简要结论
碟形弹簧（也称 Belleville 弹簧或 Belleville 垫圈）是一种锥形垫圈，在轴向受压时可储存弹性势能。它能在极小的轴向空间内承受很高的载荷，因此广泛应用于离合器、阀门、法兰连接和起落架等场合。工程师之所以选用它，主要是为了保持预紧力、吸收冲击、衰减振动，并补偿螺栓连接和机械连接中的热膨胀。其载荷—挠度特性由一个设计比值决定：自由锥高与厚度之比（h/t）。
- 又称：Belleville 弹簧、Belleville 垫圈、锥形弹簧垫圈
- 由 Julien Belleville 于 1867 年获得专利
- 受 DIN EN 16983 和 DIN EN 16984 规范约束
- 关键设计比值：自由锥高 ÷ 厚度（h/t）
- 并联叠装可提高载荷，串联叠装可增加行程
- 典型外径范围：8 mm 至 800 mm
一碟形弹簧，也称 Belleville 弹簧或 Belleville 垫圈，是一种钢制锥形环件，在受压时可产生可预测的载荷。其几何结构看似简单，实际工作特性却并不简单。正是这一小小的锥形结构，使其被广泛应用于飞机起落架、汽车离合器总成、管道法兰以及核电阀门执行机构等场合。
基础知识：什么是碟形弹簧？
可以把它想象成一个平垫圈，将中心压下后形成浅锥形结构。
该锥形结构在轴向受载时储存弹性势能，其原理与螺旋弹簧相同，但所占高度仅为后者的一小部分。
每个碟形弹簧都可由四个参数描述：外径（De）、内径（Di）、自由高度（Lo）和材料厚度（t）。
最重要的设计参数是自由锥高（ho）与厚度（t）的比值，记作 h/t。
正是这一比值决定了弹簧在载荷作用下表现为刚性、柔性，还是近似恒定的特性。
碟形弹簧在全球范围内遵循两项欧洲标准。DIN EN 16983（原 DIN 2093）规定了尺寸、公差和质量要求。DIN EN 16984（原 DIN 2092）规定了计算方法。
两项标准都针对每一种外径规定了 A、B、C 三个系列，不同系列对应不同的载荷等级。
例如，标记为 A50 的弹簧，表示该规格下外径为 50 mm、且属于 A 系列中最高载荷等级的弹簧。
碟形弹簧的工作原理
沿轴向压缩碟形弹簧时，其锥面会逐渐压平，并在这一过程中储存弹性势能。
载荷则沿同心方向重新释放。
加载与卸载路径并不完全重合。这一间隙称为滞回，其来源于材料内部摩擦；在叠装时，还包括相邻碟片之间的摩擦。因此，每个循环都会有一部分能量损失，无法完全回收。
不产生弯矩，也不引入侧向载荷——这是螺旋弹簧始终难以做到的一点，也正因如此，碟形弹簧在空间受限、载荷较高的连接部位更具优势；若采用螺旋弹簧，则容易产生侧向推力并引发卡滞。
h/t 比值是决定弹簧整体特性的关键参数。
随着该比值增大，载荷-挠度曲线会逐渐偏离直线，并开始趋于平缓。
这一规律已在工程文献中得到充分验证，并为碟形弹簧设计资料所确认：
h/t 比值 | 载荷-挠度特性 |
|---|---|
低于约 0.4 | 接近线性。在该范围内将载荷-挠度曲线近似为直线，误差很小。 |
约 0.4 至约 1.5 | 非线性逐渐增强。随着比值升高，曲线进一步变平；在该区间中部，还可能形成近似恒定力区域，常用于离合器和安全装置。 |
高于约 1.5 | 呈递减特性。若支承不充分，弹簧可能出现“推穿”现象。 |
高于约 2.0 | 在压缩接近平直位置时，可能发生翻转（内外翻）。 |
在整个行程中段接近恒定的力区间，正是其真正发挥作用的部分。
设计人员常将其用于过载离合器和安全装置，在接头发生位移时仍需保持稳定作用力。
这也是为什么弹簧当 h/t 比较高时，弹簧需要配合导向轴或导向套使用。
若没有导向支撑，弹簧可能发生穿越失稳或翻转。
叠装方式：串联、并联与组合叠装
碟形弹簧的真正灵活性，主要体现在叠装方式上。
同一标准件通过不同方向的组合叠装，可形成差异显著的载荷—挠度特性曲线。
将两种方式结合使用，即部分弹簧并联、再将并联组串联起来，工程师几乎可以用同一种标准件实现任意载荷—挠度曲线。
这也是碟形弹簧在精密设备中应用广泛的重要原因：只需一款目录标准件，无需开发专用零件，即可配置出覆盖广泛载荷与行程要求的方案。
碟形弹簧与螺旋弹簧：如何选择
那么，实际应用中究竟应在何时选用碟形弹簧而非螺旋弹簧？
当安装空间受限且载荷较高时，几乎总是优先选择碟形弹簧。
当需要较长且平稳的行程时，则通常很少选用。此处选型失误是现场失效的常见原因之一，因此必须客观评估其性能权衡。
下表列出了通常决定选型的关键因素。
因素 | 碟形弹簧 | 螺旋弹簧 |
|---|---|---|
单位空间承载能力 | 承载能力很高，能够在较小挠度下承受较大载荷。 | 承载能力中等；在相同载荷条件下，需要更大的轴向长度。 |
所需轴向空间 | 很小，每个弹簧仅需数毫米。 | 较大，通常需要多圈弹簧。 |
挠度范围 | 单个弹簧的挠度范围有限，可通过串联叠装扩大。 | 单个弹簧的自然挠度更大。 |
载荷曲线形态 | 可通过 h/t 比进行调节，曲线可设计为线性、递减或近似恒定。 | 通常为线性。 |
振动阻尼 | 叠装碟簧之间具有内置摩擦阻尼。 | 若无附加元件，阻尼较低。 |
力的传递 | 同心传力。环形结构可避免侧向载荷。 | 在受载条件下可能产生侧向力。 |
维护 | 可单独更换单片碟簧，其余叠装组件可继续保留。 | 通常应整只更换碟形弹簧。 |
材料与表面处理
材料选择，往往正是优秀设计悄然失手的环节。
基体钢材会同时决定工作温度范围、耐腐蚀性能和疲劳寿命，因此，当初为了在带料上节省几美分所做的选择，几年后可能就会以弹簧开裂的形式暴露出来，而且往往发生在谁都不愿意拆开的设备位置。
碳钢与合金钢通常采用符合 EN 10089 的 51CrV4，在持续使用温度约 300°C 内仍可保持弹性；部分制造商对短时峰值工况给出的额定温度更高。
对于腐蚀性工况或低至约 −200°C 的深冷应用，常用材料为不锈钢牌号X12CrNi 17 7（DIN 1.4310），适用于厚度约 1.25 mm 以内；以及X7CrNiAl 17 7（DIN 1.4568），用于较厚的碟形弹簧。主流制造商通常将其评定为具备优异耐腐蚀性能，并可在约 600°C 的高温下使用。
对于最严苛的涡轮机和发电领域应用，则会采用镍基合金，例如Inconel和Nimonic这类材料即使在普通不锈钢牌号会发生应力松弛或强度下降的温度下，仍能保持其弹簧性能。
表面处理同样至关重要。
磷化加油是标准表面处理方式，可提供基本的防腐保护，并有助于弹簧保持润滑剂。
喷丸强化可在表层形成残余压应力，从而降低通常会引发疲劳裂纹的拉应力。
制造商的设计手册特别建议将其用于动态载荷弹簧，尤其是在疲劳寿命优先的场合。
碟形弹簧的应用领域
碟形弹簧的核心优势，在于能在极小的轴向空间内提供较高的作用力。
因此，在一类工程应用中它几乎难以替代：空间受限，同时承受重载，并且要求在大量循环中保持稳定性能。
分析机构普遍将汽车、航空航天和工业机械列为主要终端应用领域，油气、电力及建筑行业紧随其后。
碟形弹簧选型：实用框架
碟形弹簧不能仅凭图表直接选定。
应先明确连接部位的实际需求——载荷与行程——再反向推导几何参数、材料选择和叠装方式。
以下四个步骤，是大多数工程师采用的选型顺序。
步骤 1：确定载荷与变形范围
连接部位必须承受的最小载荷是多少，允许不超过的最大载荷是多少？
系统需要的总行程是多少？
这些参数将约束后续的每一项决策。
一项广泛采用的设计准则，是将工作变形量限制在自由锥高（ho）的 75% 以内。
超过这一范围后，作用力和应力会急剧上升，从而缩短疲劳寿命。
步骤 2：确定叠装方案
如果载荷是限制因素，而行程条件充足，则应采用并联叠装。
如果行程受限，应采用串联叠装。
混合叠装由若干并联碟簧组再串联而成，适用于载荷与行程均超出单个碟簧承载能力的工况。
叠装应尽可能短。对于较长的叠装，摩擦会使受载端碟簧变形过大，而远端碟簧变形不足。
步骤 3：选择材料与表面处理
材料选择应与工作温度、腐蚀环境以及是否有磁性要求相匹配。
不要仅因成本较低就直接选用碳钢。
海底阀门若材料选型不当，因停机造成的损失往往远高于不同弹簧钢牌号之间的价格差。
步骤 4：按标准核对
DIN EN 16984 规定了载荷与应力的计算方法，DIN EN 16983 则规定了尺寸和公差。
对于高周次工况，工作应力范围必须控制在材料疲劳极限以内。制造商通常会在设计手册中以 S-N（应力—循环次数）曲线形式公布相关数据。
预压定型弹簧（scragged springs）在制造过程中会被压至完全压平，以便剔除无法恢复的部件，因此在动态工况下的性能更为稳定。
标准与合规
这里主要依据两项标准；如果您见过较早的图纸，仍会认出它们的德国前身。
DIN 2092 和 DIN 2093 已于 2017 年 2 月 1 日废止，并并入下列欧洲标准。
技术内容并未改变，变化的只是封面编号；因此，旧 DIN 标注的零件，与新的 EN 标注对应的是同一零件。
标准 | 适用范围 | 替代 |
|---|---|---|
DIN EN 16983 | 尺寸、公差、材料及质量要求 | DIN 2093 |
DIN EN 16984 | 计算方法与载荷—挠度公式 | DIN 2092 |
ISO 19690-2 | 国际等效标准。A 级规定了较严的公差要求。 | — |
符合 DIN EN 16983 的碟形弹簧按制造方法分组，分组依据为厚度。
第 1 组覆盖厚度小于 1.25 mm 的碟片，采用冷成形制造，边缘为圆角，不设接触平面。
第 2 组厚度范围为 1.25 mm 至 6 mm（含 6 mm），可采用冷成形，或精密冲裁后机加工。
第 3 组覆盖厚度大于 6 mm、至 14 mm 的碟片，标准建议采用带接触平面的结构。
分组之所以重要，是因为不同组别的公差带并不相同。
第 3 组碟片不能按第 1 组公差进行控制。
接触平面的作用
第 3 组碟片（厚度超过 6 mm）采用接触平面：即在上部内径和下部外径处设置的小型机加工平面，使叠装时相邻碟片在这些位置实际接触。
接触平面可使碟片在叠装时保持对中，但同时会缩短有效力臂，从而提高弹簧力。制造商通常通过适当减小材料厚度（至 t'）加以补偿，以在 75% 挠度下恢复原始弹力和原始总高度，但代价是锥角略有增大。
常见问题
碟形弹簧与贝勒维尔垫圈是否完全是同一种部件？
是的。它们本质上是同一种部件，只是名称不同。“Disc spring”是 DIN EN 16983 等欧洲标准中的术语，而 “Belleville washer” 或 “Belleville spring” 则是北美地区的常用叫法，名称源自法国工程师 Julien Belleville，他于 1867 年为锥形弹簧概念申请了专利。上述术语均指沿轴向受载的锥形环件。
为什么载荷—挠度曲线会随 h/t 比变化？
随着碟形弹簧逐渐压平，其锥角减小，有效力臂随之缩短，因此在整个行程内刚度会发生变化。h/t 比较低时，这种影响较小，曲线基本保持近似线性；当该比值较高时，这种几何效应占据主导，载荷—挠度曲线呈递减特性，并在中间区段形成近似恒力区。决定这一特性的关键在于几何参数，而非材料选择，因此同一种钢材在不同 h/t 比下也会呈现明显不同的曲线形态。
碟形弹簧最多可以叠装多少片？
碟形弹簧的叠装片数没有固定上限，但实际应用会受到多种因素制约。较长的并联叠装需要采用内导轴或外导套以防止失稳屈曲；同时，随着叠装高度增加，片间摩擦也会增大，从而降低载荷精度。许多设计人员会在长叠装中加入隔片，并在满足载荷与行程要求的前提下尽量缩短叠装长度，因为较短的叠装在动态载荷下受力变形更均匀。
碟形弹簧为何会过早失效？
最常见的四个原因是：在动态工况下超过 75% 的挠度建议值；所选材料与温度或化学环境不匹配；叠装组件在无润滑条件下运行，导致接触表面发生咬粘；以及在安装过程中将弹簧压平，这会使其产生塑性变形，并永久改变载荷曲线。绝不应将弹簧压平作为装配方式。
什么是接触平面？为什么有些碟形弹簧会采用这种结构？
接触平面是碟形弹簧在上端内径和下端外径处加工出的局部平面，DIN EN 16983 对 3 组碟形弹簧（材料厚度超过 6 mm）有此要求。其作用是为叠装弹簧提供稳定、对中的接触点，避免尖锐边缘直接接触。由于接触平面会缩短有效力臂，在相同挠度下会提高弹簧力；制造商通常通过将厚度略微减小至 t' 来加以补偿，使 75% 挠度时的载荷及整体高度保持不变，但锥角会略有增大。
碟形弹簧可以在 300°C 以上使用吗？
可以，但前提是选用合适的材料。51CrV4 等标准碳钢和合金钢牌号在持续工况下可保持弹簧性能，适用温度通常可达约 300°C。若温度更高，则更适合采用 X7CrNiAl 17 7（DIN 1.4568）等沉淀硬化不锈钢，主流制造商通常将其额定温度标至约 600°C。对于最严苛的汽轮机和发电应用，则会采用 Inconel、Nimonic 等镍基合金。在高温条件下，松弛现象——即在持续压缩下载荷逐渐衰减——会明显加快，必须纳入设计裕量。
如何计算碟形弹簧叠装的载荷？
单片弹簧的载荷—挠度关系可依据 DIN EN 16984 中的公式计算，该公式综合考虑外径、内径、锥高、厚度以及材料弹性模量。对于并联叠装，总载荷大致等于单片载荷乘以弹簧片数；对于串联叠装，在相同载荷下，总挠度则约等于单片挠度乘以片数。多数制造商都提供基于这些公式的计算工具，而复杂的混合叠装则可借助有限元分析（FEA）软件进行校核。
参考文献与延伸阅读：维基百科，贝勒维尔垫圈· DIN EN 16983 标准，获取途径：Beuth Verlag· 美国专利商标局，贝勒维尔弹簧导向系统（US8366082B2）
本文面向工程与采购专业人士。弹簧选型应始终以 DIN EN 16983 和 DIN EN 16984 的完整标准要求为依据；对于安全关键型应用，务必咨询具备资质的工程师。
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