A menetes rögzítőelemek lazítási mechanizmusa

Szinte minden különböző bonyolultságú mérnöki termék menetes megoldást használ kötőelemek. A legtöbb más csatlakozási móddal összehasonlítva a menetes kötőelemek fő előnye, hogy szétszedhetők és újra felhasználhatók.

Általában ez az oka annak, hogy a menetes kötőelemeket előnyben részesítik más csatlakozási módokkal szemben, és gyakran döntő szerepet játszanak a termékek szerkezeti integritásának megőrzésében.

Ugyanakkor jelentős problémaforrást jelentenek a gépekben és más alkatrészekben is. E problémák oka az önlazító mechanizmusukban rejlik. Ez az önlazító mechanizmus régóta probléma, és az elmúlt 150 évben a tervezők módszereket fejlesztettek ki ennek megelőzésére.

A menetes kötőelemek számos elterjedt zárolási módját több mint 100 évvel ezelőtt találták fel, de csak az utóbbi években ismerték meg az önlazuláshoz vezető fő mechanizmusokat. A menetes kötőelemek kilazulását számos mechanizmus okozhatja, amelyek forgásos lazításra és nem forgásos lazításra oszthatók.

Rotációs és nem forgásos lazítás

Az alkalmazások túlnyomó többségében a menetes rögzítőket meghúzzák, és előfeszítést alkalmaznak a csatlakozáson. A lazítás felfogható az előfeszítés későbbi elvesztéseként a meghúzási folyamat befejezése után. Ez kétféleképpen fordulhat elő:

A forgó lazítás, amelyet általában önlazításnak neveznek, a rögzítőelem külső terhelés hatására történő elfordulását jelenti.

A nem forgásos lazítás az előfeszítés elvesztésére utal, anélkül, hogy a belső és külső menetek között relatív elmozdulás történik.

A rögzítőelem meglazulása a nem forgásos kilazulás miatt

Nem forgásos kilazulás történhet magának a rögzítőelemnek vagy a csatlakoztatott alkatrészeknek az összeszerelés utáni deformációja miatt. Ez ezen interfészek részleges képlékeny összeomlásának az eredménye.

A durva felületű érintkező nagyított nézete

Ha két felület érintkezik egymással, mindegyik felület viseli a csapágyfelületi terhelést. Mivel a tényleges érintkezési felület jóval kisebb, mint a felület, még mérsékelt terhelés mellett is folyamatosan nagyon nagy helyi feszültségek jelentkeznek, amelyek meghaladják az anyag folyáshatárát.

Ez a felület részleges összeomlásához vezethet a meghúzási művelet befejezése után; ezt az összeomlást általában beágyazódásnak nevezik.

A beágyazás következtében elveszített szorítóerő nagysága függ a csavar és a csatlakoztatott alkatrészek merevségétől, a csatlakozásban lévő érintkező felületek számától, a felületi érdességtől és az alkalmazott csapágyfelületi feszültségtől.

Mérsékelt felületi igénybevétel esetén a beágyazás általában körülbelül 1-5%-os szorítóerő-veszteséget okoz a kötés meghúzását követő első néhány másodpercben. Ha ezt követően a kötést dinamikus terhelésnek teszik ki, a szorítóerő tovább csökkenhet a kötés érintkezési felületén fellépő nyomásváltozások miatt.

Ha a felületi teherhordó feszültséget a csatlakoztatott alkatrész anyagának nyomószilárdsága alatt tartjuk, a beágyazási veszteség mértéke a csatlakozási tervben kiszámítható és kompenzálható.

Junker elmélete a rögzítőelemek önlazításáról

1969-ben Gerhard Junker mérnöki tesztek eredményeit felhasználva alátámasztotta elméletét arról, hogy miért lazulnak meg automatikusan a menetes kötőelemek. Legfontosabb megállapítása az volt, hogy amint viszonylagos elmozdulás következik be az illeszkedő menetek, valamint a rögzítőelem felfekvési felülete és a szorítóanyag között, az előfeszített rögzítőelem meglazul a forgás következtében.

Azt is megállapították, hogy a keresztirányú dinamikus terhelések erősebb lazulást okoznak, mint az axiális dinamikus terhelések. Ennek az az oka, hogy a sugárirányú mozgás axiális terhelés esetén lényegesen kisebb, mint a keresztirányú terheléseknél.

Csavarozott csatlakozások keresztirányú mozgása

Junker kimutatta, hogy az előfeszített rögzítőelem magától kilazul, ha viszonylagos mozgás következik be az illeszkedő menetek és a rögzítő csapágyfelülete között. Ez akkor fordul elő, ha a csuklóra ható keresztirányú erő nagyobb, mint a csavar előfeszítése által keltett súrlódási erő.

Kis keresztirányú elmozdulások esetén relatív mozgás léphet fel a menetoldalak és a csapágy érintkezési felületei között. A menethézag leküzdése után a csavart hajlító erők érik, és ha a keresztirányú csúszás továbbra is fennáll, akkor a csavarfej alatti csapágyfelületen elcsúszik.

Az indítás után átmenetileg nem lesz súrlódás a meneteknél és a csavarfej alatt. A menetspirálszögre ható előterhelés által generált önlazító nyomaték megfelelő elfordulást okoz az anya és a csavar között. Ismételt keresztirányú mozgások esetén ez a mechanizmus a rögzítő teljes kilazulását okozhatja.

A kilazulás okainak tanulmányozására a Junker kifejlesztett egy tesztelőgépet, amint az az alábbi ábrán látható, amely számszerűsíti a rögzítőelem-konstrukciók kilazulásgátló hatékonyságát.

Junker rögzítőelem-vizsgáló gép

A golyóscsapágyak a mozgó és rögzített lemezek közötti súrlódási hatás kiküszöbölésére szolgálnak. Amikor az anyát rögzítő mozgó lemezről keresztirányú mozgást alkalmaznak, az erőmérő cella folyamatosan figyeli a csavar terhelését.

A szokásos vibrációs vizsgálati szabványokhoz képest a vizsgálat során mérhető az előterhelés vesztesége, és az előterhelés és a ciklusszám grafikonja rajzolható meg.

A Junker gép elve az, hogy a bütyök által generált keresztirányú elmozdulás hatására a rögzítőelem oszcillál, leküzdve a rögzítő súrlódási erejét, és kilazulást okoz.

Képernyőkép a Junker Tesztgépről

Junker vibrációs teszt lazítási görbe

A Junker tesztelésével összehasonlítható a különböző rögzítőelemek kilazulásgátló kialakítása. Az elmúlt két évtizedben számos tanulmány készült a meglévő rögzítőelemek kilazulásgátló konstrukcióiról, hogy összehasonlítsák azok kilazulásgátló tulajdonságait.

A hatékony összehasonlításhoz kulcsfontosságú, hogy azonos rezgésamplitúdót használjunk, mivel ez jelentős hatással van az eredményekre. Az alábbi ábra egy rugós alátét tipikus vizsgálati eredményét mutatja.

A teszt kimutatta, hogy egy csavarrugós alátét elhelyezése a csavarfej alá valóban felgyorsította a kilazulást. Mások azt is bebizonyították, hogy az ilyen alátétek használata hasonló teljesítményű, mint a reteszelőszerkezet nélküli csavarok használata.

Sok nagy OEM, ismerve ezeket a megállapításokat, már nem ír elő ilyen alátéteket belső szabványaiban.

A menetes kötőelemekhez használt sok reteszelőeszköz a menetek közötti relatív elmozdulás (pl. nylon ellenanyák) vagy a csapágyfelület és a csatlakoztatott alkatrészek közötti relatív elmozdulás megakadályozásán alapul (pl. különböző típusú "reteszelő" alátétek).

Mindazonáltal Junker és más későbbi kutatók is felhívták a figyelmet a csatlakozás keresztirányú elmozdulásának megakadályozásának fontosságára: a megfelelő csavaros csatlakozási kialakítás biztosítja, hogy a csavar szorítóereje elegendő legyen ahhoz, hogy megakadályozza a keresztirányú elmozdulást az összekötő lemezek súrlódásán keresztül, így elkerülhető a kilazulás.

A tervezési szakaszban ez a megfelelő rögzítőméret és -szilárdság kiválasztásával érhető el, hogy az előfeszítés elegendő súrlódást tudjon generálni ahhoz, hogy ellenálljon a külső terhelések okozta ízületi mozgásoknak.

Screw Jun következtetése

A menetes kötőelem kilazulásának alapvető oka az ízületek mozgása, különösen a keresztirányú elcsúszásacsavarmenetekés csapágyfelületek. Ha elegendő előterhelés érhető el a csavarral a csukló mozgásának megakadályozására, nincs szükség reteszelőszerkezetre, mivel a súrlódás összetartja az alkatrészeket.

A menetes rögzítőelemek tervezésénél a fő probléma annak biztosítása, hogy az előfeszítés elegendő legyen ahhoz, hogy szilárdan összetartsa az alkatrészeket, amikor a súrlódási feltételek megváltoznak.

Ez a grafikon a súrlódásváltozások hatását mutatja a csavar előfeszítésére.

A kilazulás megelőzésének kulcsa a megfelelő csavar-előfeszítés

Általában az ízületeket a maximális súrlódási együttható mellett generált minimális előterhelés alapján kell megtervezni; az átlagos előterhelési érték felhasználásával történő tervezés sokak lazulásához vezet csavarok.

Ugyanakkor figyelembe kell venni a beágyazás okozta előterhelési veszteséget is. A beágyazás mértékének korlátozása érdekében biztosítani kell azt a maximális feszültségtartományt, amelyet a befogott anyag elvisel.

Azokban az esetekben, amikor az ízületek mozgása nem akadályozható meg, például hőtágulás esetén, bizonyítottan alkalmas reteszelő berendezést kell meghatározni.