Механізм ослаблення різьбових кріплень

Практично у всіх машинобудівних виробах різної складності використовується різьблення кріплення. Порівняно з більшістю інших методів з’єднання ключовою перевагою різьбових кріплень є те, що їх можна розібрати та використати повторно.

Ця особливість, як правило, є причиною переваги різьбових кріплень перед іншими методами з’єднання, і вони часто відіграють вирішальну роль у збереженні структурної цілісності виробів.

Однак вони також є значним джерелом проблем у машинах та інших компонентах. Причина цих проблем криється в механізмі їх саморозкручування. Цей механізм саморозкручування вже давно є проблемою, і протягом останніх 150 років дизайнери розробляли методи запобігання цьому явищу.

Багато поширених типів методів фіксації різьбових кріплень було винайдено понад 100 років тому, але лише останніми роками було зрозуміло основні механізми, що призводять до саморозкручування. Існує багато механізмів, які можуть спричинити ослаблення різьбового кріплення, які можна розділити на обертальне ослаблення та необертальне ослаблення.

Ротаційне та неротаційне розпушування

У переважній більшості застосувань різьбові кріплення затягуються, а до з’єднання прикладається попереднє натяг. Ослаблення можна розуміти як подальшу втрату попереднього натягу після завершення процесу затягування. Це може відбуватися двома способами:

Обертальне ослаблення, яке зазвичай називають саморозкручуванням, відноситься до обертання кріплення під дією зовнішніх навантажень.

Неротаційне ослаблення означає втрату попереднього натягу без відносного руху між внутрішньою та зовнішньою різьбою.

Ослаблення застібки, спричинене неротаційним ослабленням

Неротаційне ослаблення може статися через деформацію самого кріплення або з’єднаних компонентів після складання. Це результат часткового пластичного руйнування цих інтерфейсів.

Збільшене зображення контакту з шорсткою поверхнею

Коли дві поверхні контактують одна з одною, кожна поверхня несе навантаження на опорну поверхню. Оскільки фактична площа контакту набагато менша за площу поверхні, навіть за помірних навантажень постійно виникають дуже високі локальні напруги, які перевищують межу текучості матеріалу.

Це може призвести до часткового обвалення поверхні після завершення операції затягування; це згортання зазвичай називають закладенням.

Величина затискної сили, втраченої через вбудовування, залежить від жорсткості болта та з’єднаних компонентів, кількості контактних поверхонь, наявних у з’єднанні, шорсткості поверхні та прикладеної напруги опорної поверхні.

В умовах помірної напруги на поверхні вбудовування зазвичай спричиняє втрату сили затиску приблизно від 1% до 5% протягом перших кількох секунд після затягування з’єднання. Коли з'єднання згодом піддається прикладеним динамічним навантаженням, сила затиску може ще більше зменшуватися через зміни тиску, що виникають на контактній поверхні з'єднання.

Якщо поверхневе опорне напруження залишається нижчим за межу текучості при стиску матеріалу з’єднаних компонентів, величину втрат при закладенні можна розрахувати та компенсувати в конструкції з’єднання.

Теорія самовідкручування кріплення Юнкера

У 1969 році Герхард Юнкер використав результати інженерних випробувань, щоб підтвердити свою теорію про те, чому різьбові кріплення ослабляються автоматично. Його ключовий висновок полягав у тому, що коли відбувається відносний рух між сполученими різьбами та між опорною поверхнею кріпильного елемента та затискним матеріалом, попередньо натягнутий кріпильний елемент послаблюється через обертання.

Було також виявлено, що поперечні динамічні навантаження викликають більш серйозне ослаблення, ніж осьові динамічні навантаження. Причина в тому, що радіальне переміщення при осьових навантаженнях значно менше, ніж при поперечних.

Поперечне переміщення болтових з'єднань

Юнкер показав, що застібка з попереднім натягом сама послаблюється, коли відбувається відносний рух між сполученими різьбами та опорною поверхнею застібки. Це відбувається, коли поперечна сила, що діє на з’єднання, перевищує силу тертя, створювану попереднім натягом болта.

При невеликих поперечних переміщеннях може виникнути відносне переміщення між боками різьби та контактними поверхнями опори. Після того, як зазор різьби буде подолано, болт буде піддаватися згинальним силам, і якщо поперечне ковзання продовжується, відбудеться ковзання на опорній поверхні під головкою болта.

Після запуску тимчасово не буде тертя на різьбі та під головкою болта. Крутний момент саморозкручування, що створюється попереднім натягом, що діє на кут спіралі різьби, викликає відповідне обертання між гайкою та болтом. При повторних поперечних рухах цей механізм може призвести до повного ослаблення застібки.

Щоб вивчити причини ослаблення, Junker розробив випробувальну машину, як показано на малюнку нижче, яка кількісно визначає ефективність запобігання ослабленню конструкцій кріплень.

Машина для випробування кріплень Junker

Для усунення ефекту тертя між рухомими та нерухомими пластинами використовуються кулькові підшипники. Коли рухома пластина, яка затискає гайку, виконує поперечний рух, тензодатчик постійно контролює навантаження на болт.

Порівняно зі звичайними стандартами випробування на вібрацію, втрату попереднього навантаження можна виміряти під час випробування та побудувати графік залежності попереднього навантаження від кількості циклів.

Принцип роботи машини Junker полягає в тому, що поперечне зміщення, створюване кулачком, змушує застібку коливатися, долаючи силу тертя застібки, що призводить до ослаблення.

Скріншот Junker Testing Machine

Випробування на вібрацію Junker Крива ослаблення

За допомогою випробувань Junker можна порівняти ефективність різних конструкцій проти розкручування кріплень. Протягом останніх двох десятиліть було проведено велику кількість досліджень існуючих конструкцій кріпильних елементів, що запобігають ослабленню, щоб порівняти їхні властивості проти розслаблення.

Для ефективного порівняння вкрай важливо використовувати однакову амплітуду вібрації, оскільки це значно впливає на результати. На малюнку нижче показано типові результати тестування пружинної шайби.

Тест показав, що розміщення спіральної пружинної шайби під головкою болта фактично прискорило ослаблення. Інші також довели, що використання таких шайб має такі ж результати, як і використання болтів без будь-яких запірних пристроїв.

Багато великих OEM-виробників, знаючи про ці висновки, більше не вказують такі шайби у своїх внутрішніх стандартах.

Багато фіксуючих пристроїв, що використовуються для різьбових кріплень, засновані на запобіганні відносному переміщенню між різьбами (наприклад, нейлонові контргайки) або відносному переміщенню між опорною поверхнею та з’єднаними компонентами (наприклад, різні типи «фіксуючих» шайб).

Однак і Юнкер, і інші наступні дослідники вказали на важливість запобігання поперечному переміщенню з’єднання: відповідна конструкція болтового з’єднання гарантує, що сила затиску болта є достатньою для запобігання поперечному переміщенню через тертя сполучних пластин, таким чином уникаючи ослаблення.

На етапі проектування цього можна досягти шляхом вибору відповідного розміру та міцності кріплення, щоб попереднє натяг могло створювати достатнє тертя, щоб протистояти руху суглоба, спричиненому зовнішніми навантаженнями.

Висновок Screw Jun

Основною причиною ослаблення різьбового кріплення є рух з’єднання, особливо поперечне ковзаннярізьблення болтіві опорних поверхонь. Якщо можна отримати достатнє попереднє натягнення від болта, щоб запобігти зміщенню з’єднання, блокуючий пристрій не потрібен, оскільки тертя утримує деталі разом.

Основною проблемою конструкції різьбового кріплення є забезпечення достатнього попереднього натягу, щоб міцно утримувати деталі разом із змінами умов тертя.

На цьому графіку показано вплив змін тертя на попереднє натяг болта.

Ключ до запобігання ослабленню полягає в забезпеченні достатнього попереднього натягу болта

Як правило, з’єднання повинні проектуватися на основі мінімального попереднього навантаження, що створюється при максимальному коефіцієнті тертя; проектування з використанням середнього значення попереднього натягу призведе до ослаблення багатьох болти.

У той же час необхідно також враховувати втрати попереднього натягу, спричинені вбудовуванням. Щоб обмежити кількість закладення, необхідно забезпечити максимальний діапазон навантажень, який може витримати затиснутий матеріал.

У випадках, коли рух суглоба неможливо запобігти, наприклад, за наявності теплового розширення, слід вказати блокуючий пристрій із перевіреною здатністю.