Aproape toate produsele de inginerie de complexitate diferită folosesc filetateelemente de fixare. În comparație cu majoritatea celorlalte metode de conectare, un avantaj cheie al elementelor de fixare filetate este că pot fi dezasamblate și refolosite.
Această caracteristică este de obicei motivul pentru care elementele de fixare filetate sunt preferate față de alte metode de conectare și joacă adesea un rol crucial în menținerea integrității structurale a produselor.
Cu toate acestea, ele sunt, de asemenea, o sursă semnificativă de probleme la mașini și alte componente. Cauza acestor probleme constă în mecanismul de auto-slăbire. Acest mecanism de auto-slăbire a fost de multă vreme o problemă, iar în ultimii 150 de ani, designerii au dezvoltat metode pentru a preveni această apariție.
Multe tipuri obișnuite de metode de blocare pentru elementele de fixare cu filet au fost inventate cu mai bine de 100 de ani în urmă, dar abia în ultimii ani au fost înțelese principalele mecanisme care conduc la auto-slăbire. Există multe mecanisme care pot determina slăbirea elementelor de fixare filetate, care pot fi împărțite în slăbire prin rotație și slăbire fără-rotație.
Slăbire rotativă și non{0}}rotațională
În marea majoritate a aplicațiilor, elementele de fixare filetate sunt strânse, iar conexiunea este aplicată preîncărcare. Slăbirea poate fi înțeleasă ca pierderea ulterioară a preîncărcării după finalizarea procesului de strângere. Acest lucru se poate întâmpla în două moduri:
Slăbirea prin rotație, denumită în mod obișnuit slăbire automată-, se referă la rotirea elementului de fixare sub acțiunea sarcinilor externe.
Slăbirea ne-rotațională se referă la pierderea preîncărcării fără mișcare relativă între firele interne și externe.
Slăbirea elementelor de fixare cauzată de slăbirea fără-rotație
Slăbirea ne-rotațională poate apărea din cauza deformării elementului de fixare în sine sau a componentelor conectate după asamblare. Acesta este rezultatul prăbușirii parțiale din plastic a acestor interfețe.
Vedere mărită a contactului cu suprafața rugoasă
Când două suprafețe sunt în contact una cu cealaltă, fiecare suprafață suportă sarcina suprafeței de rulment. Deoarece aria de contact reală este mult mai mică decât aria suprafeței, chiar și sub sarcini moderate, sunt suportate continuu tensiuni locale foarte mari, care depășesc limita de curgere a materialului.
Acest lucru poate duce la prăbușirea parțială a suprafeței după finalizarea operațiunii de strângere; acest colaps este de obicei denumit încorporare.
Cantitatea de forță de strângere pierdută din cauza încasării depinde de rigiditatea șurubului și a componentelor conectate, de numărul de suprafețe de contact prezente în conexiune, de rugozitatea suprafeței și de efortul aplicat pe suprafața rulmentului.
În condiții de solicitare moderată a suprafeței, înglobarea cauzează de obicei o pierdere a forței de strângere de aproximativ 1% până la 5% în primele câteva secunde după strângerea îmbinării. Atunci când îmbinarea este supusă ulterior unor sarcini dinamice aplicate, forța de strângere poate scădea și mai mult din cauza modificărilor de presiune care apar pe suprafața de contact a îmbinării.
În cazul în care efortul de suprafață este menținut sub limita de curgere la compresiune a materialului component conectat, cantitatea de pierdere de încastre poate fi calculată și compensată în proiectarea conexiunii.
Teoria Junker a auto--slăbirii elementelor de fixare
În 1969, Gerhard Junker a folosit rezultatele testelor de inginerie pentru a-și susține teoria despre motivul pentru care elementele de fixare cu filet se slăbesc automat. Constatarea sa cheie a fost că, odată ce apare o mișcare relativă între firele de împerechere și între suprafața de sprijin a elementului de fixare și materialul de prindere, elementul de fixare preîncărcat se va slăbi din cauza rotației.
S-a constatat, de asemenea, că sarcinile dinamice transversale cauzează slăbiri mai severe decât sarcinile dinamice axiale. Motivul este că mișcarea radială sub sarcini axiale este semnificativ mai mică decât cea sub sarcini transversale.
Mișcarea transversală a conexiunilor cu șuruburi
Junker a arătat că un element de fixare preîncărcat se va slăbi automat- atunci când are loc o mișcare relativă între firele de împerechere și suprafața de sprijin a elementului de fixare. Acest lucru se întâmplă atunci când forța transversală care acționează asupra îmbinării este mai mare decât forța de frecare generată de preîncărcarea șurubului.
Pentru deplasări transversale mici, poate apărea o mișcare relativă între flancurile filetului și suprafețele de contact ale lagărelor. Odată ce jocul filetului este depășit, șurubul va fi supus forțelor de îndoire, iar dacă alunecarea transversală persistă, va avea loc alunecarea pe suprafața de sprijin de sub capul șurubului.
Odată pornit, temporar nu va exista frecare la filete și sub capul șurubului. Cuplul de autoslăbire generat de preîncărcarea care acționează asupra unghiului spiralei filetului determină rotația corespunzătoare între piuliță și șurub. În cazul mișcărilor transversale repetate, acest mecanism poate provoca slăbirea completă a dispozitivului de fixare.
Pentru a studia cauzele slăbirii, Junker a dezvoltat o mașină de testare, așa cum se arată în figura de mai jos, care cuantifică eficiența anti-slăbire a modelelor de elemente de fixare.
Mașină de testare a elementelor de fixare Junker
Rulmenții cu bile sunt utilizați pentru a elimina efectul de frecare dintre plăcile mobile și cele fixe. Când se aplică mișcarea transversală de la placa mobilă care prinde piulița, celula de sarcină monitorizează continuu sarcina șurubului.
În comparație cu standardele obișnuite de testare a vibrațiilor, pierderea de preîncărcare poate fi măsurată în timpul testului și poate fi reprezentat un grafic al preîncărcării în funcție de numărul ciclului.
Principiul mașinii Junker este că deplasarea transversală generată de came face ca elementul de fixare să oscileze, depășind forța de frecare a elementului de fixare pentru a produce slăbire.
Captură de ecran a mașinii de testare Junker
Curba de slăbire a testului de vibrații Junker
Prin testarea Junker, pot fi comparate performanța diferitelor modele de elemente de fixare anti-slăbire. În ultimele două decenii, un număr mare de studii privind modelele existente anti-slăbire a elementelor de fixare au fost finalizate pentru a compara proprietățile lor anti-slăbire.
Pentru o comparație eficientă, este esențial să folosiți aceeași amplitudine de vibrație, deoarece aceasta are un impact semnificativ asupra rezultatelor. Figura de mai jos arată un rezultat tipic de testare al unei șaibe elastice.
Testul a arătat că plasarea unei șaibe elastice elicoidale sub capul șurubului a accelerat de fapt slăbirea. Alții au demonstrat, de asemenea, că utilizarea unor astfel de șaibe are performanțe similare cu utilizarea șuruburilor fără dispozitive de blocare.
Mulți producători OEM mari, conștienți de aceste constatări, nu mai specifică astfel de șaibe în standardele lor interne.
Multe dispozitive de blocare utilizate pentru elementele de fixare filetate se bazează pe prevenirea mișcării relative între fire (de exemplu, piulițe de blocare din nailon) sau a mișcării relative între suprafața lagărului și componentele conectate (de exemplu, diferite tipuri de șaibe „de blocare”).
Cu toate acestea, atât Junker, cât și alți cercetători ulterioare au subliniat importanța prevenirii mișcării transversale a îmbinării: un design adecvat de conectare cu șuruburi asigură că forța de strângere a șurubului este suficientă pentru a preveni mișcarea transversală prin frecarea plăcilor de legătură, evitând astfel slăbirea.
În timpul fazei de proiectare, acest lucru poate fi realizat prin selectarea dimensiunii și rezistenței corespunzătoare a elementului de fixare, astfel încât preîncărcarea să poată genera suficientă frecare pentru a rezista mișcării îmbinării cauzate de sarcinile externe.
Concluzia lui Jun
Cauza fundamentală a slăbirii elementelor de fixare filetate este mișcarea articulației, în special alunecarea transversală afilete pentru șuruburiși suprafețe de rulment. Dacă se poate obține suficientă preîncărcare de la șurub pentru a preveni mișcarea articulației, nu este necesar niciun dispozitiv de blocare, deoarece frecarea va ține piesele împreună.
Principala problemă în proiectarea elementelor de fixare filetate este asigurarea faptului că preîncărcarea este suficientă pentru a ține ferm piesele împreună atunci când sunt incluse modificări ale condițiilor de frecare.
Acest grafic arată efectul modificărilor frecării asupra preîncărcării șuruburilor.
Cheia pentru prevenirea slăbirii este asigurarea unei preîncărcări suficiente a șuruburilor
În general, îmbinările trebuie proiectate pe baza preîncărcării minime generate la coeficientul maxim de frecare; proiectarea folosind valoarea medie de preîncărcare va duce la slăbirea multorașuruburi.
În același timp, este necesar să se ia în considerare și pierderea de preîncărcare cauzată de încorporare. Pentru a limita cantitatea de înglobare, este necesar să se asigure intervalul maxim de tensiuni pe care materialul prins îl poate rezista.
În cazurile în care mișcarea articulațiilor nu poate fi împiedicată, de exemplu, în prezența dilatației termice, trebuie specificat un dispozitiv de blocare cu capacitate dovedită.
