Skoraj vsi inženirski izdelki različnih zahtevnosti uporabljajo navojepritrdilni elementi. V primerjavi z večino drugih načinov povezovanja je ključna prednost navojnih pritrdilnih elementov ta, da jih je mogoče razstaviti in ponovno uporabiti.
Ta lastnost je običajno razlog, zakaj imajo navojni pritrdilni elementi prednost pred drugimi načini povezovanja in pogosto igrajo ključno vlogo pri ohranjanju strukturne celovitosti izdelkov.
Vendar pa so tudi pomemben vir težav v strojih in drugih komponentah. Vzrok teh težav je v njihovem-mehanizmu samorahljanja. Ta samo-rahljajoči mehanizem je že dolgo problem in v zadnjih 150 letih so oblikovalci razvijali metode za preprečevanje tega pojava.
Številne pogoste vrste zaklepnih metod za navojne pritrdilne elemente so izumili pred več kot 100 leti, vendar so šele v zadnjih letih razumeli glavne mehanizme, ki vodijo do samo{1}}rahljanja. Obstaja veliko mehanizmov, ki lahko povzročijo popuščanje navojnih pritrdilnih elementov, ki jih lahko razdelimo na rotacijsko popuščanje in ne-rotacijsko popuščanje.
Rotacijsko in ne{0}}rotacijsko rahljanje
V veliki večini aplikacij so navojni pritrdilni elementi zategnjeni, na povezavo pa je uporabljena prednapetost. Rahljanje lahko razumemo kot poznejšo izgubo prednapetosti po končanem postopku zategovanja. To se lahko zgodi na dva načina:
Rotacijsko popuščanje, običajno imenovano samo{0}}popuščanje, se nanaša na vrtenje pritrdilnega elementa pod vplivom zunanjih obremenitev.
Ne{0}}rotacijsko rahljanje se nanaša na izgubo prednapetosti brez relativnega gibanja med notranjim in zunanjim navojem.
Zrahljanje pritrdilnih elementov zaradi ne-rotacijskega popuščanja
Do ne-rotacijskega popuščanja lahko pride zaradi deformacije samega pritrdilnega elementa ali povezanih komponent po montaži. To je posledica delnega plastičnega zloma teh vmesnikov.
Povečan pogled na grobo površino
Ko sta dve površini v stiku, vsaka površina nosi obremenitev nosilne površine. Ker je dejanska kontaktna površina veliko manjša od površine, se tudi pri zmernih obremenitvah nenehno prenašajo zelo visoke lokalne napetosti, ki presegajo mejo tečenja materiala.
To lahko privede do delnega zrušitve površine po končanem zategovanju; ta kolaps se običajno imenuje vdelava.
Količina vpenjalne sile, izgubljene zaradi vdelave, je odvisna od togosti sornika in povezanih komponent, števila kontaktnih površin, ki so prisotne v povezavi, hrapavosti površine in uporabljene napetosti na nosilni površini.
V pogojih zmerne površinske napetosti vdelava običajno povzroči izgubo vpenjalne sile za približno 1 % do 5 % v prvih nekaj sekundah po zategovanju spoja. Ko je spoj naknadno izpostavljen dinamičnim obremenitvam, se lahko vpenjalna sila dodatno zmanjša zaradi sprememb tlaka, ki se pojavi na kontaktni površini spoja.
Če je površinska nosilna napetost pod tlačno mejo tečenja povezanega materiala sestavnega dela, se lahko količina izgube zaradi vdelave izračuna in kompenzira v načrtu povezave.
Junkerjeva teorija samo-rahljanja pritrdilnih elementov
Leta 1969 je Gerhard Junker uporabil rezultate inženirskih testov, da bi podprl svojo teorijo o tem, zakaj se navojni pritrdilni elementi samodejno zrahljajo. Njegova ključna ugotovitev je bila, da ko pride do relativnega gibanja med parnimi navoji in med naležno površino pritrdila in vpenjalnim materialom, se bo prednapet pritrdilni element zaradi vrtenja zrahljal.
Ugotovljeno je bilo tudi, da prečne dinamične obremenitve povzročajo močnejše popuščanje kot aksialne dinamične obremenitve. Razlog je v tem, da je radialno gibanje pri aksialnih obremenitvah bistveno manjše kot pri prečnih obremenitvah.
Prečni premik vijačnih povezav
Junker je pokazal, da se prednapet pritrdilni element sam-zrahlja, ko pride do relativnega gibanja med parnimi navoji in naležno površino pritrdilnega elementa. To se zgodi, ko je prečna sila, ki deluje na spoj, večja od sile trenja, ki jo ustvari prednapetost vijaka.
Pri majhnih prečnih pomikih lahko pride do relativnega gibanja med boki navoja in kontaktnimi površinami ležaja. Ko je zračnost navoja premagana, bo sornik izpostavljen upogibnim silam, in če prečno drsenje traja, bo prišlo do drsenja na naležni površini pod glavo sornika.
Po zagonu začasno ne bo več trenja na navojih in pod glavo vijaka. Navor samo-rahljanja, ki ga ustvari prednapetost, ki deluje na kot vijačnice navoja, povzroči ustrezno rotacijo med matico in vijakom. Pri ponavljajočih se prečnih premikih lahko ta mehanizem povzroči popolno zrahljanje zaponke.
Za preučevanje vzrokov za popuščanje je Junker razvil preskusni stroj, kot je prikazan na spodnji sliki, ki kvantificira učinkovitost za-zrahljanja zasnov pritrdilnih elementov.
Stroj za testiranje pritrdilnih elementov Junker
Kroglični ležaji se uporabljajo za odpravo učinka trenja med gibljivimi in fiksnimi ploščami. Pri prečnem gibanju gibljive plošče, ki vpne matico, tehtalna celica nenehno spremlja obremenitev vijaka.
V primerjavi z običajnimi standardi za preskus vibracij je mogoče med preskusom izmeriti izgubo prednapetosti in narisati graf prednapetosti glede na število ciklov.
Načelo stroja Junker je, da prečni premik, ki ga ustvari odmikač, povzroči nihanje pritrdilnega elementa, pri čemer premaga torno silo pritrdilnega elementa, da se sprosti.
Posnetek zaslona Junker Testing Machine
Krivulja rahljanja Junker Vibration Test
Z Junkerjevim testiranjem je mogoče primerjati učinkovitost različnih zasnov proti -rahljanju pritrdilnih elementov. V zadnjih dveh desetletjih je bilo opravljenih veliko število študij o obstoječih zasnovah proti-rahljanju pritrdilnih elementov, da bi primerjali njihove lastnosti proti-rahljanju.
Za učinkovito primerjavo je ključna uporaba enake amplitude tresljajev, saj to pomembno vpliva na rezultate. Spodnja slika prikazuje tipičen rezultat preskusa vzmetne podložke.
Preizkus je pokazal, da namestitev vijačne vzmetne podložke pod glavo vijaka dejansko pospeši popuščanje. Drugi so tudi dokazali, da ima uporaba takšnih podložk podobno učinkovitost kot uporaba zapahov brez kakršnih koli zaklepnih naprav.
Številni veliki proizvajalci originalne opreme, ki se zavedajo teh ugotovitev, takih podložk ne določajo več v svojih internih standardih.
Številne zaklepne naprave, ki se uporabljajo za navojne pritrdilne elemente, temeljijo na preprečevanju relativnega gibanja med navoji (npr. najlonske protimatice) ali relativnega gibanja med naležno površino in povezanimi komponentami (npr. različne vrste "zaklepnih" podložk).
Vendar pa so tako Junker kot drugi poznejši raziskovalci poudarili pomen preprečevanja prečnega premika spoja: ustrezna zasnova vijačne povezave zagotavlja, da je vpenjalna sila sornika zadostna, da prepreči prečno gibanje zaradi trenja povezovalnih plošč in se tako izogne popuščanju.
Med fazo načrtovanja je to mogoče doseči z izbiro ustrezne velikosti in trdnosti pritrdilnega elementa, tako da lahko prednapetost ustvari zadostno trenje, da se upre gibanju sklepa, ki ga povzročajo zunanje obremenitve.
Screw Junov sklep
Osnovni vzrok za popuščanje navojnih sponk je premikanje sklepov, predvsem prečno drsenjenavoji vijakovin naležne površine. Če je mogoče doseči zadostno prednapetost sornika, da se prepreči premikanje spoja, zaklepna naprava ni potrebna, saj bo trenje držalo dele skupaj.
Glavna težava pri načrtovanju navojnih pritrdilnih elementov je zagotoviti, da je prednapetost zadostna, da drži dele trdno skupaj, ko so vključene spremembe tornih pogojev.
Ta graf prikazuje učinek sprememb trenja na prednapetost vijaka.
Ključ do preprečevanja popuščanja je zagotoviti zadostno prednapetost vijaka
Na splošno je treba spoje oblikovati na podlagi najmanjše prednapetosti, ki nastane pri največjem koeficientu trenja; načrtovanje z uporabo povprečne vrednosti prednapetosti bo povzročilo zrahljanje mnogihvijaki.
Hkrati je treba upoštevati tudi izgubo prednapetosti, ki jo povzroči vdelava. Da bi omejili količino vdelave, je treba zagotoviti največji obseg napetosti, ki ga lahko prenese vpeti material.
V primerih, ko premikanja sklepov ni mogoče preprečiti, na primer ob prisotnosti toplotnega raztezanja, je treba določiti blokirno napravo z dokazano zmogljivostjo.
