Nesten alle ingeniørprodukter av ulik kompleksitet bruker gjengedefestemidler. Sammenlignet med de fleste andre tilkoblingsmetoder er en viktig fordel med gjengede festemidler at de kan demonteres og gjenbrukes.
Denne funksjonen er vanligvis grunnen til at gjengede festemidler foretrekkes fremfor andre tilkoblingsmetoder, og de spiller ofte en avgjørende rolle for å opprettholde den strukturelle integriteten til produktene.
Imidlertid er de også en betydelig kilde til problemer i maskineri og andre komponenter. Årsaken til disse problemene ligger i deres -selvløsende mekanisme. Denne -selvløsende mekanismen har lenge vært et problem, og i løpet av de siste 150 årene har designere utviklet metoder for å forhindre dette.
Mange vanlige typer låsemetoder for gjengede festemidler ble oppfunnet for mer enn 100 år siden, men det er først de siste årene at hovedmekanismene som fører til selv{1}}løsing har blitt forstått. Det er mange mekanismer som kan føre til at gjengede fester løsner, som kan deles inn i rotasjonsløsing og ikke-rotasjonsløsing.
Roterende og ikke-rotasjonsløsing
I de aller fleste bruksområder strammes gjengede fester, og forspenning påføres forbindelsen. Løsning kan forstås som påfølgende tap av forspenning etter at tiltrekkingsprosessen er fullført. Dette kan skje på to måter:
Rotasjonsløsing, ofte referert til som selv-løsing, refererer til rotasjonen av festeanordningen under påvirkning av ytre belastninger.
Ikke-rotasjonsløsing refererer til tap av forspenning uten relativ bevegelse mellom de indre og ytre gjengene.
Løsning av festeelementer forårsaket av ikke-rotasjonsløsing
Ikke-rotasjonsløsning kan oppstå på grunn av deformasjon av selve festet eller de tilkoblede komponentene etter montering. Dette er resultatet av delvis plastisk kollaps av disse grensesnittene.
Forstørret visning av grov overflatekontakt
Når to flater er i kontakt med hverandre, bærer hver overflate bæreflatebelastningen. Fordi den faktiske kontaktflaten er mye mindre enn overflaten, selv under moderate belastninger, bæres det kontinuerlig med svært høye lokale spenninger som overstiger materialets flytegrense.
Dette kan føre til delvis kollaps av overflaten etter at strammeoperasjonen er fullført; denne kollapsen blir vanligvis referert til som embedment.
Mengden av klemkraft som går tapt på grunn av innstøping avhenger av stivheten til bolten og de tilkoblede komponentene, antall kontaktflater som er tilstede i forbindelsen, overflateruhet og påført lageroverflatespenning.
Under moderate overflatespenningsforhold forårsaker innstøping vanligvis et klemkrafttap på ca. 1 % til 5 % i løpet av de første sekundene etter at skjøten er strammet. Når skjøten deretter utsettes for påførte dynamiske belastninger, kan klemkraften reduseres ytterligere på grunn av endringer i trykk som oppstår på skjøtens kontaktflate.
Dersom overflatebærespenningen holdes under trykkflytegrensen til det tilkoblede komponentmaterialet, kan mengden av innstøpingstap beregnes og kompenseres for i forbindelsesdesignet.
Junker's Theory of Fastener Self-Loosening
I 1969 brukte Gerhard Junker resultatene av ingeniørtester for å støtte teorien hans om hvorfor gjengede festemidler løsner automatisk. Hans nøkkelfunn var at så snart en relativ bevegelse oppstår mellom de samsvarende gjengene og mellom bæreflaten til festeanordningen og klemmaterialet, vil den forhåndsbelastede festeanordningen løsne på grunn av rotasjon.
Det ble også funnet at tverrgående dynamiske laster forårsaker mer alvorlig løsning enn aksiale dynamiske laster. Årsaken er at den radielle bevegelsen under aksiale belastninger er betydelig mindre enn den under tverrgående belastninger.
Tverrgående bevegelse av boltede forbindelser
Junker viste at et forhåndslastet festeelement vil -løsne seg selv når det oppstår relativ bevegelse mellom de samsvarende gjengene og festeelementets lagerflate. Dette skjer når tverrkraften som virker på skjøten er større enn friksjonskraften som genereres av boltens forspenning.
Ved små tverrforskyvninger kan det oppstå relativ bevegelse mellom gjengeflankene og lagerkontaktflatene. Når gjengeklaringen er overvunnet, vil bolten bli utsatt for bøyekrefter, og hvis tverrgående glidning vedvarer, vil det oppstå glidning på lagerflaten under boltehodet.
Når den er startet, vil det midlertidig ikke være friksjon ved gjengene og under boltehodet. Det selvløsende dreiemomentet som genereres av forspenningen som virker på gjengespiralvinkelen, forårsaker tilsvarende rotasjon mellom mutteren og bolten. Ved gjentatte tverrgående bevegelser kan denne mekanismen forårsake fullstendig løsgjøring av festeanordningen.
For å studere årsakene til å løsne, utviklet Junker en testmaskin, som vist i figuren nedenfor, som kvantifiserer anti-løsningseffektiviteten til festedesign.
Junker festetestmaskin
Kulelager brukes for å eliminere friksjonseffekten mellom de bevegelige og faste platene. Når tverrgående bevegelse påføres fra den bevegelige platen som klemmer mutteren, overvåker veiecellen kontinuerlig boltbelastningen.
Sammenlignet med vanlige standarder for vibrasjonstest kan tapet av forspenning måles under testen, og en graf over forbelastning kontra syklusnummer kan plottes.
Prinsippet til Junker-maskinen er at den tverrgående forskyvningen som genereres av kammen får festeanordningen til å oscillere, og overvinner friksjonskraften til festeanordningen for å produsere løsning.
Skjermbilde av Junker Testing Machine
Junker Vibration Test Loosening Curve
Gjennom Junker-testing kan ytelsen til ulike anti-festekonstruksjoner sammenlignes. I løpet av de siste to tiårene har et stort antall studier på eksisterende -løsningsdesign for festemidler blitt fullført for å sammenligne deres anti-løsningsegenskaper.
For effektiv sammenligning er det avgjørende å bruke samme vibrasjonsamplitude, da dette har en betydelig innvirkning på resultatene. Figuren under viser et typisk testresultat av en fjærskive.
Testen viste at plassering av en spiralformet fjærskive under boltehodet faktisk akselererte løsningen. Andre har også bevist at bruk av slike skiver har lignende ytelse som bruk av bolter uten noen låseanordninger.
Mange store OEM-er, som er klar over disse funnene, spesifiserer ikke lenger slike skiver i sine interne standarder.
Mange låseanordninger som brukes til gjengede festemidler er basert på å forhindre relativ bevegelse mellom gjengene (f.eks. nylonlåsemuttere) eller relativ bevegelse mellom lagerflaten og de tilkoblede komponentene (f.eks. forskjellige typer "låse" skiver).
Både Junker og andre etterfølgende forskere har imidlertid påpekt viktigheten av å hindre tverrgående bevegelse av skjøten: en passende boltet forbindelsesdesign sikrer at boltens klemkraft er tilstrekkelig til å hindre tverrgående bevegelse gjennom friksjonen til forbindelsesplatene, og dermed unngå å løsne.
Under designfasen kan dette oppnås ved å velge passende festestørrelse og styrke slik at forbelastningen kan generere tilstrekkelig friksjon til å motstå leddbevegelse forårsaket av ytre belastninger.
Skru Juns konklusjon
Den grunnleggende årsaken til at gjengede fester løsner er leddbevegelse, spesielt tverrgående glidning avboltgjengerog bæreflater. Hvis tilstrekkelig forspenning kan oppnås fra bolten for å hindre leddbevegelse, er det ikke nødvendig med noen låseanordning, da friksjon vil holde delene sammen.
Hovedproblemet i utformingen av gjengede festemidler er å sikre at forspenningen er tilstrekkelig til å holde delene godt sammen når endringer i friksjonsforhold er inkludert.
Denne grafen viser effekten av friksjonsendringer på boltforspenning.
Nøkkelen til å forhindre at den løsner er å sørge for tilstrekkelig boltforspenning
Generelt bør skjøter utformes basert på minimum forbelastning generert ved maksimal friksjonskoeffisient; å designe ved å bruke den gjennomsnittlige forspenningsverdien vil føre til at mange løsnerbolter.
Samtidig er det også nødvendig å vurdere forspenningstapet forårsaket av innstøping. For å begrense mengden av innstøping er det nødvendig å sikre det maksimale spenningsområdet som det fastklemte materialet tåler.
I tilfeller der leddbevegelse ikke kan forhindres, for eksempel i nærvær av termisk ekspansjon, bør en låseanordning med dokumentert kapasitet spesifiseres.
