Волновые пружины находят все большее применение в двигателях, благодаря их способности обеспечивать характеристики усилия и прогиба, аналогичные традиционным спиральным пружинам, но со значительно уменьшенной рабочей высотой. Хотя волновые пружины могут использоваться в статических условиях, таких как предварительная нагрузка на подшипник или механическое уплотнение, многие области применения требуют динамического перемещения — например, для облегчения работы клапана. Когда пружины подвергаются динамической нагрузке, постоянное переключение между различными рабочими высотами и силами может привести к усталостному ослаблению пружины и возможному разрушению материала.

Усталостный ресурс волновой пружины зависит от рабочих напряжений на пружине и от материала пружиныпредел прочности. В динамических приложениях существует несколько рабочих напряжений (по одному на каждой рабочей высоте), но в большинстве случаев достаточно использовать рабочие напряжения при минимальных и максимальных нагрузках. Эти рабочие напряжения используются для определения коэффициента усталостных напряжений волновой пружины.

X = коэффициент усталостных напряжений

σ = предел прочности материала при растяжении

S₁ = расчетное рабочее напряжение на меньшей рабочей высоте (не должно превышать 2)

S₂ = расчетное рабочее напряжение на верхней рабочей высоте

Коэффициент усталостных напряжений затем используется для определения расчетного срока службы пружины.

Наиболее простым способом увеличить коэффициент усталостных напряжений волновой пружины и, в свою очередь, ее расчетный срок службы является использование материала с более высокой прочностью на растяжение (σ). Волновые пружины предлагаются в широком ассортименте из стали, нержавеющей стали, жаропрочных сплавов и бронзы, поэтому у дизайнеров часто есть выбор из нескольких материалы который будет соответствовать требованиям приложения к прочности на растяжение и выдерживать любые особые условия окружающей среды.

Например, нержавеющая сталь 17-7 (тип, обычно используемый для волновых пружин) обеспечивает как коррозионную стойкость, так и лучшую усталостную стойкость, чем углеродистая сталь. И Elgiloy, суперсплав из кобальта, хрома, никеля и молибдена, обеспечивает превосходную усталостную стойкость и может выдерживать соленую воду и кислотные среды.

Геометрия пружины также играет роль в усталости, определяя рабочее напряжение, которое испытывает пружина. Рабочее напряжение имеет обратную квадрату зависимость как от толщины материала (t), так и от количества волн за оборот (N), поэтому увеличение любого из них обеспечит значительное снижение рабочего напряжения. Однако геометрия волновой пружины также влияет на прогиб пружины и ее скорость, поэтому их необходимо принимать во внимание.

S = рабочее напряжение

P = нагрузка

D_m = средний диаметр

b = радиальная ширина материала

t = толщина материала

N = количество волн за ход

Еще одним способом избежать усталости и увеличить срок службы в динамичных условиях эксплуатации является использование переплетенной волновой пружины. В этой конструкции две пружины с одинаковой толщиной, амплитудой и частотой переплетены так, что витки каждой пружины совпадают. Это увеличивает толщину каждого витка волны, что обеспечивает более высокую грузоподъемность и лучшую устойчивость к усталости.

Важно отметить, что при динамическом применении производители волновых пружин обычно рекомендуют, чтобы рабочее напряжение не превышало 80 процентов прочности материала на растяжение. Это делается для того, чтобы уменьшить вероятность расслабления пружины или “взятия набора”. Установка — это условие, при котором пружина напряжена сверх предела своей упругости и не возвращается к своей первоначальной длине. Хотя настройка обычно нежелательна, в некоторых случаях для увеличения кажущегося предела упругости пружины используется процесс, известный как “предварительная настройка”.

Предварительная настройка достигается за счет изготовления пружины с большей свободной высотой и большей нагрузкой, чем требуется. Затем пружина сжимается до твердого состояния, то есть до точки соприкосновения различных волн. Это устраняет постоянную деформацию, которая могла бы возникнуть при превышении предела упругости, и создает благоприятные напряжения, которые вызывают видимое увеличение предела упругости пружины, улучшая ее несущую способность на заданной высоте.