Gairebé tots els productes d'enginyeria de complexitat variable utilitzen filsfixadors. En comparació amb la majoria dels altres mètodes de connexió, un avantatge clau dels fixadors roscats és que es poden desmuntar i reutilitzar.
Aquesta característica sol ser la raó per la qual es prefereixen els elements de fixació roscats sobre altres mètodes de connexió i sovint tenen un paper crucial en el manteniment de la integritat estructural dels productes.
Tanmateix, també són una font important de problemes en maquinària i altres components. La causa d'aquests problemes rau en el seu mecanisme d'afluixament automàtic-. Aquest mecanisme d'auto-afluixament ha estat un problema des de fa temps i, durant els darrers 150 anys, els dissenyadors han estat desenvolupant mètodes per prevenir-ho.
Fa més de 100 anys es van inventar molts tipus comuns de mètodes de bloqueig per a elements de fixació roscats, però només en els últims anys s'han entès els principals mecanismes que condueixen a l'auto-afluixament. Hi ha molts mecanismes que poden fer que els elements de fixació roscats s'afluixin, que es poden dividir en afluixament rotatiu i afluixament no-rotacional.
Afluixament rotacional i no -rotacional
En la gran majoria d'aplicacions, els elements de fixació roscats s'estrenyen i s'aplica la precàrrega a la connexió. L'afluixament es pot entendre com la pèrdua posterior de precàrrega un cop finalitzat el procés de tensió. Això pot ocórrer de dues maneres:
L'afluixament rotacional, conegut habitualment com a afluixament automàtic-, es refereix a la rotació de la subjecció sota l'acció de càrregues externes.
L'afluixament no -rotacional es refereix a la pèrdua de precàrrega sense moviment relatiu entre els fils interns i externs.
Aflojament de fixació causat per un afluixament no -rotacional
Es pot produir un afluixament no-per rotació a causa de la deformació del propi fixador o dels components connectats després del muntatge. Aquest és el resultat del col·lapse plàstic parcial d'aquestes interfícies.
Vista ampliada del contacte de la superfície rugosa
Quan dues superfícies estan en contacte entre si, cada superfície suporta la càrrega de la superfície de suport. Com que l'àrea de contacte real és molt més petita que la superfície, fins i tot sota càrregues moderades, es suporten contínuament tensions locals molt elevades, que superen el límit elàstic del material.
Això pot provocar un col·lapse parcial de la superfície un cop finalitzada l'operació de tensió; aquest col·lapse s'anomena habitualment encastament.
La quantitat de força de subjecció perduda a causa de l'encaixament depèn de la rigidesa del cargol i dels components connectats, el nombre de superfícies de contacte presents a la connexió, la rugositat de la superfície i la tensió de la superfície del coixinet aplicada.
En condicions de tensió superficial moderada, l'encaixament generalment provoca una pèrdua de força de subjecció d'aproximadament entre l'1% i el 5% durant els primers segons després d'estrenyir la junta. Quan l'articulació se sotmet posteriorment a càrregues dinàmiques aplicades, la força de subjecció pot disminuir encara més a causa dels canvis de pressió que es produeixen a la superfície de contacte de l'articulació.
Si la tensió de suport superficial es manté per sota de la resistència a la compressió del material del component connectat, la quantitat de pèrdua d'encaixament es pot calcular i compensar en el disseny de la connexió.
Teoria de Junker de l'afluixament d'un mateix-fixador
El 1969, Gerhard Junker va utilitzar els resultats de les proves d'enginyeria per donar suport a la seva teoria sobre per què els elements de fixació roscats s'afluixen automàticament. La seva troballa clau va ser que una vegada que es produeixi un moviment relatiu entre els fils d'acoblament i entre la superfície de suport de la fixació i el material de subjecció, la fixació precarregada s'afluixarà a causa de la rotació.
També es va trobar que les càrregues dinàmiques transversals provoquen un afluixament més greu que les càrregues dinàmiques axials. La raó és que el moviment radial sota càrregues axials és significativament menor que el de càrregues transversals.
Moviment transversal de connexions cargolades
Junker va demostrar que una fixació precarregada s'afluixarà automàticament-quan es produeixi un moviment relatiu entre els fils d'acoblament i la superfície de suport de la fixació. Això passa quan la força transversal que actua sobre l'articulació és superior a la força de fricció generada per la precàrrega del cargol.
Per a petits desplaçaments transversals, es pot produir un moviment relatiu entre els flancs de la rosca i les superfícies de contacte dels coixinets. Un cop superat el joc de rosca, el cargol estarà sotmès a forces de flexió i, si persisteix el lliscament transversal, es produirà el lliscament a la superfície de suport sota el cap del cargol.
Un cop iniciat, no hi haurà fricció temporal a les fils i sota el cap del cargol. El parell d'auto-afluixament generat per la precàrrega que actua sobre l'angle de l'hèlix de la rosca provoca la rotació corresponent entre la femella i el cargol. Sota moviments transversals repetits, aquest mecanisme pot provocar un afluixament total de la subjecció.
Per estudiar les causes de l'afluixament, Junker va desenvolupar una màquina de prova, tal com es mostra a la figura següent, que quantifica l'eficàcia anti{0}}afluixament dels dissenys de fixació.
Màquina de prova de fixació Junker
Els coixinets de boles s'utilitzen per eliminar l'efecte de fricció entre les plaques mòbils i fixes. Quan s'aplica un moviment transversal des de la placa mòbil que subjecta la femella, la cèl·lula de càrrega controla contínuament la càrrega del cargol.
En comparació amb els estàndards de prova de vibració habituals, es pot mesurar la pèrdua de precàrrega durant la prova i es pot representar un gràfic de precàrrega en funció del nombre de cicle.
El principi de la màquina Junker és que el desplaçament transversal generat per la lleva fa que l'element de fixació oscil·li, superant la força de fricció de la subjecció per produir un afluixament.
Captura de pantalla de Junker Testing Machine
Corba d'afluixament de la prova de vibració Junker
Mitjançant les proves Junker, es pot comparar el rendiment de diversos dissenys anti-afluixament de fixació. Durant les dues últimes dècades, s'han realitzat un gran nombre d'estudis sobre dissenys anti-afluixament de fixació existents per comparar les seves propietats anti-afluixament.
Per a una comparació efectiva, és crucial utilitzar la mateixa amplitud de vibració, ja que això té un impacte significatiu en els resultats. La figura següent mostra un resultat de prova típic d'una rentadora de molla.
La prova va demostrar que col·locar una rondella de molla helicoïdal sota el cap del cargol va accelerar l'afluixament. Altres també han demostrat que l'ús d'aquestes volanderes té un rendiment similar a l'ús de cargols sense cap dispositiu de bloqueig.
Molts grans OEM, conscients d'aquestes troballes, ja no especifiquen aquestes rentadores als seus estàndards interns.
Molts dispositius de bloqueig utilitzats per a fixacions roscades es basen a prevenir el moviment relatiu entre els fils (per exemple, femelles de niló) o el moviment relatiu entre la superfície del coixinet i els components connectats (p. ex., diversos tipus de volanderes de "bloqueig").
Tanmateix, tant Junker com altres investigadors posteriors han assenyalat la importància d'evitar el moviment transversal de l'articulació: un disseny de connexió cargolat adequat garanteix que la força de subjecció del cargol sigui suficient per evitar el moviment transversal a través de la fricció de les plaques de connexió, evitant així l'afluixament.
Durant la fase de disseny, això es pot aconseguir seleccionant la mida i la força de fixació adequades de manera que la precàrrega pugui generar una fricció suficient per resistir el moviment de la junta causat per càrregues externes.
Conclusió de la cara de Jun
La causa fonamental de l'afluixament de la subjecció roscada és el moviment de les articulacions, especialment el lliscament transversal de lafils de cargoli superfícies de suport. Si es pot obtenir una precàrrega suficient del cargol per evitar el moviment de la junta, no es necessita cap dispositiu de bloqueig, ja que la fricció mantindrà les peces juntes.
El principal problema en el disseny de fixació roscada és garantir que la precàrrega sigui suficient per mantenir les peces fermament juntes quan s'inclouen canvis en les condicions de fricció.
Aquest gràfic mostra l'efecte dels canvis de fricció sobre la precàrrega del cargol.
La clau per evitar l'afluixament és proporcionar una precàrrega suficient del cargol
En general, les juntes s'han de dissenyar en funció de la precàrrega mínima generada al màxim coeficient de fricció; dissenyar utilitzant el valor mitjà de precàrrega comportarà un afluixament de moltscargols.
Al mateix temps, també cal tenir en compte la pèrdua de precàrrega causada per l'encaixament. Per limitar la quantitat d'incrustació, cal assegurar el rang de tensió màxim que pot suportar el material subjectat.
En els casos en què no es pot evitar el moviment de les articulacions, per exemple, en presència d'expansió tèrmica, s'ha d'especificar un dispositiu de bloqueig amb capacitat provada.
