Design and simulation of new geometries of conical washers

Conical washers serve as components designed to mitigate the likelihood of loosening within threaded connections. Functionally akin to cup springs, these washers distinguish themselves by their specific field of application. They ensure preload maintenance within the connection by undergoing deformation during the screwing phase. Despite advancements in material and manufacturing processes over the years, the geometric configuration of the washer has remained unchanged, emphasizing cost-effectiveness while endeavoring to enhance functionality. This thesis is dedicated to the design and simulation of new geometries of conical washers, aiming to introduce a new functional geometry that surpasses existing designs in terms of performance. The proposed designs adhere to established guidelines and standards governing such components. The initial phase of this research entails experimental tests conducted on both standard washers and three newly produced designs. Subsequently, these geometries are replicated within finite element analysis (FEA) software, presenting a numerical model capable of reproducing the observed deformation of the washer during experimental tests. Drawing inspiration from Falk elastic joints, a new washer geometry, incorporating a sigmoid pro- file, is introduced. The numerical model, validated through experimental tests on other geometries, demonstrates superior performance compared to previously examined models. This study inline with the standard conical washer type DIN 6796 for M8 screws, adhering to the functional requirements stipulated in DIN 267-26. All proposed geometries presented here can be realized with a single blanking operation.

Le rondelle coniche sono componenti usati come per ridurre l'occorrenza dello svitamento all'interno di collegamenti filettati. Tali rondelle, di fatto, sono equivalenti alle molle a tazza (o Belleville) , da cui differenziano da esse per via del diverso campo di utilizzo, garantiscono il mantenimento del precarico all'interno del collegamento grazie alla loro deformazione avvenuta in fase di avvitatura. Negli anni, nonostante i miglioramenti effettuati in termini di materiale e processi produttivi, non vi è stata una modifica della geometria della rondella con l'obiettivo di fornire una sua migliore funzionalità rimanendo all'interno della economicità tipica di questo componente. Questa tesi si concentra sulla progettazione e simulazione di nuove geometrie per le rondelle coniche, con l'obiettivo di proporre una nuava geometria funzionale in grado di superare il design esistente in termini di prestazioni, il tutto in conformità con le linee guida e gli standard che normano tale componente. La prima fase di questo lavoro presenta i test sperimentali e ettuati sulle rondelle standard e tre nuovi design. Successivamente, queste geometrie saranno replicate in software agli elementi finiti, presentato quindi un modello numerico in grado di replicare la deformazione della rondella osservata durante le prove sperimentali. Successivamente, prendendo ispirazione dai giunti elastici Falk, viene presentata una nuova geometria di rondella basata sull'adozione di un profilo sigmoide. Secondo il modello numerico, validato grazie alle prove sperimentali effettuate su altre geometria, le prestazioni di tale nuova geometria sono risultati superiori rispetto ai modelli testati precedentemente. Lo studio qui presentato è basato sulla la rondella conica standard tipo DIN 6796 per viti M8 seguendo i requisiti funzionali riportati in DIN 267-26. Tutte le geometrie proposte qui possono essere realizzata con una sola operazione di tranciatura