Как снизить риск ослабления резьбового соединения?

Проектирование соединений с учетом минимальной ожидаемой предварительной нагрузки, создаваемой болтом, исключает любой риск ослабления. Однако проектирование на основе средней предварительной нагрузки без применения «коэффициента запаса прочности» может привести к ослаблению многих болтов. Также необходимо учитывать потерю предварительного натяга из-за заделки, которая возникает на границе резьбы и под головкой болта и поверхностью гайки во время стабилизации контактной поверхности.

Понимание резьбовых креплений

Практически в каждом инженерном изделии сложной сложности используются резьбовые крепления. Одним из ключевых преимуществ резьбовых креплений перед большинством других методов соединения является то, что их можно разобрать и использовать повторно. Эта характеристика часто делает резьбовые крепления предпочтительным методом соединения, играющим решающую роль в сохранении целостности конструкции. Однако они также являются основным источником проблем с механическими и другими компонентами. Частично проблема связана с их непреднамеренным саморасшатыванием.

Со времен промышленной революции самораскрепощение стало проблемой. За последние 150 лет изобретатели искали способы предотвратить это. Многие распространенные методы фиксации резьбовых соединений были изобретены более 100 лет назад, но основные механизмы, вызывающие самоотвинчивание, стали понятны лишь недавно. Ослаблению резьбового соединения способствуют несколько механизмов, которые в общих чертах подразделяются на ротационное и невращательное ослабление.

Вращательное и невращательное ослабление

В большинстве случаев резьбовые крепления затягиваются для приложения предварительной нагрузки к соединению. Ослабление определяется как последующая потеря предварительного натяга после завершения процесса затяжки. Это может произойти одним из двух способов: вращательное ослабление, часто называемое самоослаблением, происходит, когда крепеж вращается под внешней нагрузкой. Невращательное ослабление происходит, когда относительного движения между внутренней и наружной резьбой нет, но предварительный натяг все равно потерян.

Ослабление крепежа из-за невращательного ослабления

Деформация самого крепежа или соединения после сборки может привести к невращательному ослаблению. Это может быть результатом частичного пластического разрушения на этих границах раздела.

Когда две поверхности соприкасаются, нагрузку принимают на себя неровности на каждой поверхности. Поскольку фактическая площадь контакта часто значительно меньше видимой площади, даже умеренные нагрузки могут превысить предел текучести материала.

Усиленный поверхностный контакт

Это приводит к частичному разрушению поверхности после операции затягивания – явление, обычно называемое заглублением. Величина потери зажимного усилия из-за заделки зависит от жесткости болта и соединения, количества стыков внутри соединения, шероховатости поверхности и приложенного напряжения подшипника. При умеренном поверхностном напряжении первоначальное разрушение обычно приводит к потере примерно от 1% до 5% силы зажима в течение первых нескольких секунд после затяжки. Когда соединение впоследствии подвергается динамической нагрузке, происходит дальнейшее уменьшение из-за изменений давления на границах соединения.

Ослабление, связанное с закладкой, проблематично для соединений с множеством тонких сопряжений и небольшой длиной зажима болта. Если напряжение поверхностной опоры остается ниже предела текучести при сжатии материала соединения, можно рассчитать величину потерь при внедрении и спроектировать соединение так, чтобы компенсировать эти потери.

Теория Юнкера о самоослаблении застежки

В технической статье Герхарда Юнкера 1969 года «Новые критерии самоослабления крепежных изделий под действием вибрации» (документ SAE 690055) представлены результаты испытаний, подтверждающие его теорию о том, почему резьбовые крепежные детали самоотвинчиваются. Его основное открытие заключалось в том, что предварительно нагруженные крепежные детали ослабляются при вращении, когда между сопрягаемой резьбой и опорными поверхностями крепежного элемента и зажатого материала возникает относительное движение. Юнкер обнаружил, что условия саморасшатывания, вызванные поперечными динамическими нагрузками, были гораздо более серьезными, чем условия, вызванные динамическими осевыми нагрузками. Это связано с тем, что радиальное перемещение при осевых нагрузках значительно меньше, чем при поперечных нагрузках.

Боковое перемещение в болтовых соединениях

Юнкер продемонстрировал, что крепежные детали с предварительным натяжением саморасшатываются, когда происходит относительное движение между сопрягаемой резьбой и опорными поверхностями крепежной детали. Это относительное движение происходит, когда поперечная сила, действующая на соединение, превышает сопротивление трения, создаваемое предварительным натягом болта. При небольших боковых смещениях между боковыми сторонами резьбы и контактными поверхностями подшипника может возникнуть относительное движение. После преодоления зазора резьбы болт подвергается изгибающим усилиям, и если боковое скольжение продолжается, опорная поверхность головки болта будет скользить. После запуска трение между резьбой и головкой болта временно отсутствует, что приводит к относительному вращению из-за закрывающего крутящего момента, создаваемого предварительной нагрузкой на угол спирали резьбы.

Многократное поперечное движение может полностью ослабить крепление. Чтобы исследовать причины ослабления, Юнкер разработал испытательную машину, так называемую машину Юнкера, для количественной оценки эффективности конструкций крепежных изделий против самоослабления.

Машина для испытания крепежных деталей Junker

Роликоподшипники используются для устранения эффектов трения между движущимися и неподвижными пластинами. Когда подвижная пластина, зажатая гайкой, подвергается поперечному движению, тензодатчик постоянно контролирует нагрузку на болт. Это обеспечивает значительное преимущество по сравнению со стандартами испытаний на удар, поскольку потерю предварительной нагрузки можно измерить во время испытания и построить график зависимости от циклов. Машина Юнкера имитирует раскачивание внутри крепежа, вызванное поперечным смещением, создаваемым кулачком. Преодоление сил трения крепежной детали приводит к ее самоотвинчиванию.

Кривая ослабления при испытании на вибрацию Юнкера

Такие испытания, как тест Юнкера (подробно описанный в DIN 65151), позволяют сравнивать эффективность крепежных изделий различных конструкций по предотвращению самоотвинчивания. За последние два десятилетия были проведены обширные исследования по оценке устойчивости существующих конструкций крепежных изделий к вибрационному ослаблению. Эффективное сравнение требует использования одной и той же амплитуды, поскольку это существенно влияет на результаты. Здесь показаны типичные результаты испытаний винтовых пружинных шайб.

Некоторые испытания показывают, что размещение винтовой пружинной шайбы под головкой болта ускоряет ослабление, в то время как другие показывают, что использование таких шайб действует аналогично болтам без каких-либо стопорных устройств. Многие крупные OEM-производители признали эти выводы и больше не указывают такие шайбы в своих внутренних стандартах. Однако продолжающееся использование этих шайб позволяет предположить, что многие организации не знают об этих выводах.

Выводы исследования

Наиболее распространенной причиной самоотвинчивания резьбовых соединений является не вибрация сама по себе, а движение соединения, особенно поперечное скольжение между резьбой болта и опорными поверхностями. Если от болта можно получить достаточную предварительную нагрузку, чтобы предотвратить перемещение соединения, фиксирующие устройства не нужны, поскольку трение будет удерживать детали вместе. Основная задача при проектировании резьбовых соединений — обеспечить достаточную предварительную нагрузку, чтобы надежно удерживать детали вместе, несмотря на изменения условий трения. На графике показано влияние изменений трения на предварительную нагрузку болта.

Ключ к предотвращению самоослабления: адекватная нагрузка на болты

Обычно спецификации затяжки включают диапазон крутящих моментов, обеспечивающий экономичную сборку соединения. Учитывая это, а также потенциальные изменения первичного крутящего момента (с максимальными и минимальными пределами), можно построить диаграмму, показывающую изменения предварительной нагрузки, вызванные спецификациями сборки.

Проектирование соединений с учетом минимальной ожидаемой предварительной нагрузки, создаваемой болтом, исключает любой риск ослабления. Однако проектирование на основе средней предварительной нагрузки без применения «коэффициента запаса прочности» может привести к ослаблению многих болтов. Также необходимо учитывать потерю предварительного натяга из-за заделки, которая возникает на границе резьбы и под головкой болта и поверхностью гайки. Чтобы ограничить заделку, убедитесь, что напряжение подшипника под поверхностью гайки, головкой болта и внутри соединения остается в пределах допустимого диапазона для зажатого материала.

В случаях, когда движение соединения невозможно предотвратить, например, при тепловом расширении, следует предусмотреть надежное стопорное устройство.