A csavarkötések mechanikája

ALÁBBI CIKKÜNK KIVONAT JAMES A. SPECK MECHANICAL FASTENING, JOINING, AND ASSEMBLY CÍMŰ KÖNYVÉBŐL.

Fém kötések

A rögzítés és kötés mechanikája bizonyos szempontból hasonló a mindennap elvégzett összeszerelési munkák során. A kötőelemek vagy rögzítőrendszerek erőket közvetítenek. Ha a munkát jól végzik el, a kötés kialakítása és szerelése képes ellentartani az üzemi terheléseknek. Hasznos a mérnöki eljárásokat az összeszerelt alkatrészek anyaga szerint szétválasztani, így logikus különbséget tenni a fémes és nemfémes szerkezetek között.

Merev fém kötések

EGY PÉLDÁN KERESZTÜL MEGVIZSGÁLVA: vegyünk két hidegen hengerelt acél alkatrészt, egy pneumatikus munkahenger zárófedelét és magát a hengertestet. A cél az, hogy algebrai egyenletek segítségével nagy pontossággal meg tudjuk becsülni a szerelvényben fellépő erőket és hatásokat.

A rögzítés mechanikája szempontjából a szerelvényeket aszerint osztályozhatjuk, hogy az alkatrészek merevsége magasabb-e, mint a kötőelemeké.

• Azokat a kötéseket, ahol a kötőelem rugalmasabb és az összeszerelt alkatrészek merevebbek, merev kötéseknek nevezzük.
• Azokat a kötéseket, ahol a kötőelem merevebb és az összeszerelt alkatrészek rugalmasabbak, rugalmas kötéseknek nevezzük.

Feszültség-alakváltozás és terhelési számítások:

Az acél feszültség-alakváltozás diagramja egy lineáris, rugalmas tartományt mutat a folyáshatár alatt, és egy képlékeny, nemlineáris tartományt a folyáshatár felett. A nulla külső feszültségtől a folyáshatár közeléig terjedő szakaszon a feszültség és alakváltozás arányát rugalmassági modulusnak hívjuk.

A pneumatikus henger alkalmazási specifikációi a következők:

• Henger üzemi nyomása: 240 psi
• Henger furata: 2.250 in.
• Henger területe: 3.976 in²

A hengerfejre ható feszültség számítása: feszültség = terhelő erő / felület, amiből a terhelés 260lb/in²*3.976in² = 956lb. Számítási okokból ezt 1000 lb-re kerekítjük.

Ha 5-ös biztonsági tényezőt választunk, az összes terhelés 5000 lb lesz. Továbbá, ha négy csavart tervezünk egyenletesen elosztva, akkor mindegyik csavar 250 lb csúcs üzemi terhelést visel.  Amikor a csavar terhelés alá kerül – akár a meghúzás, akár a hengerfej nyomása által kifejtett erő révén –, az megnyúlik. Ezzel egyidejűleg az összeszerelt tagok szorítás által érintett zónái összenyomódnak.

A kötőelem specifikációi és teherbírása

A kiválasztott kötőelem egy 10-32 2 in. méretű, SAE 5-ös minőségű acél hatlapfejű csavar, horganyzott/átlátszó kromátozott bevonattal. A belső menet egy 2B osztályú gépi menet. Az 5-ös minőségi szint 120,000 psi teherbírást jelent, de tervezésnél a 85,000 psi próbafeszültség a mérvadó.

A próbaterhelhetőség az a határérték, amely alatt nem következik be jelentős vagy tartós képlékeny alakváltozás a tehermentesítés után.

A csavar próbaterhelése: 0.02 in² * 85,000 lb/in²=1700 lb.

A menetkapcsolódás hossza a névleges átmérő háromszorosa. A 3 átmérőn túli, rendkívül mély menetkapcsolódás már csökkenő hozamot eredményez a teljesítményben, mivel a fej felfekvő felületéhez legközelebbi teljes profilú menetek arányosan nagyobb terhelést viselnek, mint a távolabbiak.

Meghúzási nyomaték és súrlódás

A csavarok szerelősoron történő előfeszítéséhez szükséges becsült nyomatékot az alábbi egyenlettel számítjuk:

T = K * D * P

T: nyomaték

K: súrlódási együttható

D: effektív menetátmérő

P: összeszorító erő

Mivel statisztikailag számítunk némi változékonyságra az alkatrészek, kenőanyagok és szerelési körülmények terén, a csavarokat az 1700 lb próbaterhelés 75%-ára húzzuk meg. Így P = 0.75 * 1700 lb = 1275 lb. A menet súrlódási tényezőjét K = 0.2 -re becsülve: T = 0.2 * 0.190 in * 1275~lb = 48.45 in. lb. Ez kerekítve 4 lb.

A súrlódási együttható (K) kritikus tényező. Nyomaték-szorítóerő vizsgálattal (torque-tension tests) kimutatható, hogy ugyanazon 1275 lb szorítóerő eléréséhez eltérő K értékeknél (pl. K=0.1-től K=0.3-ig) drasztikusan más nyomaték szükséges. Egy extrém nyomásálló kenőanyagnál K=0.1 T = 24.2 in. lb, míg szemcsés, szennyezett meneteknél K=0.3 is lehet ekkor T = 72.7 in. lb.

Előfeszítés vs. üzemi terhelés

Az 1275 lb előfeszítéssel és a 250 lb húzó üzemi terheléssel számolva a csavar nem kap automatikusan plusz 250 lb terhelést. Valójában az üzemi terhelés csak az előfeszítés egy bizonyos százalékát tehermentesíti, ebben az esetben valamivel kevesebb mint 20%-ot. A kötőelem megnyúlását a következő egyenlettel közelíthetjük: e = F * L / A * E

Ahol „e” a megnyúlás, „F” az erő, „L” a befogási / szorítási hossz, „A” a feszültségi keresztmetszet, „E” pedig a rugalmassági modulus. A példában a csavar előfeszítésből származó megnyúlása 0.0027 in., míg pusztán a 250 lb üzemi terhelésé csak 0.0005 in. lenne. A merev húzott kötésekben a jó gyakorlat az, hogy az előfeszítés meghaladja az üzemi terhelést, megakadályozva ezzel a kötés szétválását. Fontos megjegyezni, hogy léteznek nyírt kötések is, ahol például a csapok veszik fel a nyíróerőket, a csavarok pedig csak a szorítóerőt biztosítják.

Beágyazódás és menetgeometria

A szerelési idő múlásával az előfeszítő erő egy része elveszhet az anyag relaxációja vagy a megmunkálásból eredő felületi érdességek lekopása miatt. Ez a "beágyazódás" a kötés vastagságának enyhe csökkenését eredményezi, ami miatt a csavar elveszíti a megnyúlásának és az előfeszítésének egy részét. A befogási hossz növelése növeli a csavar megnyúlását is, ami jobban tolerálja a beágyazódást.

A csavarok menetei húzóterhelés alatt jellegzetes geometriával működnek. Általában 60°-os bezárt szöggel rendelkeznek, egy menetemelkedéssel és menetemelkedési szöggel. A fej felfekvő felülete felé néző oldal a nyomott oldal, amely átviszi a terhelést, míg a másik a nem nyomott oldal. A durva menetek esetében az első, teljes profilú menet a terhelés 35%-át veszi fel, míg finom meneteknél ez az eloszlás egyenletesebb (kb. 29% az első menetnél).

Menet illesztések

Az "inch" (hüvelykes) rendszerben három elsődleges illesztési osztály létezik a belső és külső menetekre: Laza (1A/1B), Közepes (2A/2B) és Szoros (3A/3B). Léteznek szándékos túlfedéses/sajtoló illesztések is, amelyek növelik a menetek közötti súrlódást, ezáltal ellenállnak a vibrációs lazulásnak. Metrikus meneteknél hasonló osztályozás van, például a közepes illesztés a 6g (külső) és 6H (belső). A belső menetek pontosságát nagyban befolyásolja a menetfúró limitált minősége (pl. GH3 jelölés).