Keermestatud kinnitusdetailide lõdvendamise mehhanism

Peaaegu kõik erineva keerukusega inseneritooted kasutavad keermestatud kinnitusvahendid. Võrreldes enamiku teiste ühendusmeetoditega on keermestatud kinnitusdetailide peamine eelis see, et neid saab lahti võtta ja uuesti kasutada.

See omadus on tavaliselt põhjus, miks keermestatud kinnitusvahendeid eelistatakse muudele ühendusviisidele ja sageli on neil oluline roll toodete konstruktsiooni terviklikkuse säilitamisel.

Kuid need on ka masinate ja muude komponentide probleemide allikaks. Nende probleemide põhjus peitub nende isevabanemise mehhanismis. See isevabanemismehhanism on olnud probleemiks pikka aega ja viimase 150 aasta jooksul on disainerid välja töötanud meetodeid selle esinemise vältimiseks.

Paljud keermestatud kinnitusdetailide tavalised lukustusmeetodid leiutati rohkem kui 100 aastat tagasi, kuid alles viimastel aastatel on aru saadud peamistest mehhanismidest, mis viivad ise lahti. Keermestatud kinnitusdetailide lõdvenemist võib põhjustada palju mehhanisme, mille võib jagada pöörlevaks lõdvenemiseks ja mittepöörlemiseks.

Pöörlemis- ja mittepöörlemine

Enamikus rakendustes pingutatakse keermestatud kinnitusvahendeid ja ühendusele rakendatakse eelkoormust. Lõdvendamist võib mõista järgneva eelkoormuse kadumisena pärast pingutamisprotsessi lõppu. See võib ilmneda kahel viisil:

Pöörlev lõdvendamine, mida tavaliselt nimetatakse iselõdvestamiseks, viitab kinnitusdetaili pöörlemisele väliskoormuse mõjul.

Mittepöörlev lõdvenemine viitab eelkoormuse kadumisele ilma sise- ja väliskeerme vahelise suhtelise liikumiseta.

Mittepöörlevast lõdvenemisest põhjustatud kinnitusdetailide lõdvenemine

Pöörlemata lõdvenemine võib tekkida kinnitusdetaili enda või ühendatud komponentide deformeerumise tõttu pärast kokkupanekut. See on nende liideste osalise plastilise kokkuvarisemise tulemus.

Suurendatud vaade töötlemata pinna kontaktile

Kui kaks pinda puutuvad kokku, kannab kumbki pind kandepinna koormust. Kuna tegelik kontaktpind on pinnast palju väiksem, siis ka mõõduka koormuse korral tekivad pidevalt väga suured lokaalsed pinged, mis ületavad materjali voolavuspiiri.

See võib põhjustada pinna osalise kokkuvarisemise pärast pingutamise lõpetamist; seda kokkuvarisemist nimetatakse tavaliselt kinnistamiseks.

Kinnitamise tõttu kaotatud kinnitusjõu suurus sõltub poldi ja ühendatud komponentide jäikusest, ühenduses olevate kontaktpindade arvust, pinna karedusest ja rakendatavast laagripinna pingest.

Mõõduka pinnapinge tingimustes põhjustab kinnitus tavaliselt umbes 1% kuni 5% kinnitusjõu kaotuse esimeste sekundite jooksul pärast vuugi pingutamist. Kui liigendile rakendatakse järgnevalt rakendatud dünaamilisi koormusi, võib kinnitusjõud liitepinnal toimuvate rõhumuutuste tõttu veelgi väheneda.

Kui pinnakandepinget hoitakse allpool ühendatud komponendi materjali survevoolutugevust, saab kinnituskao suuruse arvutada ja kompenseerida ühendusprojektis.

Junkeri kinnitusdetailide iselõdvenemise teooria

1969. aastal kasutas Gerhard Junker insenerikatsete tulemusi, et toetada oma teooriat selle kohta, miks keermestatud kinnitusdetailid lõdvenevad automaatselt. Tema peamine järeldus oli, et kui suhteline liikumine toimub vastaskeermete vahel ning kinnitusdetaili kandepinna ja kinnitusmaterjali vahel, siis eelkoormatud kinnitusvahend lahti pöörlemise tõttu.

Samuti leiti, et põikisuunalised dünaamilised koormused põhjustavad tugevamat lõdvenemist kui aksiaalsed dünaamilised koormused. Põhjus on selles, et telgkoormuste radiaalne liikumine on oluliselt väiksem kui põikkoormustel.

Poltühenduste ristsuunaline liikumine

Junker näitas, et eelkoormatud kinnitusvahend lõdveneb ise, kui vastaskeerme ja kinnitusdetaili kandepinna vahel toimub suhteline liikumine. See juhtub siis, kui liigendile mõjuv põikjõud on suurem kui poldi eelkoormuse poolt tekitatud hõõrdejõud.

Väikeste põiknihete korral võib keermekülgede ja laagrite kontaktpindade vahel tekkida suhteline liikumine. Kui keerme kliirens on ületatud, mõjub polt paindejõududele ja kui põikilibisemine jätkub, toimub libisemine poldipea all oleva laagripinna juures.

Pärast käivitamist ei esine ajutiselt hõõrdumist keermete ja poldipea all. Keerme spiraalinurgale mõjuva eelkoormuse poolt tekkiv isevabanev pöördemoment põhjustab vastava pöörlemise mutri ja poldi vahel. Korduvate põiksuunaliste liigutuste korral võib see mehhanism põhjustada kinnitusdetaili täieliku lõdvenemise.

Lõdvenemise põhjuste uurimiseks töötas Junker välja testimismasina, nagu on näidatud alloleval joonisel, mis kvantifitseerib kinnitusdetailide konstruktsioonide lõdvenemisvastase tõhususe.

Junkeri kinnitusdetailide testimismasin

Kuullaagreid kasutatakse liikuvate ja fikseeritud plaatide vahelise hõõrdeefekti kõrvaldamiseks. Kui mutrit kinnitava liikuva plaadi poolt rakendatakse põiksuunalist liikumist, jälgib koormusandur pidevalt poldi koormust.

Võrreldes tavaliste vibratsioonikatsestandarditega saab katse ajal mõõta eelkoormuse kadu ja koostada graafiku eelkoormuse ja tsükli numbri vahel.

Junker masina põhimõte seisneb selles, et nuki tekitatud põikisuunaline nihe põhjustab kinnitusdetaili võnkumist, ületades kinnitusvahendi hõõrdejõu, põhjustades lõdvenemist.

Junkeri testimismasina ekraanipilt

Junker vibratsioonitesti lõdvenemiskõver

Junkeri testimise kaudu saab võrrelda erinevate kinnitusdetailide lõdvenemisvastaseid konstruktsioone. Viimase kahe aastakümne jooksul on olemasolevate kinnitusdetailide lõdvenemisvastaste konstruktsioonide kohta läbi viidud suur hulk uuringuid, et võrrelda nende lõdvenemisvastaseid omadusi.

Tõhusaks võrdluseks on ülioluline kasutada sama vibratsiooni amplituudi, kuna see mõjutab tulemusi oluliselt. Alloleval joonisel on kujutatud vedruseibi tüüpiline katsetulemus.

Katse näitas, et spiraalse vedruseibi asetamine poldipea alla kiirendas tegelikult lõdvenemist. Teised on samuti tõestanud, et selliste seibide kasutamine on samasugune kui ilma lukustusseadmeteta poltide kasutamine.

Paljud suured originaalseadmete tootjad, kes on neist leidudest teadlikud, ei määra enam oma sisestandardites selliseid seibe.

Paljud keermestatud kinnitusdetailide jaoks kasutatavad lukustusseadmed põhinevad keermete vahelise suhtelise liikumise (nt nailonist lukustusmutrid) või laagripinna ja ühendatud komponentide (nt erinevat tüüpi lukustusseibid) vahelise suhtelise liikumise takistamisel.

Nii Junker kui ka teised hilisemad uurijad on aga juhtinud tähelepanu vuugi põikisuunalise liikumise vältimise olulisusele: sobiv poltühenduse konstruktsioon tagab, et poldi kinnitusjõud on piisav, et vältida põiksuunalist liikumist läbi ühendusplaatide hõõrdumise, vältides seeläbi lõdvenemist.

Projekteerimisetapis saab seda saavutada, valides sobiva kinnituse suuruse ja tugevuse, nii et eelkoormus suudab tekitada piisava hõõrdumise, et takistada välistest koormustest põhjustatud liigeste liikumist.

Kruvi Juni järeldus

Keermestatud kinnitusdetailide lõdvenemise põhipõhjus on liigeste liikumine, eriti ristlibiseminepoltide keermedja kandepinnad. Kui poldilt on võimalik saada piisav eelkoormus, et vältida liigendi liikumist, pole lukustusseadet vaja, sest hõõrdumine hoiab osi koos.

Peamine probleem keermestatud kinnitusdetailide konstruktsioonis on tagada, et eelkoormus on piisav, et hoida osi kindlalt koos, kui arvesse võetakse muutusi hõõrdetingimustes.

See graafik näitab hõõrdumise muutuste mõju poldi eelkoormusele.

Lõdvenemise vältimise võti on tagada poltide piisav eelkoormus

Üldiselt tuleks liigendid projekteerida maksimaalse hõõrdeteguri juures tekkiva minimaalse eelkoormuse alusel; projekteerimine, kasutades keskmist eelkoormusväärtust, toob kaasa paljude lõdvenemise poldid.

Samal ajal on vaja arvestada ka kinnistusest põhjustatud eelkoormuse kadu. Kinnituskoguse piiramiseks on vaja tagada maksimaalne pingevahemik, mida klambriga materjal talub.

Juhtudel, kui liigese liikumist ei ole võimalik takistada, näiteks soojuspaisumise korral, tuleks täpsustada tõestatud võimekusega lukustusseade.