Mehanizam za otpuštanje pričvršćivača sa navojem

Gotovo svi inženjerski proizvodi različite složenosti koriste navoj pričvršćivači. U poređenju sa većinom drugih metoda povezivanja, ključna prednost navojnih zatvarača je da se mogu rastaviti i ponovo koristiti.

Ova karakteristika je obično razlog zašto se pričvršćivači s navojem preferiraju u odnosu na druge metode povezivanja i često igraju ključnu ulogu u održavanju strukturalnog integriteta proizvoda.

Međutim, oni su takođe značajan izvor problema u mašinama i drugim komponentama. Uzrok ovih problema leži u njihovom samootpuštajućem mehanizmu. Ovaj mehanizam za samootpuštanje dugo je bio problem, a u proteklih 150 godina dizajneri su razvijali metode za sprečavanje ove pojave.

Mnoge uobičajene metode zaključavanja za pričvršćivače s navojem izmišljene su prije više od 100 godina, ali tek su posljednjih godina shvaćeni glavni mehanizmi koji dovode do samootpuštanja. Postoji mnogo mehanizama koji mogu uzrokovati otpuštanje pričvršćivača s navojem, koji se mogu podijeliti na rotacijsko otpuštanje i nerotaciono otpuštanje.

Rotaciono i nerotaciono otpuštanje

U velikoj većini primjena, pričvršćivači s navojem se zatežu, a na spoj se primjenjuje predopterećenje. Otpuštanje se može shvatiti kao naknadni gubitak prednaprezanja nakon završetka procesa zatezanja. To se može dogoditi na dva načina:

Rotacijsko otpuštanje, koje se obično naziva samootpuštanje, odnosi se na rotaciju zatvarača pod djelovanjem vanjskih opterećenja.

Nerotacijsko popuštanje se odnosi na gubitak predopterećenja bez relativnog pomicanja između unutrašnjeg i vanjskog navoja.

Otpuštanje pričvršćivača uzrokovano nerotacijskim otpuštanjem

Nerotacijsko otpuštanje može nastati zbog deformacije samog zatvarača ili spojenih komponenti nakon montaže. Ovo je rezultat djelomičnog plastičnog kolapsa ovih interfejsa.

Uvećani prikaz kontakta s grubom površinom

Kada su dvije površine u dodiru jedna s drugom, svaka površina nosi opterećenje nosive površine. Budući da je stvarna kontaktna površina mnogo manja od površine, čak i pod umjerenim opterećenjima, kontinuirano se podnose vrlo visoki lokalni naponi, koji premašuju granicu tečenja materijala.

To može dovesti do djelomičnog kolapsa površine nakon završetka operacije zatezanja; ovo urušavanje se obično naziva ugradnjom.

Količina sile stezanja koja se gubi zbog ugradnje ovisi o krutosti vijka i spojenih komponenti, broju kontaktnih površina prisutnih u spoju, hrapavosti površine i primijenjenom naprezanju nosive površine.

U uvjetima umjerenog površinskog naprezanja, ugradnja obično uzrokuje gubitak sile stezanja od približno 1% do 5% u prvih nekoliko sekundi nakon što je spoj zategnut. Kada se spoj naknadno podvrgne primijenjenim dinamičkim opterećenjima, sila stezanja može se dodatno smanjiti zbog promjena pritiska na dodirnoj površini spoja.

Ako se naprezanje površinskog ležaja održava ispod granice popuštanja pri pritisku materijala spojenih komponenti, količina gubitka pri ugradnji može se izračunati i kompenzirati u projektu spoja.

Junkerova teorija samootpuštanja zatvarača

Godine 1969. Gerhard Junker je koristio rezultate inženjerskih testova da podrži svoju teoriju o tome zašto se navojni zatvarači automatski olabave. Njegovo ključno otkriće je da kada dođe do relativnog pomeranja između navoja koji se spajaju i između nosive površine pričvršćivača i steznog materijala, prethodno napregnuti zatvarač će se olabaviti usled rotacije.

Također je utvrđeno da poprečna dinamička opterećenja uzrokuju jače popuštanje od aksijalnih dinamičkih opterećenja. Razlog je taj što je radijalno pomicanje pri aksijalnim opterećenjima znatno manje nego pri poprečnim opterećenjima.

Poprečno kretanje vijčanih spojeva

Junker je pokazao da će se prednapregnuti zatvarač sam olabaviti kada dođe do relativnog pomjeranja između navoja koji se spajaju i površine ležaja zatvarača. To se događa kada je poprečna sila koja djeluje na spoj veća od sile trenja koju stvara prednaprezanje vijka.

Za male poprečne pomake može doći do relativnog pomicanja između bokova navoja i kontaktnih površina ležaja. Kada se zazor navoja prevaziđe, vijak će biti podvrgnut silama savijanja, a ako poprečno klizanje nastavi, doći će do klizanja na površini ležaja ispod glave vijka.

Kada se pokrene, privremeno neće biti trenja na navojima i ispod glave vijka. Moment samootpuštanja koji stvara predopterećenje koje djeluje na ugao spirale navoja uzrokuje odgovarajuću rotaciju između matice i vijka. Pri ponovljenim poprečnim pokretima, ovaj mehanizam može uzrokovati potpuno otpuštanje pričvršćivača.

Da bi proučio uzroke otpuštanja, Junker je razvio mašinu za testiranje, kao što je prikazano na donjoj slici, koja kvantifikuje efikasnost dizajna zatvarača protiv otpuštanja.

Junker mašina za testiranje pričvršćivača

Kuglični ležajevi se koriste za uklanjanje efekta trenja između pokretnih i fiksnih ploča. Kada se poprečno pomeranje primeni sa pokretne ploče koja steže maticu, ćelija za opterećenje neprekidno prati opterećenje zavrtnja.

U poređenju sa standardnim standardima za ispitivanje vibracija, gubitak predopterećenja se može izmeriti tokom testa, a graf predopterećenja u odnosu na broj ciklusa može se nacrtati.

Princip Junker mašine je da poprečni pomak koji stvara zupčanik uzrokuje osciliranje učvršćivača, savladavajući silu trenja pričvršćivača da bi se došlo do otpuštanja.

Snimak ekrana Junker Testing Machine

Junkerov test vibracija krivulja otpuštanja

Kroz Junker testiranje, mogu se uporediti performanse različitih dizajna zatvarača protiv otpuštanja. Tijekom protekle dvije decenije, završen je veliki broj studija o postojećim dizajnima protiv otpuštanja zatvarača kako bi se uporedila njihova svojstva protiv otpuštanja.

Za efikasno poređenje, ključno je koristiti istu amplitudu vibracije, jer to ima značajan uticaj na rezultate. Slika ispod prikazuje tipičan rezultat testa opružne podloške.

Test je pokazao da postavljanje spiralne opružne podloške ispod glave vijka zapravo ubrzava otpuštanje. Drugi su također dokazali da upotreba takvih podloški ima slične performanse kao i upotreba vijaka bez ikakvih uređaja za zaključavanje.

Mnogi veliki proizvođači originalne opreme, svjesni ovih otkrića, više ne navode takve podloške u svojim internim standardima.

Mnogi uređaji za zaključavanje koji se koriste za pričvršćivače sa navojem zasnivaju se na sprečavanju relativnog pomeranja između navoja (npr. najlonske matice) ili relativnog pomeranja između površine ležaja i spojenih komponenti (npr. razne vrste "zaključavajućih" podložaka).

Međutim, i Junker i drugi kasniji istraživači su ukazali na važnost sprječavanja poprečnog pomicanja spoja: odgovarajući dizajn spoja vijcima osigurava da je sila stezanja vijka dovoljna da spriječi poprečno pomicanje kroz trenje spojnih ploča, čime se izbjegava popuštanje.

U fazi projektovanja, to se može postići odabirom odgovarajuće veličine i čvrstoće pričvršćivača tako da prednaprezanje može stvoriti dovoljno trenja da se odupre pokretu zgloba uzrokovanom vanjskim opterećenjima.

Zajebi Junov zaključak

Osnovni uzrok otpuštanja navojnog zatvarača je pomicanje zgloba, posebno poprečno klizanjenavoji vijakai nosive površine. Ako se od vijka može postići dovoljno prednaprezanja da spriječi pomicanje zgloba, nije potreban uređaj za zaključavanje, jer će trenje držati dijelove zajedno.

Glavni problem u dizajnu pričvršćivača s navojem je osigurati da je prednapon dovoljan da čvrsto drži dijelove zajedno kada su uključene promjene u uvjetima trenja.

Ovaj grafikon pokazuje učinak promjena trenja na prednaprezanje vijaka.

Ključ za sprečavanje otpuštanja je da obezbedite dovoljno prednaprezanja vijka

Generalno, spojevi treba da se projektuju na osnovu minimalnog predopterećenja koji se stvara pri maksimalnom koeficijentu trenja; projektovanje korišćenjem prosečne vrednosti predopterećenja će dovesti do popuštanja mnogih vijci.

Istovremeno, potrebno je uzeti u obzir i gubitak predopterećenja uzrokovan ugradnjom. Da bi se ograničila količina ugradnje, potrebno je osigurati maksimalni raspon naprezanja koji stegnuti materijal može izdržati.

U slučajevima kada se pomeranje zgloba ne može sprečiti, na primer, u prisustvu termičkog širenja, treba navesti uređaj za zaključavanje sa dokazanom sposobnošću.