Prawie wszystkie produkty inżynieryjne o różnej złożoności wykorzystują gwintyelementy złączne. W porównaniu z większością innych metod łączenia, kluczową zaletą łączników gwintowanych jest to, że można je zdemontować i ponownie wykorzystać.
Ta cecha jest zwykle powodem, dla którego preferuje się łączniki gwintowane w stosunku do innych metod łączenia i często odgrywają one kluczową rolę w utrzymaniu integralności strukturalnej produktów.
Jednakże są one również znaczącym źródłem problemów w maszynach i innych komponentach. Przyczyna tych problemów leży w ich-mechanizmie samoluzowania. Ten mechanizm-samoodkręcania stanowi problem od dawna i przez ostatnie 150 lat projektanci opracowywali metody zapobiegania temu zjawisku.
Wiele powszechnych metod blokowania gwintowanych elementów złącznych wynaleziono ponad 100 lat temu, jednak dopiero w ostatnich latach poznano główne mechanizmy prowadzące do-samoluzowania. Istnieje wiele mechanizmów, które mogą powodować poluzowanie gwintowanych elementów złącznych. Można je podzielić na poluzowanie obrotowe i nieobrotowe.
Luzowanie rotacyjne i nierotacyjne
W zdecydowanej większości zastosowań gwintowane elementy złączne są dokręcane, a na połączenie przykładane jest napięcie wstępne. Poluzowanie można rozumieć jako późniejszą utratę napięcia wstępnego po zakończeniu procesu dokręcania. Może to nastąpić na dwa sposoby:
Luzowanie obrotowe, powszechnie określane jako-samoluzowanie, odnosi się do obrotu elementu złącznego pod wpływem obciążeń zewnętrznych.
Luzowanie nieobrotowe odnosi się do utraty napięcia wstępnego bez względnego ruchu pomiędzy gwintem wewnętrznym i zewnętrznym.
Poluzowanie łącznika spowodowane-poluzowaniem obrotowym
Poluzowanie nieobrotowe może wystąpić w wyniku odkształcenia samego łącznika lub połączonych elementów po montażu. Jest to wynik częściowego zapadnięcia się plastycznego tych styków.
Powiększony widok kontaktu z szorstką powierzchnią
Kiedy dwie powierzchnie stykają się ze sobą, każda powierzchnia przenosi obciążenie powierzchni nośnej. Ponieważ rzeczywista powierzchnia styku jest znacznie mniejsza niż powierzchnia styku, nawet przy umiarkowanych obciążeniach, w sposób ciągły przenoszone są bardzo duże naprężenia lokalne, które przekraczają granicę plastyczności materiału.
Może to prowadzić do częściowego zapadnięcia się powierzchni po zakończeniu operacji dokręcania; to zapadnięcie się jest zwykle określane jako osadzenie.
Wielkość siły zaciskającej utraconej w wyniku osadzania zależy od sztywności śruby i łączonych elementów, liczby powierzchni stykowych występujących w połączeniu, chropowatości powierzchni i przyłożonego naprężenia powierzchni nośnej.
W warunkach umiarkowanych naprężeń powierzchniowych osadzenie zwykle powoduje utratę siły zaciskania o około 1% do 5% w ciągu pierwszych kilku sekund po dokręceniu złącza. Gdy złącze zostanie następnie poddane obciążeniom dynamicznym, siła docisku może ulec dalszemu zmniejszeniu na skutek zmian ciśnienia występujących na powierzchni styku złącza.
Jeżeli naprężenie powierzchniowe utrzymuje się poniżej granicy plastyczności łączonego materiału elementu składowego, wielkość strat w zakotwieniu można obliczyć i skompensować w projekcie połączenia.
Teoria Junkera dotycząca samoluzowania-łącznika
W 1969 roku Gerhard Junker wykorzystał wyniki testów inżynieryjnych do wsparcia swojej teorii wyjaśniającej, dlaczego elementy złączne gwintowane poluzowują się automatycznie. Jego kluczowym odkryciem było to, że gdy nastąpi względny ruch pomiędzy współpracującymi gwintami oraz pomiędzy powierzchnią nośną elementu złącznego a materiałem zaciskającym, naprężony element złączny poluzuje się w wyniku obrotu.
Stwierdzono również, że poprzeczne obciążenia dynamiczne powodują poważniejsze poluzowanie niż osiowe obciążenia dynamiczne. Powodem jest to, że ruch promieniowy pod obciążeniem osiowym jest znacznie mniejszy niż pod obciążeniem poprzecznym.
Ruch poprzeczny połączeń śrubowych
Junker pokazał, że wstępnie naprężony łącznik-samoczynnie się poluzuje, gdy nastąpi względny ruch pomiędzy współpracującymi gwintami a powierzchnią nośną łącznika. Dzieje się tak, gdy siła poprzeczna działająca na złącze jest większa niż siła tarcia wytwarzana przez napięcie wstępne śruby.
W przypadku małych przemieszczeń poprzecznych może wystąpić ruch względny pomiędzy bokami gwintu a powierzchniami styku łożyska. Po pokonaniu luzu gwintu śruba zostanie poddana siłom zginającym, a jeśli będzie się utrzymywać ślizganie poprzeczne, nastąpi ślizganie się po powierzchni nośnej pod łbem śruby.
Po uruchomieniu chwilowo nie będzie tarcia na gwintach i pod łbem śruby. Moment-samoodkręcający generowany przez napięcie wstępne działające na kąt pochylenia gwintu powoduje odpowiedni obrót pomiędzy nakrętką i śrubą. Pod wpływem powtarzających się ruchów poprzecznych mechanizm ten może spowodować całkowite poluzowanie zapięcia.
Aby zbadać przyczyny poluzowania, firma Junker opracowała maszynę testującą, jak pokazano na poniższym rysunku, która określa ilościowo skuteczność zapobiegania poluzowaniu- konstrukcji elementów złącznych.
Maszyna do testowania elementów złącznych Junker
Łożyska kulkowe służą do eliminacji efektu tarcia pomiędzy płytami ruchomymi i nieruchomymi. Kiedy ruchoma płytka zaciskająca nakrętkę powoduje ruch poprzeczny, czujnik tensometryczny w sposób ciągły monitoruje obciążenie śruby.
W porównaniu ze zwykłymi standardami testów wibracyjnych, podczas testu można zmierzyć utratę napięcia wstępnego i wykreślić wykres napięcia wstępnego w funkcji liczby cykli.
Zasada działania maszyny Junkera polega na tym, że przemieszczenie poprzeczne generowane przez krzywkę powoduje oscylację łącznika, pokonując siłę tarcia łącznika, powodując poluzowanie.
Zrzut ekranu maszyny testującej Junkera
Krzywa luzowania w teście wibracyjnym Junkera
Dzięki testom Junkera można porównać skuteczność różnych konstrukcji-zabezpieczających przed poluzowaniem elementów złącznych. W ciągu ostatnich dwudziestu lat przeprowadzono wiele badań nad istniejącymi konstrukcjami zapobiegającymi-poluzowaniu się elementów złącznych, aby porównać ich właściwości zapobiegające-poluzowaniu się.
Dla efektywnego porównania istotne jest zastosowanie tej samej amplitudy drgań, gdyż ma to istotny wpływ na wyniki. Poniższy rysunek przedstawia typowy wynik testu podkładki sprężystej.
Test wykazał, że umieszczenie podkładki sprężystej śrubowej pod łbem śruby faktycznie przyspieszało poluzowanie. Inni również udowodnili, że zastosowanie takich podkładek ma podobną skuteczność, jak zastosowanie śrub bez żadnych zabezpieczeń.
Wielu dużych producentów OEM, świadomych tych ustaleń, nie określa już takich podkładek w swoich wewnętrznych normach.
Wiele urządzeń blokujących stosowanych w elementach złącznych gwintowanych opiera się na zapobieganiu względnemu ruchowi pomiędzy gwintami (np. nylonowe nakrętki zabezpieczające) lub względnemu ruchowi pomiędzy powierzchnią nośną a łączonymi elementami (np. różnego rodzaju podkładki „blokujące”).
Jednakże zarówno Junker, jak i inni późniejsi badacze zwrócili uwagę na znaczenie zapobiegania ruchom poprzecznym złącza: odpowiednia konstrukcja połączenia śrubowego zapewnia, że siła docisku śruby jest wystarczająca, aby zapobiec ruchowi poprzecznemu na skutek tarcia płytek łączących, unikając w ten sposób poluzowania.
Można to osiągnąć na etapie projektowania, wybierając odpowiedni rozmiar i wytrzymałość łącznika, tak aby napięcie wstępne mogło wytworzyć wystarczające tarcie, aby przeciwstawić się ruchowi złącza spowodowanemu obciążeniami zewnętrznymi.
Pieprzyć konkluzję Juna
Podstawową przyczyną poluzowania się połączenia gwintowego są ruchy złącza, zwłaszcza poprzeczne przesuwanie się połączeniagwinty śrubi powierzchnie nośne. Jeśli można uzyskać wystarczające napięcie wstępne śruby, aby zapobiec ruchowi złącza, nie jest potrzebne żadne urządzenie blokujące, ponieważ tarcie utrzyma części razem.
Głównym problemem w projektowaniu gwintowanych elementów złącznych jest zapewnienie, że napięcie wstępne będzie wystarczające do trwałego połączenia części, gdy uwzględni się zmiany warunków tarcia.
Wykres ten pokazuje wpływ zmian tarcia na napięcie wstępne śruby.
Kluczem do zapobiegania poluzowaniu jest zapewnienie wystarczającego napięcia wstępnego śruby
Ogólnie rzecz biorąc, złącza powinny być projektowane w oparciu o minimalne napięcie wstępne generowane przy maksymalnym współczynniku tarcia; projektowanie przy użyciu średniej wartości napięcia wstępnego doprowadzi do poluzowania wielu z nichśruby.
Jednocześnie należy wziąć pod uwagę utratę napięcia wstępnego spowodowaną osadzeniem. Aby ograniczyć ilość osadzania, należy zapewnić maksymalny zakres naprężeń, jakie może wytrzymać mocowany materiał.
W przypadkach, gdy nie można zapobiec ruchowi złącza, na przykład w przypadku rozszerzalności cieplnej, należy zastosować urządzenie blokujące o sprawdzonej skuteczności.
