Næsten alle tekniske produkter af varierende kompleksitet bruger gevindfastgørelsesmidler. Sammenlignet med de fleste andre tilslutningsmetoder er en vigtig fordel ved gevindbefæstelser, at de kan skilles ad og genbruges.
Denne funktion er normalt årsagen til, at gevindbefæstelser foretrækkes frem for andre forbindelsesmetoder, og de spiller ofte en afgørende rolle i at opretholde produkternes strukturelle integritet.
Men de er også en væsentlig kilde til problemer i maskiner og andre komponenter. Årsagen til disse problemer ligger i deres selv-løsende mekanisme. Denne selv-løsende mekanisme har længe været et problem, og i løbet af de sidste 150 år har designere udviklet metoder til at forhindre denne hændelse.
Mange almindelige typer af låsemetoder til gevindbefæstelser blev opfundet for mere end 100 år siden, men det er først i de senere år, at de vigtigste mekanismer, der fører til selv-løsnelse, er blevet forstået. Der er mange mekanismer, der kan få gevindbefæstelser til at løsne sig, som kan opdeles i rotationsløsnelse og ikke-rotationsløsnelse.
Roterende og ikke-rotationsløsnelse
I langt de fleste applikationer strammes gevindbefæstelser, og forspænding påføres forbindelsen. Løsning kan forstås som det efterfølgende tab af forspænding, efter at tilspændingsprocessen er afsluttet. Dette kan ske på to måder:
Rotationsløsnelse, almindeligvis omtalt som selv-løsnende, refererer til rotationen af fastgørelseselementet under påvirkning af eksterne belastninger.
Ikke-rotationsløsnelse henviser til tab af forspænding uden relativ bevægelse mellem det indvendige og udvendige gevind.
Løsning af fastener forårsaget af ikke-rotationel løsning
Ikke-rotationsløsnelse kan forekomme på grund af deformation af selve fastgørelseselementet eller de tilsluttede komponenter efter montering. Dette er resultatet af delvis plastisk kollaps af disse grænseflader.
Forstørret visning af ru overfladekontakt
Når to overflader er i kontakt med hinanden, bærer hver overflade den bærende overfladebelastning. Fordi det faktiske kontaktareal er meget mindre end overfladearealet, selv under moderate belastninger, bæres der kontinuerligt meget høje lokale spændinger, som overstiger materialets flydespænding.
Dette kan føre til delvis kollaps af overfladen, efter at stramningsoperationen er afsluttet; dette kollaps omtales normalt som indlejring.
Mængden af spændekraft, der går tabt på grund af indstøbning, afhænger af boltens og de tilsluttede komponenters stivhed, antallet af kontaktflader i forbindelsen, overfladeruheden og den påførte lejefladespænding.
Under moderate overfladespændingsforhold forårsager indstøbning sædvanligvis et spændekrafttab på ca. 1 % til 5 % inden for de første få sekunder efter at samlingen er strammet. Når samlingen efterfølgende udsættes for påførte dynamiske belastninger, kan spændekraften falde yderligere på grund af trykændringer, der opstår på samlingens kontaktflade.
Hvis overfladelejespændingen holdes under trykflydespændingen for det tilsluttede komponentmateriale, kan størrelsen af indstøbningstab beregnes og kompenseres for i forbindelsesdesignet.
Junker's Theory of Fastener Self-Loosening
I 1969 brugte Gerhard Junker resultaterne af tekniske test til at understøtte sin teori om, hvorfor gevindbefæstelser løsner sig automatisk. Hans vigtigste konstatering var, at når der først opstår relativ bevægelse mellem de matchende gevind og mellem fastgørelseselementets lejeflade og spændematerialet, vil den forspændte fastgørelsesanordning løsne sig på grund af rotation.
Det blev også fundet, at tværgående dynamiske belastninger forårsager mere alvorlige løsner end aksiale dynamiske belastninger. Årsagen er, at den radiale bevægelse under aksiale belastninger er væsentligt mindre end under tværgående belastninger.
Tværgående bevægelse af boltede forbindelser
Junker viste, at en forspændt fastener vil selv-løsne sig, når der sker relativ bevægelse mellem de matchende gevind og fastenerens lejeflade. Dette sker, når den tværgående kraft, der virker på samlingen, er større end den friktionskraft, der genereres af boltens forspænding.
Ved små tværgående forskydninger kan der forekomme relativ bevægelse mellem gevindflankerne og lejekontaktfladerne. Når gevindfrigangen er overvundet, vil bolten blive udsat for bøjningskræfter, og hvis tværgående glidning fortsætter, vil der ske glidning ved lejefladen under bolthovedet.
Når først den er startet, vil der midlertidigt ikke være friktion ved gevindene og under bolthovedet. Det selv-løsende drejningsmoment genereret af forspændingen, der virker på gevindspiralvinklen, forårsager tilsvarende rotation mellem møtrikken og bolten. Ved gentagne tværgående bevægelser kan denne mekanisme forårsage fuldstændig løsning af fastgørelseselementet.
For at studere årsagerne til løsning udviklede Junker en testmaskine, som vist i figuren nedenfor, som kvantificerer den anti-løsningseffektivitet af fastenerdesigns.
Junker Fastener Test Machine
Kuglelejer bruges til at eliminere friktionseffekten mellem de bevægelige og faste plader. Når der påføres tværgående bevægelse fra den bevægelige plade, der klemmer møtrikken, overvåger vejecellen kontinuerligt boltbelastningen.
Sammenlignet med almindelige vibrationsteststandarder kan tabet af forspænding måles under testen, og der kan plottes en graf over forbelastning versus cyklusnummer.
Princippet for Junker-maskinen er, at den tværgående forskydning, der genereres af kammen, får fastgørelseselementet til at oscillere, hvilket overvinder fastgørelseselementets friktionskraft for at frembringe en løsning.
Skærmbillede af Junker Testing Machine
Junker Vibrationstest Løsningskurve
Gennem Junker-test kan ydeevnen af forskellige fastener anti-løsningsdesign sammenlignes. I løbet af de sidste to årtier er et stort antal undersøgelser af eksisterende fastener-anti-designer blevet afsluttet for at sammenligne deres anti-løsnende egenskaber.
For effektiv sammenligning er det afgørende at bruge den samme vibrationsamplitude, da dette har en væsentlig indflydelse på resultaterne. Nedenstående figur viser et typisk testresultat af en fjederskive.
Testen viste, at placeringen af en spiralformet fjederskive under bolthovedet faktisk fremskyndede løsningen. Andre har også bevist, at brugen af sådanne skiver har samme ydeevne som brugen af bolte uden nogen låseanordninger.
Mange store OEM'er, der er klar over disse resultater, specificerer ikke længere sådanne spændeskiver i deres interne standarder.
Mange låseanordninger, der anvendes til gevindbefæstelser, er baseret på at forhindre relativ bevægelse mellem gevindene (f.eks. nylonlåsemøtrikker) eller relativ bevægelse mellem lejefladen og de tilsluttede komponenter (f.eks. forskellige typer "låse"-skiver).
Både Junker og andre efterfølgende forskere har dog påpeget vigtigheden af at forhindre tværgående bevægelse af leddet: Et passende boltforbindelsesdesign sikrer, at boltens spændekraft er tilstrækkelig til at forhindre tværgående bevægelse gennem forbindelsespladernes friktion, og dermed undgå at løsne sig.
Under designfasen kan dette opnås ved at vælge den passende fastgørelsesstørrelse og -styrke, så forspændingen kan generere tilstrækkelig friktion til at modstå ledbevægelser forårsaget af eksterne belastninger.
Skrue Juns konklusion
Den grundlæggende årsag til, at gevindet løsner sig, er ledbevægelser, især tværgående glidning afbolt gevindog lejeflader. Hvis der kan opnås tilstrækkelig forspænding fra bolten til at forhindre samlingsbevægelser, er der ingen låseanordning nødvendig, da friktion vil holde delene sammen.
Hovedproblemet i design af gevindbefæstelser er at sikre, at forspændingen er tilstrækkelig til at holde delene fast sammen, når ændringer i friktionsforhold er inkluderet.
Denne graf viser effekten af friktionsændringer på boltens forspænding.
Nøglen til at forhindre løsnelse er at sørge for tilstrækkelig boltforspænding
Generelt bør samlinger designes baseret på den minimale forspænding, der genereres ved den maksimale friktionskoefficient; design ved hjælp af den gennemsnitlige forspændingsværdi vil føre til, at mange bliver løsnetbolte.
Samtidig er det også nødvendigt at overveje forspændingstabet forårsaget af indlejring. For at begrænse mængden af indstøbning er det nødvendigt at sikre det maksimale spændingsområde, som det fastspændte materiale kan modstå.
I tilfælde, hvor ledbevægelser ikke kan forhindres, for eksempel ved tilstedeværelse af termisk ekspansion, bør en låseanordning med dokumenteret evne specificeres.
