Bijna alle technische producten van verschillende complexiteit maken gebruik van schroefdraadbevestigingsmiddelen. Vergeleken met de meeste andere verbindingsmethoden is een belangrijk voordeel van bevestigingsmiddelen met schroefdraad dat ze kunnen worden gedemonteerd en hergebruikt.
Dit kenmerk is meestal de reden waarom bevestigingsmiddelen met schroefdraad de voorkeur hebben boven andere verbindingsmethoden, en ze spelen vaak een cruciale rol bij het handhaven van de structurele integriteit van producten.
Ze zijn echter ook een belangrijke bron van problemen bij machines en andere componenten. De oorzaak van deze problemen ligt in het mechanisme dat ze zelf-losmaken. Dit zichzelf-mechanisme is al lange tijd een probleem, en de afgelopen 150 jaar hebben ontwerpers methoden ontwikkeld om dit verschijnsel te voorkomen.
Veel gangbare typen borgmethoden voor bevestigingsmiddelen met schroefdraad zijn meer dan honderd jaar geleden uitgevonden, maar toch zijn de belangrijkste mechanismen die leiden tot zelflossen- pas de laatste jaren begrepen. Er zijn veel mechanismen die ervoor kunnen zorgen dat bevestigingsmiddelen met schroefdraad losraken. Deze kunnen worden onderverdeeld in roterend losmaken en niet-roterend losmaken.
Roterend en niet-{0}}roterend losmaken
Bij de overgrote meerderheid van de toepassingen worden bevestigingsmiddelen met schroefdraad vastgedraaid en wordt er voorspanning op de verbinding uitgeoefend. Losmaken kan worden opgevat als het daaropvolgende verlies van voorspanning nadat het vastdraaiproces is voltooid. Dit kan op twee manieren gebeuren:
Roterend losmaken, gewoonlijk zelf-losmaken genoemd, verwijst naar het draaien van de bevestiger onder invloed van externe belastingen.
Niet--rotatieloslating verwijst naar het verlies van voorspanning zonder relatieve beweging tussen de interne en externe schroefdraden.
Losraken van bevestigingsmiddel veroorzaakt door niet--roterend loskomen
Niet--roterend losraken kan optreden als gevolg van vervorming van de bevestiger zelf of de aangesloten componenten na montage. Dit is het gevolg van de gedeeltelijke plastic ineenstorting van deze grensvlakken.
Vergrote weergave van contact met ruw oppervlak
Wanneer twee oppervlakken met elkaar in contact zijn, draagt elk oppervlak de belasting van het draagvlak. Omdat het werkelijke contactoppervlak veel kleiner is dan het oppervlak, worden er zelfs bij gematigde belastingen voortdurend zeer hoge plaatselijke spanningen gedragen, die de vloeigrens van het materiaal overschrijden.
Dit kan leiden tot gedeeltelijke instorting van het oppervlak nadat het vastzetten is voltooid; deze ineenstorting wordt gewoonlijk verankering genoemd.
De hoeveelheid klemkracht die verloren gaat door inbedding hangt af van de stijfheid van de bout en de daarmee verbonden componenten, het aantal aanwezige contactvlakken in de verbinding, de oppervlakteruwheid en de uitgeoefende spanning op het lageroppervlak.
Onder gematigde oppervlaktespanningsomstandigheden veroorzaakt verankering gewoonlijk een klemkrachtverlies van ongeveer 1% tot 5% binnen de eerste paar seconden nadat de verbinding is vastgedraaid. Wanneer de verbinding vervolgens wordt onderworpen aan dynamische belastingen, kan de klemkracht verder afnemen als gevolg van drukveranderingen die optreden op het verbindingscontactoppervlak.
Als de draagspanning van het oppervlak onder de drukvloeisterkte van het verbonden componentmateriaal wordt gehouden, kan de hoeveelheid inbeddingsverlies worden berekend en gecompenseerd in het verbindingsontwerp.
Junker's theorie van het zelf losmaken van bevestigingsmiddelen-
In 1969 gebruikte Gerhard Junker de resultaten van technische tests om zijn theorie te ondersteunen over waarom bevestigingsmiddelen met schroefdraad automatisch loskomen. Zijn belangrijkste bevinding was dat zodra er relatieve beweging optreedt tussen de in elkaar passende schroefdraden en tussen het draagoppervlak van de bevestiger en het klemmateriaal, de voorgespannen bevestiger losraakt als gevolg van rotatie.
Er werd ook gevonden dat transversale dynamische belastingen een ernstiger loskomen veroorzaken dan axiale dynamische belastingen. De reden is dat de radiale beweging onder axiale belastingen aanzienlijk kleiner is dan die onder dwarsbelastingen.
Dwarse beweging van boutverbindingen
Junker heeft aangetoond dat een voorgespannen bevestigingsmiddel vanzelf-loskomt als er relatieve beweging plaatsvindt tussen de bijpassende schroefdraden en het draagoppervlak van het bevestigingsmiddel. Dit gebeurt wanneer de dwarskracht die op de verbinding inwerkt groter is dan de wrijvingskracht die wordt gegenereerd door de voorspanning van de bout.
Bij kleine dwarsverplaatsingen kan er relatieve beweging optreden tussen de schroefdraadflanken en de lagercontactvlakken. Zodra de schroefdraadspeling is overwonnen, zal de bout worden onderworpen aan buigkrachten, en als het transversale glijden aanhoudt, zal glijden op het lageroppervlak onder de boutkop plaatsvinden.
Eenmaal gestart, zal er tijdelijk geen wrijving zijn op de schroefdraad en onder de boutkop. Het zelflossende koppel dat wordt gegenereerd door de voorspanning die op de hoek van de schroefdraadhelix inwerkt, veroorzaakt overeenkomstige rotatie tussen de moer en de bout. Bij herhaalde dwarsbewegingen kan dit mechanisme ervoor zorgen dat de sluiting volledig losraakt.
Om de oorzaken van het losraken te bestuderen heeft Junker een testmachine ontwikkeld, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, die de anti-effectiviteit van bevestigingsontwerpen kwantificeert.
Junker bevestigingstestmachine
Kogellagers worden gebruikt om het wrijvingseffect tussen de bewegende en vaste platen te elimineren. Wanneer er dwarsbeweging wordt toegepast vanaf de bewegende plaat die de moer vastklemt, bewaakt de krachtcel continu de boutbelasting.
Vergeleken met gewone trillingstestnormen kan het verlies aan voorbelasting tijdens de test worden gemeten en kan een grafiek van de voorbelasting versus het cyclusnummer worden uitgezet.
Het principe van de Junker-machine is dat de door de nok gegenereerde dwarsverplaatsing ervoor zorgt dat het bevestigingsmiddel gaat oscilleren, waardoor de wrijvingskracht van het bevestigingsmiddel wordt overwonnen en loskomen ontstaat.
Schermafbeelding van Junker-testmachine
Junker-vibratietest losmaakcurve
Via Junker-tests kunnen de prestaties van verschillende ontwerpen tegen het losraken van bevestigingsmiddelen- worden vergeleken. In de afgelopen twintig jaar is een groot aantal onderzoeken naar bestaande anti-loslatingsontwerpen van bevestigingsmiddelen voltooid om hun anti-loslatingseigenschappen- te vergelijken.
Voor een effectieve vergelijking is het cruciaal om dezelfde trillingsamplitude te gebruiken, omdat dit een aanzienlijke impact heeft op de resultaten. De onderstaande figuur toont een typisch testresultaat van een veerring.
Uit de test bleek dat het plaatsen van een spiraalveerring onder de boutkop het loskomen juist versnelde. Anderen hebben ook bewezen dat het gebruik van dergelijke ringen vergelijkbare prestaties levert als het gebruik van bouten zonder enige vergrendeling.
Veel grote OEM's, die zich bewust zijn van deze bevindingen, specificeren dergelijke ringen niet langer in hun interne normen.
Veel borgmiddelen die worden gebruikt voor bevestigingsmiddelen met schroefdraad zijn gebaseerd op het voorkomen van relatieve beweging tussen de schroefdraden (bijvoorbeeld nylon borgmoeren) of relatieve beweging tussen het lageroppervlak en de aangesloten componenten (bijvoorbeeld verschillende soorten "borgringen").
Zowel Junker als andere latere onderzoekers hebben echter gewezen op het belang van het voorkomen van dwarsbeweging van de verbinding: een geschikt ontwerp van de boutverbinding zorgt ervoor dat de klemkracht van de bout voldoende is om dwarsbeweging door de wrijving van de verbindingsplaten te voorkomen, waardoor losraken wordt voorkomen.
Tijdens de ontwerpfase kan dit worden bereikt door de juiste maat en sterkte van het bevestigingsmiddel te selecteren, zodat de voorbelasting voldoende wrijving kan genereren om weerstand te bieden aan gewrichtsbeweging veroorzaakt door externe belastingen.
Schroef de conclusie van Jun vast
De fundamentele oorzaak van het losraken van schroefdraadbevestigingen is beweging van de gewrichten, vooral het dwars verschuiven van de scharnierenbout schroefdraaden draagvlakken. Als er voldoende voorspanning uit de bout kan worden gehaald om beweging van het gewricht te voorkomen, is er geen vergrendeling nodig, omdat wrijving de onderdelen bij elkaar houdt.
Het grootste probleem bij het ontwerpen van bevestigingsmiddelen met schroefdraad is ervoor te zorgen dat de voorspanning voldoende is om de onderdelen stevig bij elkaar te houden als er veranderingen in de wrijvingsomstandigheden optreden.
Deze grafiek toont het effect van wrijvingsveranderingen op de boutvoorspanning.
De sleutel tot het voorkomen van losraken is het zorgen voor voldoende boutvoorspanning
Over het algemeen moeten verbindingen worden ontworpen op basis van de minimale voorbelasting die wordt gegenereerd bij de maximale wrijvingscoëfficiënt; ontwerpen met behulp van de gemiddelde voorspanningswaarde zal leiden tot het loskomen van velenbouten.
Tegelijkertijd is het ook noodzakelijk om rekening te houden met het voorbelastingsverlies veroorzaakt door inbedding. Om de hoeveelheid inbedding te beperken, is het noodzakelijk om het maximale spanningsbereik te garanderen dat het ingeklemde materiaal kan weerstaan.
In gevallen waarin gewrichtsbeweging niet kan worden voorkomen, bijvoorbeeld in geval van thermische uitzetting, moet een vergrendelingsapparaat met bewezen capaciteit worden gespecificeerd.
