CBIES AUTOMOTIVE|Zakaj odpove, ko je vijak zrahljan?

CBIES CBIES AVTOMOBILSTVOse zavzema za razvoj energetsko varčnejših, varnejših in lažjih izdelkov za zapenjanje. Njeni izdelki pokrivajovijaki, oreški, zakovice, vijaki in drugi pritrdilni elementi.

Okvara vijakov zaradi utrujenosti je pogosta v številnih industrijah vesoljskih, avtomobilskih in gradbenih strojev. To je tudi eden glavnih vzrokov za mehanske okvare. Material ne sme biti obremenjen nad njegovo končno natezno trdnostjo, utrujenost vijaka pa ga lahko izpostavi še večji obremenitvi, kar povzroči okvaro.

Razlogov za odpoved vijakov je veliko. Poleg težav s kakovostjo je najpogostejši razlog, da sila predhodnega zategovanja ni zadostna, da bi povzročila ohlapnost. Pri tornih vijakih z visoko trdnostjo ima sila predzategovanja dve funkciji: ena je ustvariti notranjo kompresijsko silo, oblikovati silo trenja, upreti strižni sili med vpetimi deli in preprečiti zdrs; drugi je povečati splošno togost vijačne povezave. Delovna obremenitev se porazdeli med sornik in vpeti del.

Ko na spoj deluje delovna obremenitev, se vpeti deli aksialno vlečejo v nasprotni smeri, dodatna obremenitev sornika in delovna obremenitev se imenujeta koeficient obremenitve, zunanja delovna obremenitev pa se deli na sornik in vpeto delov, da preprečite odpoved vijaka zaradi prevelike obremenitve.

Če dodatno obremenitev vijaka delimo z efektivnim premerom vijaka, dobimo velikost napetosti, če velikost napetosti (dodatna obremenitev vijaka) ne preseže meje vzdržljivosti, v teoriji lahko rečemo, da vijak ne bo odpovedal neskončno število cikličnih obremenitev.

Zasnove vijakov, ki upoštevajo zmanjšane velikosti napetosti, veljajo za učinkovite pri preprečevanju odpovedi zaradi utrujenosti. Nasprotno, če je vpenjalna sila vijaka nezadostna in pomembnost napetosti presega mejo vzdržljivosti, se bo vijak po določenem številu ciklov zlomil.

A. Podcenjevanje delovne obremenitve

Delovna obremenitev konstrukcije vijačne povezave je podcenjena, dejanska delovna obremenitev opreme med delovanjem pa presega projektno obremenitev konstrukcije vijaka, kar ima za posledico silo zategovanja, ki je manjša od dejanske zahteve.

To se zgodi občasno, zlasti v panogah, kot so specialni stroji ali avtomobili. Zaradi negotovosti okolja delovanja izdelka je težko, da projektna obremenitev v celoti pokrije dejanske pogoje delovanja.

Poleg tega je tukaj omenjena delovna obremenitev splošna delovna obremenitev, ki ne vključuje samo osne obremenitve, ampak tudi osno napetost, ki jo povzroči upogibna obremenitev; ne samo mehanske obremenitve, temveč tudi natezne učinke, ki jih povzročajo dejavniki, kot so temperaturne spremembe.

B. Nezadostna prednapetost med montažo

Sila predhodnega zategovanja, ki jo uporablja vijak med sestavljanjem, morda ne bo dosegla svoje projektirane vrednosti. Zaradi napake orodja za zategovanje vijakov in razlike v postopku zategovanja je uporabljena sila predhodnega zategovanja vijakov določena razpršenost.

V primeru, da se za nadzor predzategovanja uporablja metoda navora, bo razpršitev koeficienta trenja para navojev in dna glave vijaka tudi povzročila, da bo dejanska sila predzategovanja vijaka manjša od projektirana sila predhodnega zategovanja.

C. Izguba sile predzategovanja vijaka

Izguba prednapetosti vijaka je najpogostejši vzrok za nezadostno vpenjalno silo vijaka. Izguba prednapetosti vijaka je neizogibna. Tudi če med sornikom in matico ni rotacijskega popuščanja, bo prišlo do zmanjšanja aksialne prednapetosti.

Obstaja veliko dejavnikov, ki povzročajo izgubo sile predzategovanja vijaka, kot so obraba vpetega dela, plastična deformacija sornika po zategovanju, plastični zlom vpetega dela, natezno lezenje sornika, kompresijsko lezenje vpetega del, kontaktna površina Posedanje (mikroskopsko izbočeno plastično zmečkanje), toplotno raztezanje sornikov in toplotno krčenje vpetih delov itd., med katerimi še posebej izstopata posedanje in toplotna deformacija stične površine.

Posedanje (vdelava) kontaktnih površin je lokalizirana plastična deformacija, ki se pojavi pod ploskvijo vijaka, ploskvijo spoja in navoji kot posledica plastične izravnave hrapavosti površine.

Na nek način se to zgodi, ko dve površini prideta v stik in sta obremenjeni. Večina izgube vdelanosti se pojavi, ko se deli v spoju prvič stisnejo.

Pod delovanjem sile pred zategovanjem in zunanje obremenitve se lokalne mikroskopske izbokline zrušijo in deformirajo, zaradi česar so kontaktne površine bolj tesne, dolžina vpenjanja pa se rahlo zmanjša.

Cikel loma vijaka je mogoče predvideti s krivuljo SN

Vijačne povezave se ocenjujejo s preskusom utrujenosti ob aksialni obremenitvi, da se razume stopnja ciklične obremenitve, ki je potrebna za odpoved spoja,

ISO3800:1993 določa, da se cikli preskusa utrujenosti 104~107 ponavljajo pri določeni velikosti napetosti, dokler ne pride do odpovedi zaradi utrujenosti.

To se nato ponovi za veliko različnih velikosti napetosti, da dobimo krivuljo SN.

Diagram SN je diagram za testiranje loma vijaka, ki prikazuje razmerje med razponom napetosti in številom ciklov ter napoveduje življenjsko dobo vijaka ob utrujenosti. Upoštevati je treba, da navpična os v diagramu SN predstavlja območje osne napetosti, ne osne napetosti. Poleg tega je utrujenost povezana z napetostjo vijaka in številom ciklov, ne pa tudi s skupno napetostjo vijaka. Slika na desni prikazuje SN diagram jeklene niti.

RBHT pomeni postopek valjanja niti pred toplotno obdelavo; RAHT pomeni postopek valjanja niti po toplotni obdelavi.

Iz slike je razvidno, da je prevojna točka, kjer se krivulja gladko spremeni v ravno črto, območje mejne napetosti, kar pomeni, da v tem območju mejne napetosti ne bo prišlo do poškodb zaradi utrujenosti; ko cikel obremenitve preseže 1 × 106-krat, se meja napetosti ne bo več zmanjšala.

Krivulja na sliki je uporaba "B10" za izračun življenjske dobe (B10 je 10-odstotna stopnja napak), mejna obremenitev vzdržljivosti navoja RBHT (razred 10.9) pa je 90 MPa.

Zato pri načrtovanju vijačnih povezav ohranjajte območje osne napetosti vijakov pod 90 MPa v konstrukcijskih aplikacijah.

Da bi izboljšali koeficient utrujenosti, inženirji motorjev običajno uporabljajo 45 MPa kot mejo visokofrekvenčne ciklične obremenitve, tako da je varnostni faktor utrujenosti (tj. koeficient utrujenosti) večji ali enak 2.0.

Za analizo vzroka loma zaradi utrujenosti sornika je potrebno ne samo odkriti in analizirati lom, material, napako itd., ampak tudi opraviti mehansko analizo na sorniški povezavi, zaznati zunanjo obremenitev, silo vpenjanja sornika. in zmogljivost vijaka ter analizirati delovno stanje vijaka.

Povzetek izkušenj CBIES:

Popuščanje vijakov in tekmovalna odpoved zaradi utrujenosti je relativno nova raziskovalna smer. Ne osredotoča se le na enostransko popuščanje ali utrujenost vijakov, temveč hkrati upošteva možno popuščanje in utrujenost ter ju preučuje pri različnih obremenitvah. Kaj se zgodi prej? Kateri je imel vodilno vlogo pri odpovedi vijakov?

Med servisiranjem so vijaki hkrati izpostavljeni prečnim strižnim obremenitvam ter osnim nateznim in tlačnim obremenitvam. Rezultatov preskusa, pridobljenih z eno samo obliko obremenitve, ni mogoče uporabiti za napovedovanje odpovedi vijakov v kompleksnih okoljih. Zato so konkurenčni mehanizmi odpovedi ohlapnosti in utrujenosti vijakov. Raziskava je bolj izvedljiva in se lahko uporabi kot nova smer raziskovanja vijakov v prihodnosti.