà incastri e deformazioni, mentre una rondella della serie C potrebbe non fornire un carico di serraggio residuo sufficiente per impedire l'autoallentamento in un ambiente vibrante.
| Caratteristiche di carico-deflessione secondo la serie DIN EN 16983 | |||
| Serie | Rapporto h0/t (circa) | Forma della curva di forza | Applicazione tipica |
| Serie A | ~0,4 | Quasi lineare, forza elevata | Elevata capacità di carico, spazio limitato |
| Serie B | ~0,75 | Progressivo, standard | Ingegneria generale, ciclismo termico |
| Serie C | ~1.3 | Regressivo (sezione centrale quasi piatta) | Carico costante su un ampio intervallo di deflessione |
La serie B funge da cavallo di battaglia per la maggior parte dei giunti bullonati che richiedono resistenza alle vibrazioni. Quando si appiattisce una rondella della Serie B al 75% della sua deflessione totale disponibile, l'aumento del carico è stabile e prevedibile. Le rondelle della serie C sono particolarmente adatte agli ambienti termici dinamici perché possono assorbire una significativa espansione assiale da un bullone senza moltiplicare la forza di serraggio abbastanza da far scattare il dispositivo di fissaggio.
Calcolo della dimensione corretta per il bullone
La geometria fisica della rondella deve corrispondere al gambo del bullone e alla superficie di accoppiamento. Ciò comporta tre controlli dimensionali critici. Innanzitutto, il diametro interno della rondella deve superare il diametro maggiore della filettatura del bullone con uno spazio minimo; un adattamento sciatto in questo caso provoca un carico eccentrico. In secondo luogo, il diametro esterno della rondella determina la sollecitazione del cuscinetto sul materiale bloccato. Se la superficie sotto la rondella è morbida, il superamento del carico di snervamento a compressione porta al rilassamento dell'affondamento. In terzo luogo, lo spessore della rondella e l'altezza del cono nello stato scarico determinano quanto è possibile comprimerlo prima che diventi solido. Non è possibile consentire a una lavatrice Belleville di raggiungere la posizione piana sotto i normali carichi operativi; è necessario lasciare un margine di sicurezza di almeno 10-15% della corsa di deflessione totale per evitare un contatto solido.
ID della rondella corrispondente alla dimensione del bullone
Le dimensioni metriche standard sono raggruppate. Una rondella progettata per un bullone M8 presenta generalmente un diametro interno di circa 8,4 mm. Tuttavia, per le applicazioni strutturali che utilizzano filettature rullate, il diametro effettivo del corpo del bullone potrebbe essere leggermente inferiore a quello nominale. Controlla i seguenti abbinamenti come base:
- Il bullone M6 richiede un diametro interno della rondella di ~6,4 mm, un diametro esterno tipicamente di 12,5 mm o 14 mm.
- Il bullone M12 richiede un diametro interno della rondella ~ 13 mm, un diametro esterno tipicamente di 23 mm o 28 mm.
- Il bullone M20 richiede un diametro interno della rondella di ~21 mm, un diametro esterno tipicamente di 36 mm o 40 mm.
La selezione di un diametro esterno sovradimensionato distribuisce la forza di reazione su un'area più ampia, riducendo la pressione superficiale. Ciò è fondamentale quando si fissano flange in fibra di vetro o alluminio morbido dove lo stress superficiale deve rimanere al di sotto 100MPa .
Configurazioni di impilamento e loro tassi di primavera
L'impilamento trasforma il limite prestazionale di una singola lavatrice. Le tre disposizioni fondamentali di impilamento producono identità di deflessione del carico completamente diverse. Una pila parallela moltiplica la forza richiesta per una data deflessione, mentre una pila in serie moltiplica la deflessione totale disponibile per una data forza. Mescolando questi si crea un sistema a molla progressiva con un punto di ginocchio nella curva.
Impilamento parallelo per una maggiore forza
Nidifica le rondelle identiche l'una nell'altra, tutte orientate nello stesso modo. Due rondelle in parallelo raddoppiano la forza erogata per la stessa deflessione. Cinque rondelle in parallelo quintuplicano la forza. Tuttavia, l'attrito tra i coni annidati aumenta l'isteresi. In pratica, una pila di quattro rondelle in parallelo sperimenta a perdita di attrito di circa il 6-8% rispetto alla moltiplicazione lineare teorica. La lubrificazione delle superfici di accoppiamento con pasta di bisolfuro di molibdeno è necessaria per una conversione prevedibile della coppia in precarico in pile parallele superiori a tre rondelle.
Impilabile in serie per viaggi lunghi
Alternare l'orientamento di ciascuna rondella in modo che si oppongano l'una all'altra. Due rondelle in serie raddoppiano la capacità di deflessione totale allo stesso livello di forza. Una pila di quattro in serie fornisce quattro volte la corsa. Questa disposizione è ideale per caricare in tensione una flangia imbullonata soggetta a dilatazione termica ciclica. La pila agisce come una molla cedevole, mantenendo il carico della pinza su uno spazio che si espande e si contrae di diversi millimetri.
Impilamento misto per curve progressive
Combina un set di rondelle parallele con un set di rondelle in serie. Una configurazione tipica è uno stack "triplo parallelo, doppia serie". Ciò significa tre rondelle annidate insieme (parallele), quindi due di quelle triple annidate opposte (serie). La curva della molla segue inizialmente il percorso rigido e ad alta forza delle triple parallele. Se il giunto si separa leggermente sotto sovraccarico, l'opposizione in serie si innesta e la rigidità della molla si ammorbidisce drasticamente, prevenendo un forte picco nella tensione del bullone che altrimenti causerebbe un cedimento per fatica.
Selezione dei materiali e interfacce di corrosione
Il metallo di base della rondella ne determina la durata alla fatica e la resistenza alla corrosione. L'acciaio al carbonio standard (C67S, 1.5014) bonificato a 42-48 HRC copre la maggior parte delle applicazioni interne. Per la bullonatura strutturale esterna o gli ambienti marini, è richiesto l'acciaio inossidabile AISI 316 o Inconel 718, ma questi presentano un significativo declassamento della rigidità alla trazione rispetto all'acciaio per molle legato.
| Materiale | Gamma di durezza | Temp. operativa massima | Resistenza alla corrosione |
|---|---|---|---|
| C67S (1.5014) | 42-48 HRC | 120°C (non placcato) | Basso (richiede rivestimento) |
| 51CrV4 (1.8159) | 45-51 HRC | 180°C | Basso-Medio |
| AISI 316 (1.4401) | ~35HRC massimo | 280°C | Alto (resistente al cloruro) |
| Inconel 718 | 36-44 HRC | 600°C | Eccellente |
Non accoppiare mai una rondella Belleville in acciaio al carbonio duro con un bullone morbido in acciaio inossidabile senza una rondella piatta temprata intermedia. Il bordo conico della rondella elastica si intaserà nella superficie di appoggio del bullone, creando un aumento di sollecitazione che dà origine a cricche da fatica. Una sottile rondella piatta con superficie indurita e foro smussato protegge il raggio di raccordo della testa del bullone.
Impostazione del precarico con rondelle Belleville
L'utilizzo della coppia per impostare il precarico su uno stack Belleville non è affidabile perché è la deflessione della molla, non la coppia, a determinare la forza di serraggio. Il metodo corretto consiste nel calcolare la deflessione della molla al precarico desiderato, quindi serrare fino a misurare la deflessione fisica. Potresti prendere di mira una singola rondella della serie B con 2,15 mm di corsa totale 1,5 mm di deflessione (70% della corsa) per raggiungere il carico piatto nominale. Ciò si verifica con un comparatore o un micrometro di profondità misurando lo spazio tra le piastre serrate. Se la pila di rondelle è nascosta, utilizzare il tensionamento idraulico o misurare l'allungamento del bullone con gli ultrasuoni. Affidarsi solo ad una chiave dinamometrica può provocare una dispersione del precarico ±25% , che spesso supera il campo di lavoro elastico della lavatrice.
Evitare modalità di guasto comuni
La rottura per fatica solitamente inizia nel bordo interno della rondella, dove le sollecitazioni circolari si concentrano durante la compressione. La pallinatura della superficie concava della rondella ritarda l'inizio della cricca. Assicurarsi che la superficie di appoggio contro il diametro interno sia priva di bave taglienti o schizzi di saldatura. Una bava sul gambo del bullone agisce come uno strumento da taglio, incidendo il foro della rondella e generando un'origine di frattura. Un altro fallimento trascurato è l’impilamento invertito. Se una singola rondella viene ribaltata accidentalmente, il giunto perde completamente la sua funzione elastica e diventa un giunto piatto soggetto ad immediato allentamento. Contrassegnare sempre il bordo esterno delle pile parallele con un pennarello dopo il montaggio in modo che una rondella invertita sia visivamente evidente durante l'ispezione.
Lista di controllo applicativa per giunti ad alte vibrazioni
Prima di finalizzare un progetto, verifica questi cinque punti. Innanzitutto, la lunghezza serrata del bullone deve essere sufficiente affinché la deflessione della rondella rappresenti una frazione significativa dell'elasticità totale del giunto. In secondo luogo, la lavatrice non deve essere completamente appiattita al massimo carico di servizio. In terzo luogo, la superficie del cuscinetto deve essere indurita o protetta da una rondella piatta. In quarto luogo, il numero di rondelle parallele non deve superare le quattro senza declassamento per attrito. In quinto luogo, il materiale deve resistere al limite massimo di temperatura dell'ambiente senza perdere la calma. La mancanza di uno qualsiasi di questi controlli compromette la ragione fondamentale per la scelta di una rondella Belleville rispetto a una rondella elastica divisa, che perde tensione dopo un piccolo periodo di inclusione.
