Nästan alla tekniska produkter av varierande komplexitet använder gängadefästelement. Jämfört med de flesta andra anslutningsmetoder är en viktig fördel med gängade fästelement att de kan tas isär och återanvändas.
Denna egenskap är vanligtvis anledningen till att gängade fästelement föredras framför andra anslutningsmetoder, och de spelar ofta en avgörande roll för att upprätthålla produkternas strukturella integritet.
Men de är också en betydande källa till problem i maskiner och andra komponenter. Orsaken till dessa problem ligger i deras själv-lossningsmekanism. Denna själv-lösgörande mekanism har länge varit ett problem, och under de senaste 150 åren har designers utvecklat metoder för att förhindra detta.
Många vanliga typer av låsningsmetoder för gängade fästelement uppfanns för mer än 100 år sedan, men det är först på senare år som huvudmekanismerna som leder till självlossning har förståtts. Det finns många mekanismer som kan få gängade fästelement att lossna, vilket kan delas in i rotationslossning och icke-rotationslossning.
Roterande och icke-roterande lossning
I de allra flesta applikationer dras gängade fästelement åt och förspänning appliceras på anslutningen. Lossning kan förstås som den efterföljande förlusten av förspänning efter att åtdragningsprocessen är avslutad. Detta kan ske på två sätt:
Rotationslossning, vanligen kallad själv-lossning, hänvisar till fästelementets rotation under inverkan av yttre belastningar.
Icke-rotationslossning hänvisar till förlust av förspänning utan relativ rörelse mellan de inre och yttre gängorna.
Lossande av fästelement orsakat av icke-roterande lossning
Icke-rotationslossning kan uppstå på grund av deformation av själva fästelementet eller de anslutna komponenterna efter montering. Detta är resultatet av en partiell plastisk kollaps av dessa gränssnitt.
Förstorad vy av grov ytkontakt
När två ytor är i kontakt med varandra, bär varje yta den bärande ytbelastningen. Eftersom den faktiska kontaktytan är mycket mindre än ytan, även under måttliga belastningar, uppstår kontinuerligt mycket höga lokala spänningar som överstiger materialets sträckgräns.
Detta kan leda till partiell kollaps av ytan efter att åtdragningsoperationen är avslutad; denna kollaps brukar kallas inbäddning.
Mängden spännkraft som går förlorad på grund av inbäddning beror på bultens och de anslutna komponenternas styvhet, antalet kontaktytor som finns i anslutningen, ytjämnhet och den applicerade lagerytspänningen.
Under måttliga ytspänningsförhållanden orsakar inbäddning vanligtvis en klämkraftsförlust på cirka 1 % till 5 % inom de första sekunderna efter att fogen har dragits åt. När fogen därefter utsätts för pålagda dynamiska belastningar kan klämkraften minska ytterligare på grund av tryckförändringar som uppstår på fogens kontaktyta.
Om ytlagerspänningen hålls under det anslutna komponentmaterialets trycksträckgräns kan mängden ingjutningsförlust beräknas och kompenseras för i anslutningskonstruktionen.
Junker's Theory of Fastener Self-Loosening
1969 använde Gerhard Junker resultaten av tekniska tester för att stödja sin teori om varför gängade fästelement lossnar automatiskt. Hans viktigaste upptäckt var att när en relativ rörelse inträffar mellan de passande gängorna och mellan fästets bäryta och klämmaterialet, kommer det förspända fästelementet att lossna på grund av rotation.
Man fann också att tvärgående dynamiska belastningar orsakar mer allvarliga lossningar än axiella dynamiska belastningar. Anledningen är att den radiella rörelsen vid axiella belastningar är betydligt mindre än den vid tvärbelastningar.
Tvärgående rörelse av bultförband
Junker visade att ett förspänt fästelement kommer att -lossa av sig själv när relativ rörelse uppstår mellan de matchande gängorna och fästelementets lageryta. Detta händer när den tvärgående kraften som verkar på leden är större än den friktionskraft som genereras av bultens förspänning.
För små tvärgående förskjutningar kan relativ rörelse uppstå mellan gängflankerna och lagerkontaktytorna. När gängspelet väl har övervunnits kommer bulten att utsättas för böjkrafter, och om tvärgående glidning kvarstår kommer glidning vid lagerytan under bulthuvudet att inträffa.
När den väl startat kommer det tillfälligt inte att finnas någon friktion vid gängorna och under bulthuvudet. Det själv-lossande vridmomentet som genereras av förspänningen som verkar på gängskruvens vinkel orsakar motsvarande rotation mellan muttern och bulten. Under upprepade tvärgående rörelser kan denna mekanism orsaka fullständig lossning av fästelementet.
För att studera orsakerna till lossning utvecklade Junker en testmaskin, som visas i figuren nedan, som kvantifierar anti-lossningseffektiviteten hos fästelementskonstruktioner.
Junker Fastener Test Machine
Kullager används för att eliminera friktionseffekten mellan de rörliga och fasta plattorna. När tvärgående rörelse appliceras från den rörliga plattan som klämmer fast muttern, övervakar lastcellen kontinuerligt bultbelastningen.
Jämfört med vanliga vibrationsteststandarder kan förlusten av förspänning mätas under testet, och en graf över förspänning kontra cykelnummer kan ritas.
Principen för Junker-maskinen är att den tvärgående förskjutningen som genereras av kammen får fästelementet att oscillera, vilket övervinner fästelementets friktionskraft för att skapa lossning.
Skärmdump av Junker Testing Machine
Junker Vibration Test Loosening Curve
Genom Junker-testning kan prestandan hos olika fästelements anti-konstruktioner jämföras. Under de senaste två decennierna har ett stort antal studier av befintliga fästelements anti-konstruktioner slutförts för att jämföra deras anti-lossningsegenskaper.
För effektiv jämförelse är det avgörande att använda samma vibrationsamplitud, eftersom detta har en betydande inverkan på resultaten. Bilden nedan visar ett typiskt testresultat av en fjäderbricka.
Testet visade att placeringen av en spiralfjäderbricka under bulthuvudet faktiskt påskyndade lossningen. Andra har också bevisat att användningen av sådana brickor har liknande prestanda som användningen av bultar utan några låsanordningar.
Många stora OEM-tillverkare, medvetna om dessa fynd, specificerar inte längre sådana brickor i sina interna standarder.
Många låsanordningar som används för gängade fästelement är baserade på att förhindra relativ rörelse mellan gängorna (t.ex. nylonlåsmuttrar) eller relativ rörelse mellan lagerytan och de anslutna komponenterna (t.ex. olika typer av "låsande" brickor).
Både Junker och andra efterföljande forskare har dock påpekat vikten av att förhindra tvärgående rörelse av fogen: en lämplig bultförbandskonstruktion säkerställer att bultens klämkraft är tillräcklig för att förhindra tvärgående rörelse genom kopplingsplattornas friktion, och på så sätt undvika att lossa.
Under konstruktionsfasen kan detta uppnås genom att välja lämplig fästelementstorlek och styrka så att förspänningen kan generera tillräcklig friktion för att motstå ledrörelser orsakade av yttre belastningar.
Screw Juns slutsats
Den grundläggande orsaken till att gängade fästelement lossnar är fogrörelser, speciellt tvärgående glidning avbultgängoroch lagerytor. Om tillräcklig förspänning kan erhållas från bulten för att förhindra ledrörelse behövs ingen låsanordning, eftersom friktion kommer att hålla ihop delarna.
Huvudproblemet i design av gängade fästelement är att säkerställa att förspänningen är tillräcklig för att hålla delarna stadigt samman när förändringar i friktionsförhållanden ingår.
Denna graf visar effekten av friktionsförändringar på bultens förspänning.
Nyckeln till att förhindra lossning är att tillhandahålla tillräcklig bultförspänning
Generellt bör lederna utformas baserat på den minsta förspänning som genereras vid den maximala friktionskoefficienten; att designa med det genomsnittliga förspänningsvärdet kommer att leda till att många lossnarbultar.
Samtidigt är det också nödvändigt att beakta förspänningsförlusten som orsakas av inbäddning. För att begränsa mängden inbäddning är det nödvändigt att säkerställa det maximala spänningsomfånget som det fastklämda materialet kan motstå.
I de fall ledrörelser inte kan förhindras, till exempel i närvaro av termisk expansion, bör en låsanordning med bevisad förmåga specificeras.
