Uvolňovací mechanismus závitových spojovacích prvků

Téměř všechny strojírenské produkty různé složitosti používají závity spojovací materiál. Ve srovnání s většinou ostatních způsobů připojení je klíčovou výhodou závitových spojovacích prvků to, že je lze rozebrat a znovu použít.

Tato vlastnost je obvykle důvodem, proč jsou závitové spojovací prvky upřednostňovány před jinými způsoby připojení a často hrají klíčovou roli při zachování strukturální integrity výrobků.

Jsou však také významným zdrojem problémů ve strojních zařízeních a dalších součástech. Příčina těchto problémů spočívá v jejich samovolném mechanismu. Tento samovolný mechanismus je již dlouho problémem a za posledních 150 let konstruktéři vyvíjeli metody, jak tomuto jevu zabránit.

Mnoho běžných typů zajišťovacích metod pro závitové spojovací prvky bylo vynalezeno před více než 100 lety, ale teprve v posledních letech byly pochopeny hlavní mechanismy vedoucí k samovolnému uvolnění. Existuje mnoho mechanismů, které mohou způsobit uvolnění závitových spojovacích prvků, které lze rozdělit na rotační uvolňování a nerotační uvolňování.

Rotační a nerotační uvolnění

V naprosté většině aplikací jsou závitové spoje utaženy a na spoj je aplikováno předpětí. Povolení lze chápat jako následnou ztrátu předpětí po dokončení procesu utahování. K tomu může dojít dvěma způsoby:

Rotační uvolňování, běžně označované jako samovolné, se týká otáčení spojovacího prvku při působení vnějších zatížení.

Nerotační uvolnění se týká ztráty předpětí bez relativního pohybu mezi vnitřním a vnějším závitem.

Uvolnění upevňovacího prvku způsobené nerotačním uvolněním

K nerotačnímu uvolnění může dojít v důsledku deformace samotného spojovacího prvku nebo připojených součástí po montáži. Je to důsledek částečného plastického kolapsu těchto rozhraní.

Zvětšený pohled na drsný povrchový kontakt

Když jsou dva povrchy ve vzájemném kontaktu, každý povrch nese zatížení nosné plochy. Vzhledem k tomu, že skutečná kontaktní plocha je mnohem menší než povrchová plocha, i při mírném zatížení jsou trvale přenášena velmi vysoká lokální napětí, která překračují mez kluzu materiálu.

To může vést k částečnému zborcení povrchu po dokončení utahovací operace; toto zhroucení je obvykle označováno jako vložení.

Velikost ztracené upínací síly v důsledku zapuštění závisí na tuhosti šroubu a připojených součástí, počtu kontaktních ploch přítomných ve spoji, drsnosti povrchu a aplikovaném napětí dosedací plochy.

Za podmínek mírného povrchového napětí způsobí zapuštění obvykle ztrátu upínací síly přibližně 1 % až 5 % během prvních několika sekund po utažení spoje. Když je spoj následně vystaven aplikovanému dynamickému zatížení, upínací síla se může dále snižovat v důsledku změn tlaku vyskytujících se na kontaktním povrchu spoje.

Je-li povrchové napětí v ložisku udržováno pod mezí kluzu materiálu spojované součásti v tlaku, lze vypočítat a kompenzovat velikost ztráty uložením v návrhu spoje.

Junkerova teorie samovolného uvolňování spojovacích prvků

V roce 1969 použil Gerhard Junker výsledky technických testů k podpoře své teorie o tom, proč se závitové spojovací prvky automaticky povolují. Jeho klíčovým zjištěním bylo, že jakmile dojde k relativnímu pohybu mezi protilehlými závity a mezi dosedací plochou spojovacího prvku a upínacím materiálem, předepnutý spojovací prvek se v důsledku rotace uvolní.

Bylo také zjištěno, že příčná dynamická zatížení způsobují závažnější uvolnění než axiální dynamická zatížení. Důvodem je, že radiální pohyb při axiálním zatížení je výrazně menší než při příčném zatížení.

Příčný pohyb šroubových spojů

Junker ukázal, že předepjatý spojovací prvek se samovolně uvolní, když dojde k relativnímu pohybu mezi protilehlými závity a nosnou plochou spojovacího prvku. K tomu dochází, když je příčná síla působící na spoj větší než třecí síla generovaná předpětím šroubu.

U malých příčných posuvů může docházet k relativnímu pohybu mezi boky závitu a dosedacími plochami ložisek. Jakmile je vůle závitu překonána, bude šroub vystaven ohybovým silám, a pokud příčné klouzání přetrvává, dojde k klouzání na dosedací ploše pod hlavou šroubu.

Po spuštění dočasně nedojde k žádnému tření na závitech a pod hlavou šroubu. Samovolný moment generovaný předpětím působícím na úhel šroubovice závitu způsobí odpovídající rotaci mezi maticí a šroubem. Při opakovaných příčných pohybech může tento mechanismus způsobit úplné uvolnění spojovacího prvku.

Pro studium příčin uvolňování vyvinul Junker testovací stroj, jak je znázorněno na obrázku níže, který kvantifikuje účinnost proti povolování konstrukcí spojovacích prvků.

Zkušební stroj Junker Fastener

Kuličková ložiska se používají k odstranění třecího účinku mezi pohyblivými a pevnými deskami. Když je aplikován příčný pohyb z pohyblivé desky, která upíná matici, siloměr nepřetržitě monitoruje zatížení šroubu.

Ve srovnání s běžnými vibračními zkušebními normami lze během zkoušky měřit ztrátu předpětí a lze vykreslit graf předpětí versus počet cyklů.

Princip Junkerova stroje spočívá v tom, že příčné posunutí generované vačkou způsobuje kmitání spojovacího prvku, čímž dochází k překonání třecí síly spojovacího prvku k uvolnění.

Snímek obrazovky k Junker Testing Machine

Junkerův vibrační test Uvolňovací křivka

Prostřednictvím Junkerova testování lze porovnat výkon různých konstrukcí proti uvolnění spojovacích prvků. Během posledních dvou desetiletí bylo dokončeno velké množství studií o existujících konstrukcích proti povolování spojovacích prvků s cílem porovnat jejich vlastnosti proti povolování.

Pro efektivní srovnání je zásadní použít stejnou amplitudu vibrací, protože to má významný dopad na výsledky. Níže uvedený obrázek ukazuje typický výsledek testu pružné podložky.

Test ukázal, že umístění spirálové pružinové podložky pod hlavu šroubu ve skutečnosti urychlilo uvolňování. Jiní také prokázali, že použití takových podložek má podobnou účinnost jako použití šroubů bez jakýchkoli blokovacích zařízení.

Mnoho velkých OEM, kteří si jsou vědomi těchto zjištění, již takové podložky ve svých interních normách nespecifikují.

Mnoho zajišťovacích zařízení používaných pro závitové spojovací prvky je založeno na zabránění relativnímu pohybu mezi závity (např. nylonové pojistné matice) nebo relativnímu pohybu mezi dosedací plochou a připojenými součástmi (např. různé typy „zajišťovacích“ podložek).

Junker i další následní výzkumníci však poukázali na důležitost zabránění příčnému pohybu spoje: vhodná konstrukce šroubového spoje zajišťuje, že upínací síla šroubu je dostatečná k tomu, aby zabránila příčnému pohybu prostřednictvím tření spojovacích desek, čímž se zabrání uvolnění.

Během fáze návrhu toho lze dosáhnout výběrem vhodné velikosti a pevnosti spojovacího prvku tak, aby předpětí mohlo generovat dostatečné tření, aby odolalo pohybu spoje způsobenému vnějšími zatíženími.

Šroub Junův závěr

Základní příčinou uvolnění závitového spojovacího prvku je pohyb kloubu, zejména příčné klouzání šroubušroubové závitya nosné plochy. Pokud lze ze šroubu získat dostatečné předpětí, aby se zabránilo pohybu spoje, není potřeba žádné zajišťovací zařízení, protože tření bude držet díly pohromadě.

Hlavním problémem v konstrukci závitového spojovacího prvku je zajistit, aby předpětí bylo dostatečné k tomu, aby drželo díly pevně pohromadě, když jsou zahrnuty změny třecích podmínek.

Tento graf ukazuje vliv změn tření na předpětí šroubu.

Klíčem k zabránění uvolnění je zajistit dostatečné předpětí šroubu

Obecně by spoje měly být navrženy na základě minimálního předpětí generovaného při maximálním koeficientu tření; navrhování pomocí průměrné hodnoty předpětí povede k uvolnění mnoha šrouby.

Současně je také nutné uvažovat ztrátu předpětí způsobenou zapuštěním. Pro omezení množství zapuštění je nutné zajistit maximální rozsah napětí, kterému upnutý materiál odolá.

V případech, kdy nelze zabránit pohybu kloubu, například za přítomnosti tepelné roztažnosti, by mělo být specifikováno uzamykací zařízení s prokázanou schopností.