Практически во всех машиностроительных изделиях различной сложности используются резьбовые соединения.крепежные детали. По сравнению с большинством других методов соединения ключевым преимуществом резьбовых креплений является то, что их можно разобрать и использовать повторно.
Эта особенность обычно является причиной того, что резьбовые крепления предпочтительнее других способов соединения, и они часто играют решающую роль в сохранении структурной целостности изделий.
Однако они также являются серьезным источником проблем в машинах и других компонентах. Причина этих проблем кроется в механизме их саморазъединения-. Этот само-механизм уже давно является проблемой, и за последние 150 лет проектировщики разрабатывали методы предотвращения этого явления.
Многие распространенные методы фиксации резьбовых соединений были изобретены более 100 лет назад, однако только в последние годы стали понятны основные механизмы, приводящие к само-ослаблению. Существует множество механизмов, которые могут привести к ослаблению резьбовых соединений, которые можно разделить на ротационное и не-ротационное ослабление.
Вращательное и не-вращательное ослабление
В подавляющем большинстве случаев резьбовые соединения затягиваются, и к соединению прилагается предварительная нагрузка. Под ослаблением можно понимать последующую потерю предварительного натяга после завершения процесса затяжки. Это может произойти двумя способами:
Вращательное ослабление, обычно называемое само-ослаблением, означает вращение крепежа под действием внешних нагрузок.
Не-ослабление при вращении означает потерю предварительного натяга без относительного перемещения между внутренней и внешней резьбой.
Ослабление крепежа, вызванное не-ослаблением вращения
Ослабление без-вращения может произойти из-за деформации самого крепежа или соединенных компонентов после сборки. Это результат частичного пластического разрушения этих интерфейсов.
Увеличенное изображение контакта с шероховатой поверхностью
Когда две поверхности соприкасаются друг с другом, каждая поверхность воспринимает нагрузку на опорную поверхность. Поскольку фактическая площадь контакта намного меньше площади поверхности, даже при умеренных нагрузках постоянно возникают очень высокие местные напряжения, которые превышают предел текучести материала.
Это может привести к частичному обрушению поверхности после завершения операции затяжки; этот коллапс обычно называют внедрением.
Величина зажимной силы, теряемой из-за заглубления, зависит от жесткости болта и соединяемых компонентов, количества контактных поверхностей, присутствующих в соединении, шероховатости поверхности и приложенного напряжения на поверхности подшипника.
В условиях умеренного поверхностного напряжения заделка обычно приводит к потере силы зажима примерно от 1% до 5% в течение первых нескольких секунд после затяжки соединения. Когда соединение впоследствии подвергается приложенным динамическим нагрузкам, сила зажима может еще больше уменьшиться из-за изменений давления, возникающих на контактной поверхности соединения.
Если поверхностное несущее напряжение поддерживается ниже предела текучести при сжатии материала соединяемого компонента, величину потерь при заглублении можно рассчитать и компенсировать при проектировании соединения.
Теория Юнкера о самоослаблении застежки-
В 1969 году Герхард Юнкер использовал результаты инженерных испытаний для подтверждения своей теории о том, почему резьбовые соединения автоматически ослабляются. Его ключевой вывод заключался в том, что как только между сопрягаемыми резьбами и между опорной поверхностью крепежного элемента и зажимным материалом происходит относительное движение, предварительно нагруженный крепежный элемент ослабляется из-за вращения.
Также было обнаружено, что поперечные динамические нагрузки вызывают более сильное расшатывание, чем осевые динамические нагрузки. Причина в том, что радиальное перемещение при осевых нагрузках значительно меньше, чем при поперечных нагрузках.
Поперечное перемещение болтовых соединений
Юнкер показал, что крепеж с предварительным натягом-самоослабляется, когда происходит относительное движение между сопрягаемой резьбой и опорной поверхностью крепежа. Это происходит, когда поперечная сила, действующая на соединение, превышает силу трения, создаваемую предварительным натягом болта.
При небольших поперечных смещениях между боковыми сторонами резьбы и контактными поверхностями подшипника может возникнуть относительное перемещение. После преодоления зазора резьбы болт будет подвергаться изгибающим усилиям, и если поперечное скольжение сохраняется, произойдет скольжение опорной поверхности под головкой болта.
После начала трения в резьбе и под головкой болта временно не будет. Момент самоотвинчивания-, создаваемый предварительной нагрузкой, действующей на угол спирали резьбы, вызывает соответствующее вращение между гайкой и болтом. При повторяющихся поперечных движениях этот механизм может привести к полному ослаблению крепления.
Чтобы изучить причины ослабления, Юнкер разработал испытательную машину, как показано на рисунке ниже, которая позволяет количественно оценить эффективность против-разъединения конструкций крепежа.
Машина для испытания крепежных деталей Junker
Шарикоподшипники используются для устранения эффекта трения между подвижными и неподвижными пластинами. Когда подвижная пластина, зажимающая гайку, перемещается в поперечном направлении, тензодатчик постоянно контролирует нагрузку на болт.
По сравнению с обычными стандартами испытаний на вибрацию, потерю предварительной нагрузки можно измерить во время испытания и построить график зависимости предварительной нагрузки от количества циклов.
Принцип работы машины Юнкера заключается в том, что поперечное смещение, создаваемое кулачком, заставляет застежку колебаться, преодолевая силу трения застежки и вызывая ее ослабление.
Скриншот испытательной машины Junker
Кривая ослабления при испытании на вибрацию Junker
Благодаря тестированию Junker можно сравнить эффективность различных конструкций застежек, предотвращающих-расшатывание. За последние два десятилетия было проведено большое количество исследований существующих конструкций застежек, препятствующих-расшатыванию, с целью сравнения их свойств, препятствующих-расшатыванию.
Для эффективного сравнения крайне важно использовать одинаковую амплитуду вибрации, поскольку это оказывает существенное влияние на результаты. На рисунке ниже показан типичный результат испытания пружинной шайбы.
Испытание показало, что размещение винтовой пружинной шайбы под головкой болта фактически ускоряет ослабление. Другие также доказали, что использование таких шайб имеет те же характеристики, что и использование болтов без каких-либо запирающих устройств.
Многие крупные OEM-производители, зная об этих выводах, больше не указывают такие шайбы в своих внутренних стандартах.
Многие стопорные устройства, используемые для резьбовых соединений, основаны на предотвращении относительного перемещения между резьбами (например, нейлоновые контргайки) или относительного перемещения между опорной поверхностью и соединяемыми компонентами (например, различные типы «стопорных» шайб).
Однако и Юнкер, и другие последующие исследователи указывали на важность предотвращения поперечного перемещения соединения: подходящая конструкция болтового соединения гарантирует, что сила зажима болта достаточна для предотвращения поперечного перемещения за счет трения соединительных пластин, что позволяет избежать ослабления.
На этапе проектирования этого можно достичь путем выбора соответствующего размера и прочности крепежа, чтобы предварительная нагрузка могла создавать достаточное трение, чтобы противостоять движению сустава, вызванному внешними нагрузками.
К черту заключение Джуна
Основной причиной ослабления резьбового соединения является движение сустава, особенно поперечное скольжение резьбы.резьба болтаи опорные поверхности. Если от болта можно получить достаточную предварительную нагрузку, чтобы предотвратить перемещение соединения, фиксирующее устройство не требуется, поскольку трение будет удерживать детали вместе.
Основная проблема при проектировании резьбовых соединений заключается в обеспечении достаточного предварительного натяга для прочного удержания деталей вместе при изменении условий трения.
На этом графике показано влияние изменений трения на предварительную нагрузку болта.
Ключом к предотвращению ослабления является обеспечение достаточной предварительной нагрузки болта.
Как правило, соединения следует проектировать с учетом минимальной предварительной нагрузки, создаваемой при максимальном коэффициенте трения; проектирование с использованием среднего значения преднатяга приведет к ослаблению многихболты.
В то же время необходимо также учитывать потери преднатяга, вызванные заделкой. Чтобы ограничить объем заделки, необходимо обеспечить максимальный диапазон напряжений, который может выдержать зажатый материал.
В случаях, когда перемещение соединения невозможно предотвратить, например, при наличии теплового расширения, следует предусмотреть запирающее устройство с проверенной работоспособностью.
