Kierrekiinnittimien löysäysmekanismi

Melkein kaikki tekniset tuotteet, joiden monimutkaisuus vaihtelee, käyttävät kierteitettyinä kiinnikkeet. Useimpiin muihin liitäntämenetelmiin verrattuna kierrekiinnittimien tärkein etu on, että ne voidaan purkaa ja käyttää uudelleen.

Tämä ominaisuus on yleensä syy siihen, miksi kierteitettyjä kiinnikkeitä suositaan muihin liitäntämenetelmiin verrattuna, ja niillä on usein ratkaiseva rooli tuotteiden rakenteellisen eheyden ylläpitämisessä.

Ne ovat kuitenkin myös merkittävä ongelmien lähde koneissa ja muissa komponenteissa. Syy näihin ongelmiin on niiden itsestään irtoamismekanismissa. Tämä itsestään löystyvä mekanismi on ollut ongelma pitkään, ja viimeisten 150 vuoden aikana suunnittelijat ovat kehittäneet menetelmiä tämän estämiseksi.

Monet yleisimmät kierrekiinnittimien lukitusmenetelmät keksittiin yli 100 vuotta sitten, mutta vasta viime vuosina on ymmärretty päämekanismit, jotka johtavat itselöystymiseen. On olemassa monia mekanismeja, jotka voivat aiheuttaa kierrekiinnikkeiden löystymistä, jotka voidaan jakaa pyörivään löystymiseen ja ei-kiertymiseen.

Pyörivä ja ei-pyörivä löysäys

Useimmissa sovelluksissa kierrekiinnikkeet kiristetään ja liitokseen kohdistetaan esijännitys. Löystäminen voidaan ymmärtää myöhemmäksi esijännityksen häviämiseksi kiristysprosessin päätyttyä. Tämä voi tapahtua kahdella tavalla:

Pyörivä löystyminen, jota yleisesti kutsutaan itselöystymiseksi, viittaa kiinnittimen pyörimiseen ulkoisten kuormien vaikutuksesta.

Kiertymätön löystyminen tarkoittaa esijännityksen menetystä ilman suhteellista liikettä sisä- ja ulkokierteiden välillä.

Kiinnikkeiden löystyminen, joka johtuu ei-kiertoisesta löystymisestä

Kiertymätön löystyminen voi johtua itse kiinnittimen tai liitettyjen komponenttien muodonmuutoksesta asennuksen jälkeen. Tämä on seurausta näiden rajapintojen osittaisesta muovista romahtamisesta.

Suurennettu näkymä karkean pinnan koskettimesta

Kun kaksi pintaa koskettavat toisiaan, kumpikin pinta kantaa laakerin pintakuorman. Koska todellinen kosketuspinta-ala on paljon pinta-alaa pienempi, kohdistuu myös kohtalaisessa kuormituksessa jatkuvasti erittäin suuria paikallisia jännityksiä, jotka ylittävät materiaalin myötörajan.

Tämä voi johtaa pinnan osittaiseen luhistumiseen kiristyksen päätyttyä; tätä romahtamista kutsutaan yleensä upotukseksi.

Upotuksen seurauksena menetettävä puristusvoiman määrä riippuu pultin ja liitettyjen komponenttien jäykkyydestä, liitoksessa olevien kosketuspintojen määrästä, pinnan karheudesta ja käytetystä laakerin pintajännityksestä.

Kohtalaisen pintajännityksen olosuhteissa upottaminen aiheuttaa yleensä noin 1 % - 5 % puristusvoiman menetyksen ensimmäisten sekuntien aikana liitoksen kiristämisen jälkeen. Kun liitokseen kohdistuu myöhemmin kohdistettuja dynaamisia kuormituksia, puristusvoima voi edelleen pienentyä liitoksen kosketuspinnalla tapahtuvien paineen muutosten vuoksi.

Jos pintalaakerijännitys pidetään liitetyn komponenttimateriaalin myötölujuuden alapuolella, voidaan upotushäviön määrä laskea ja kompensoida liitossuunnittelussa.

Junkerin teoria kiinnittimien itsestään löystymisestä

Vuonna 1969 Gerhard Junker käytti teknisten testien tuloksia tukeakseen teoriaansa siitä, miksi kierrekiinnikkeet löystyvät automaattisesti. Hänen keskeinen havaintonsa oli, että kun suhteellinen liike tapahtuu liitoskierteiden välillä sekä kiinnittimen laakeripinnan ja puristusmateriaalin välillä, esikuormitettu kiinnike löystyy pyörimisen vuoksi.

Todettiin myös, että poikittaiset dynaamiset kuormitukset aiheuttavat voimakkaampaa löystymistä kuin aksiaaliset dynaamiset kuormitukset. Syynä on se, että säteittäinen liike aksiaalisilla kuormituksilla on huomattavasti pienempi kuin poikittaiskuormituksessa.

Pulttiliitosten poikittaisliike

Junker osoitti, että esikuormitettu kiinnike löystyy itsestään, kun liitoskierteiden ja kiinnittimen laakeripinnan välillä tapahtuu suhteellista liikettä. Tämä tapahtuu, kun niveleen vaikuttava poikittaisvoima on suurempi kuin pultin esijännityksen synnyttämä kitkavoima.

Pienillä poikittaissiirroilla voi tapahtua suhteellista liikettä kierteen kylkien ja laakerin kosketuspintojen välillä. Kun kierrevälys on ylitetty, pulttiin kohdistuu taivutusvoimia, ja jos poikittaisliukuminen jatkuu, tapahtuu liukumista pultin kannan alla olevalla laakeripinnalla.

Käynnistyksen jälkeen kierteissä ja pultin kannan alla ei ole tilapäisesti kitkaa. Kierteen kierrekulmaan vaikuttavan esijännityksen synnyttämä itsestään löystyvä vääntömomentti saa aikaan vastaavan pyörimisen mutterin ja pultin välillä. Toistuvissa poikittaisissa liikkeissä tämä mekanismi voi aiheuttaa kiinnittimen täydellisen löystymisen.

Löystymisen syiden tutkimiseksi Junker kehitti alla olevan kuvan mukaisesti testauskoneen, joka kvantifioi kiinnitinmallien löystymisenestotehokkuuden.

Junker kiinnikkeiden testauskone

Kuulalaakereita käytetään poistamaan kitkavaikutus liikkuvien ja kiinteiden levyjen välillä. Kun poikittaista liikettä kohdistetaan liikkuvasta levystä, joka kiinnittää mutterin, punnituskenno tarkkailee jatkuvasti pultin kuormitusta.

Verrattuna tavallisiin tärinätestistandardeihin esikuormituksen häviö voidaan mitata testin aikana ja piirtää esikuormituksen ja syklin numeron kaavio.

Junker-koneen periaate on, että nokan synnyttämä poikittaissiirtymä saa kiinnittimen värähtelemään ja voittamaan kiinnittimen kitkavoiman aiheuttaen löystymistä.

Kuvakaappaus Junker Testing Machinesta

Junker-värähtelytestin löysäyskäyrä

Junker-testauksen avulla voidaan verrata erilaisten kiinnikkeiden löystymistä estäviä malleja. Viimeisten kahden vuosikymmenen aikana on tehty suuri määrä tutkimuksia olemassa olevista kiinnittimien löystymisenestorakenteista niiden löystymisenestoominaisuuksien vertaamiseksi.

Tehokkaan vertailun kannalta on tärkeää käyttää samaa värähtelyamplitudia, sillä se vaikuttaa merkittävästi tuloksiin. Alla olevassa kuvassa on tyypillinen jousialuslevyn testitulos.

Testi osoitti, että kierrejousialuslevyn asettaminen pultin kannan alle itse asiassa kiihdytti löystymistä. Toiset ovat myös osoittaneet, että tällaisten aluslevyjen käytöllä on samanlainen suorituskyky kuin pulttien käytöllä ilman lukituslaitteita.

Monet suuret OEM-valmistajat, jotka ovat tietoisia näistä havainnoista, eivät enää määrittele tällaisia ​​aluslevyjä sisäisissä standardeissaan.

Monet kierteitetyissä kiinnittimissä käytetyt lukituslaitteet perustuvat kierteiden välisen suhteellisen liikkeen (esim. nylon lukkomutterit) tai laakeripinnan ja liitettyjen komponenttien välisen suhteellisen liikkeen estämiseen (esim. erityyppiset "lukitus" aluslevyt).

Sekä Junker että muut myöhemmät tutkijat ovat kuitenkin korostaneet liitoksen poikittaisliikkeen estämisen tärkeyttä: sopiva pulttiliitosrakenne varmistaa, että pultin puristusvoima on riittävä estämään poikittaisen liikkeen liitoslevyjen kitkan läpi, jolloin vältytään löystymiseltä.

Suunnitteluvaiheessa tämä voidaan saavuttaa valitsemalla sopiva kiinnikkeen koko ja lujuus siten, että esijännitys pystyy synnyttämään riittävästi kitkaa kestämään ulkoisten kuormien aiheuttamaa liitoksen liikettä.

Screw Junin johtopäätös

Perussyy kierrekiinnikkeiden löystymiseen on nivelen liike, erityisesti poikittaisliukuminenpultin kierteetja laakeripinnat. Jos pultista saadaan riittävä esijännitys nivelen liikkumisen estämiseksi, ei lukituslaitetta tarvita, koska kitka pitää osat yhdessä.

Suurin ongelma kierrekiinnikkeiden suunnittelussa on varmistaa, että esijännitys riittää pitämään osat tiukasti yhdessä, kun kitkaolosuhteet muuttuvat.

Tämä kaavio näyttää kitkan muutosten vaikutuksen pultin esijännitykseen.

Avain löystymisen estämiseen on varmistaa pultin riittävä esijännitys

Yleisesti ottaen liitokset tulee suunnitella suurimmalla kitkakertoimella syntyvän pienimmän esikuormituksen perusteella; Suunnittelu käyttäen keskimääräistä esijännitysarvoa johtaa monien löystymiseen pultit.

Samalla on myös huomioitava upotuksen aiheuttama esikuormitushäviö. Upottamisen määrän rajoittamiseksi on tarpeen varmistaa suurin jännitysalue, jonka puristettu materiaali kestää.

Tapauksissa, joissa nivelen liikettä ei voida estää, esimerkiksi lämpölaajenemisen yhteydessä, tulee määrittää lukituslaite, jonka kyky on todistettu.