Csavarkötések meghúzási módszerei Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a kézi meghúzás jellemző szerszámait, előnyeit és a hátrányait! Tanulja meg a szerszámok kialakításának az elvét! Tanulja meg a csavar „kézi” meghúzásnál fellépő tipikus hibákat! 5. 1. „Kézi” meghúzás A kézi meghúzásnál a dolgozó érzékeire bízzák a csavar meghúzását. Kis mértékben a meghúzószerszámok célszerű kialakításával elősegítik a megfelelő meghúzást.
10. ábra: Gyűrűs-villás kulcskészlet A 10. ábra egy gyűrűs-villás kulcskészletet mutat, a 11. ábra pedig egy imbuszkulcs-készletet. Ezeknél a szerszámoknál a nagyobb csavarokhoz hosszabb karhosszú szerszámok tartoznak, mert a nagyobb méretű csavarokat általában nagyobb nyomatékkal kell meghúzni. Ezzel azonban vigyázni kell, mert a szükséges meghúzási nyomatékot nagyban befolyásolja mind a csavarok anyagának szilárdsága, mind a menetek és a felfekvő felületek súrlódása. A felületek súrlódását az egymáson felfekvő felületek anyaga (bevonatai), felületi érdessége, kenése és tisztasága és a csúszás sebessége is befolyásolja. A kézi meghúzás becsült meghúzási nyomaték (valamekkora karon kifejtett erő), vagy szögelfordítás alapján történik. Ezek számítási összefüggéseit később ismertetjük.
11. ábra: Imbusz (belső kulcsnyílású) kulcskészlet
A kézi meghúzás tekinthető az összes meghúzási módszer közül a legbizonytalanabbnak. Gyakorlott szerelők is hajlamosak az M8-asnál kisebb csavarokat túlhúzni, az ennél nagyobbakat pedig nem kellő mértékben meghúzni. A kézi meghúzás teljesen nem küszöbölhető ki. Ha a kereket egy gépjárművön út közben cserélni kell, akkor legfeljebb egy kerékkulcs áll a csavarmeghúzáshoz rendelkezésre. Ha nem húzzák meg elegendő mértékben a kerékcsavarokat, akkor menet közben meglazulhatnak, ami akár a kerék leesését is eredményezheti, ha pedig túlságosan meghúzzák a csavart az a csavar és a keréktárcsa tönkremeneteléhez vezet. A meghúzószerszámok karját csőtoldatokkal meghosszabbítani nem szabad, egyrészt a szerszámok eleve úgy vannak kialakítva, hogy az eredeti karhosszon kifejthető nyomatéknak feleljenek meg, másrészt hogy alkalmasak legyenek a csavarok megfelelő meghúzására. Tehát csőtoldat használata könnyen mind a meghúzószerszám, mind a csavarkötés tönkretételét okozhatja! Tevékenység: Jegyezze meg a nyomatékrahúzás jellemző szerszámát! Tanulja meg a nyomatékrahúzáshoz szükséges eszközöket! Gyűjtse ki és tanulja meg a csavar nyomatékrahúzásánál fellépő tipikus hibákat! 5. 2. Nyomatékrahúzás Nyomatékrahúzásnál a csavar meghúzási nyomatékát egy nyomatékkulcs biztosítja. A nyomatékkulcs (12. ábra) a beállított határnyomaték elérésekor kattanó jelzést ad.
12. ábra: Nyomatékkulcs A módszer alkalmazásához nem csak nyomatékkulcsra van szükség, hanem a szükséges meghúzási nyomatékot meg is kell előzetesen határozni. A meghúzási nyomaték a csavarmenet meghúzási erőegyenlete (6) alapján számítható. A (6) egyenlet erői a csavarmenet d2 középátmérőjén ébrednek és a meghúzási nyomatéknak ezen a két tényezőn (menetsúrlódás és a csavar megnyújtása) kívül le kell győznie a csavarfej alatti súrlódást is, ahol a csavarban ébredő F hosszirányú erő ellenereje ébred. p d cos d d f f 2 2 2 M F p meghúzási 2 2 1 cos d 2 2
Ahol df f
(8)
a fej alatti súrlódás középátmérője (karja) a fej alatti súrlódás súrlódási tényezője.
A nyomatékrahúzás a súrlódás nagy bizonytalansága miatt pontatlan. A súrlódást sok tényező befolyásolja: az egymáson elcsúszó felületek anyaga, a felületek érdessége, a kenőanyag
(tulajdonságai, megléte, hiánya), a mozgás sebessége. Mivel a nyugvó súrlódás jóval nagyobb, mint a mozgási, ezért folytonosan mozgatva kell a meghúzást végezni. Ha a nyomatékkulcs „lekattanása” előtt röviddel meg kell állni – pl. azért, mert fogást kell váltani – akkor az újrahúzás előtt a csavart vissza kell lazítani. Viszont annak is fennáll a veszélye, hogy a többszöri „utánkattingatás” bár ugyanarra a nyomatékra történik, mégis túlhúzza a csavart. A csavar meghúzottságát – viszonylag pontatlanul – az oldási, illetve a továbbhúzási nyomaték mérésével lehet ellenőrizni. A továbbhúzási nyomaték összefüggése csak abban különbözik a meghúzási nyomaték összefüggésétől, hogy a súrlódási tényezők a csúszási helyett a nyugalmiak. Az oldási nyomaték összefüggésében a csavarerő lejtőirányú összetevője segíti a lazítást, viszont a súrlódás éppúgy fékezi, mint a meghúzásnál. A súrlódási tényezők a lazítás megindításánál a nyugvó súrlódásiak, majd a mozgás megindulása után a csúszók. p d d cos d f f 2 2 2 M F p oldási 2 2 1 cos d 2 2
(9)
Tevékenység: Tanulmányozza a 13. ábrát! Figyelje meg a száraz és a kent csavarok meghúzási nyomatékának változását a csavarerő függvényében! Gyűjtse ki a görbékről leolvasható jellemzőket! Rajzolja le a diagramot! A 13. ábra diagramjai a száraz (piros) és kent (kék) M12x1,75-ös csavarok meghúzási nyomatékát mutatják a csavarerő függvényében (vastag: össznyomaték, vékony: a meghúzási nyomatéknak a menetsúrlódásra eső része, pontvonal: a meghúzási nyomatéknak a fej alatti súrlódásra eső része). Ezek mért diagramok. 2-szer 3 összetartozó görbe látható a diagramban: a meghúzási nyomaték görbéje és a menet- és a fej alatti súrlódás legyőzéséhez szükséges nyomaték görbéje. Amennyivel kevesebb a két súrlódási nyomaték összege, mint az eredő súrlódás, akkora nyomaték jut a csavar nyújtására. A csavar nyújtására maradó hasznos nyomaték az összes nyomaték csupán kb. 15 %-a. A görbékből a következők állapíthatók meg: - kent csavarnál sokkal kisebb nyomatékkal nagyobb csavarerőt lehet elérni, - a meghúzási nyomaték egyenesen arányos a csavarerővel, a menetsúrlódás és a fej alatti súrlódás nyomatékával, az arányossági tényező a súrlódási ellenállás, - a meghúzást a száraz csavarnál 55 és 68 Nm-nél, kent csavarnál 28 Nm-nél megszakították (pl. átfogtak), - a meghúzási folyamat megszakítása esetén a továbbhúzáshoz nagyobb nyomatékra van szükség, mint amekkora a megszakítás pillanatában hatott (mivel ebben az esetben a csúszó helyett az ennél nagyobb nyugvó súrlódás hat), - a nyugvó súrlódás és a csúszó súrlódás között kisebb a különbség kent csavarnál, - a fej alatti súrlódást a kenés (ebben az esetben) nem csökkentette le.
A diagramból a fenti összefüggéssel a következő súrlódási tényezők számíthatók: menet száraz kent
nyugvó 0,155 0,053
csúszó 0,14 0,05
fej alatti száraz kent
nyugvó 0,04 0,033
csúszó 0,05 0,05
160 140 nyomaték Nm
120 100 80 60 40
20 0 -20
0
20
40
60
80
csavarerő kN
13. ábra: Száraz és kent csavarok meghúzási nyomatékának lefutása a csavarerő függvényében Tevékenység: Jegyezze meg adott előfeszítőerő eléréséhez szükséges szögelfordulás meghatározásának az elvét! Tanulja meg a szögelfordításra történő csavarmeghúzás során fellépő hibák okát! 5. 3. Csavarmeghúzás szögelfordítás alapján Ha az előfeszített csavarkötést egy bizonyos szöggel tovább húzunk, akkor a továbbhúzás hatására az eredő deformáció (csavar nyúlása és az összeszorított részek összenyomódása) úgy fog a menetemelkedéshez aránylani, mint ahogy az elfordítási szög aránylik a 360 fokhoz (mivel az elfordítás és a tengelyirányú elmozdulás egyenesen arányosak). Ez az eredő deformáció a csavarkötés eredő merevségének megfelelő előfeszítőerő-növekedést okoz. Ennek alapján egy adott előfeszítőerőből kiindulva ehhez képest bármely más előfeszítőerő eléréséhez szükséges elfordítási szöget meg lehet határozni a menetemelkedés ismeretében. A módszer előnye, hogy szögmérésen alapul és nem függ a súrlódástól. Problémát az jelent, hogy a kiindulási állapotot csak egy bizonyos pontossággal tudjuk elérni, tehát a módszer pontosságát egyrészt a szögmérés pontossága, másrészt a kiindulási állapot elérésének pontossága együtt határozzák meg. Általában egy adott kis értékű meghúzási nyomatékszükséglettel definiálják a szögrehúzás kezdőpontját, gyakorlatilag azt a pontot célszerű minél jobban megközelíteni, ahol a csavar “üres“ behajtása véget ér - akkor is le kell
győzni egy kis ellenállást, ha a csavar még nem feszül - és a nyomatékgörbe az elfordulás függvényében elkezd meredeken emelkedni. Tulajdonképpen ez is nyomatékmérés, csupán amiatt pontosabb, mint a csavarok nyomatékrahúzásánál, mert abszolút értékben a nyomaték is jóval kisebb, így az abszolút hiba is kisebb (ha ugyanolyan pontos eljárást feltételezünk). Tevékenység: Tanulmányozza a 14. ábrát! Figyelje meg, hasonlítsa össze a meghúzási nyomaték és a csavarerő görbe alakját a szögelfordítás függvényében! Rajzolja le a diagramot!
M (Nm) 150
F (kN) 70
nyomatékgörbe
60
erõgörbe
100 50 40 30
50 20 10
kalibrálási érték 0
20
40
60
80
100 120
140
szögelfordítás (fok) 14. ábra: A meghúzási nyomaték és a csavarerő a csavar szögelfordításának függvényében Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Jegyezze meg a hengerfejcsavar meghúzásának lépéseit! Indokolja a meghúzás algoritmusát! Például: egy személygépkocsimotor hengerfejcsavarjainak meghúzására használják azt a módszert, hogy először meghúzzák a hengerfejcsavarokat 30 Nm nyomatékra, majd 90-kal továbbhúzzák. Ezután hagyják kb. fél órát „ülepedni” a csavarkötést, majd megint húznak a csavarokon 90-ot. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Írja fel/jegyezze meg a szükséges szögelfordulást meghatározó összefüggést! Tanulja meg a szögelfordításra történő csavarmeghúzás előnyeit!
A szükséges szögelfordulás (fokban) a következő összefüggéssel határozható meg: A R l l 360 (10) p Ecs A E Aösszeszorított Ahol: R A Aösszeszorított p Ecs E
a csavar rugalmassági határa (a 20 %-os maradó nyúláshoz tartozó húzófeszültség) csavarszár keresztmetszete az összeszorított részek deformálódó keresztmetszete (pl. gyűrű) menetemelkedés csavar rugalmassági modulusa az összeszorított részek rugalmassági modulusa
Mivel a szögelfordulás viszonylag kis ráfordítással mérhető, ezért ez a módszer nem sokkal költségesebb, mint a nyomatékra húzás, de nagyobb pontosságú. Tevékenység: Kövesse végig a számítási példa lépéseit! Értelmezze a lépéseket, az eredményeket! Számolási példa: Egy belsőégésű motor M10x1-es és 10.9-es anyagminőségű hengerfej-leszorítócsavarját először 25 Nm nyomatékra húzzák, majd a terhelhetőségének a 90 %-ra szögelfordítás alapján húzzák meg. Mekkora szöggel kell még a nyomatékra húzás után továbbforgatni a csavart? A nyomatékrahúzás összefüggéséből meghatározható, hogy a csavart 25 Nm nyomatékra meghúzva mekkora húzóerő keletkezik a csavarban: M
F
meghúzási p cos d d d 2 f f 2 2 p 2 2 1 cos d 2 2
ahol menetsúrlódás µ 0,04 fej alatti súrlódás µf 0,05 menet középátmérő d2 9,268 fej alatti súrlódás karja df 14 Ezekkel az értékekkel a csavarerőre F = 35 333 N adódik.
(11)
mm mm
A csavar magátmérője d3 = 8,596 mm, tehát a csavar húzott keresztmetszete: A = 58,03 mm2 . A csavarban ébredő húzófeszültség a nyomatékrahúzás következtében: = 608,8 N/mm2. A csavar szögelfordításra húzásának (10)-es összefüggéséből meghatározható, hogy mekkora szögelfordításra kell meghúzni a csavart ahhoz, hogy a terhelhetőségének 90 %-ra legyen előfeszítve - ez a feszültség R = 0,9 * 0,9 * 1000 N/mm2 = 810 N/mm2.
l l A R l bl hf 360 p E cs A E bl A bl E hf A hf
A képletben szereplő tényezők: csavarkeresztmetszet húzófeszültség csavar nyúlási hossza motorblokk összenyomódó hossza hengerfej összenyomódó hossza csavar rugalmassági modulusa motorblokk rugalmassági modulusa hengerfej rugalmassági modulusa a motorblokk deformálódó keresztmetszete a hengerfej deformálódó keresztmetszete
A R l lbl lhf Ecs Ebl Ehf Abl Ahf
(12)
58,03 810 40 10 30 210000 190000 70000 58,03 174,1
mm2 N/mm2 mm mm mm N/mm2 N/mm2 N/mm2 mm2 mm2
Ezekkel az értékekkel a 810 N/ mm2 feszültséghez 112,55-ra kell a csavart meghúzni, a 25 Nm nyomatékrahúzáskor keletkező 608,8 N/ mm2 feszültséghez pedig 84,6-ra kell a csavart meghúzni. Tehát a nyomatékrahúzás után még 112,55 - 84,6 = 27,95-kal kell a csavart tovább húzni. Tevékenység: Tanulja meg a maradó nyúlásra húzás jellemzőit! Tanulja meg a maradó nyúlásra húzás lépéseit, technológiáját! 5. 4. Maradó nyúlásra húzás Pontatlanabb fogalmazással nyúláshatárra húzásnak is nevezik ezt a módszert. A csavart 20 %-os maradó nyúlásra húzzák. Az előzőekben már tárgyaltuk, hogy a csavarerő és a csavar meghúzási nyomatéka hogyan függ össze. Ha az összes tényezőt (súrlódás, merevség, geometria) állandónak tekintjük, akkor a csavarerő és a meghúzási nyomaték között lineáris az összefüggés. Mivel a csavarerő és a csavar megnyúlása közti összefüggést a csavar anyagának szakítódiagramja adja, ezért a csavar megnyúlása és a meghúzási nyomaték közt is a szakítógörbének megfelelő összefüggés lesz. Nagyszilárdságú csavarok anyaguk szerint is nagyszilárdságúak, tehát egy lineáris szakasszal indulnak, majd folytonosan görbébe mennek át, és egy maximum után visszahajlanak (szakadás).
Tevékenység: Tanulmányozza/rajzolja le a csavar szakítódiagramját! Értelmezze/tanulja meg a nyúlásbizonytalanság jellemzőit!
bizonytalanság 2
bizonytalanság 1
bizonytalanság 2 bizonytalanság 1
csavar megnyúlása 15. ábra: Csavar szakítódiagramja Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a maradó nyúlásra húzás megvalósításának jellemzőit, nehézségeit, előnyeit, hátrányait! Ha tehát addig húzzuk a csavart, míg túl nem jutunk a lineáris szakaszon, akkor valamennyi maradó alakváltozást is hozunk létre. Ehhez mérni kell a csavar nyúlását (pl. hosszváltozást) és a meghúzási nyomatékot egyszerre, ha a kettő differenciálhányadosa az állandó értéktől eltér, akkor kell megállítani a meghúzást. A módszer pontossága a nyomatékmérés és a nyúlásmérés pontosságától függ, valamint attól milyen gyorsan állítja le a vezérlőjel a folyamatot (vezérlés dinamikája). Ez a módszer igényes és drága, de nagy pontosságot lehet vele elérni. A módszer lényegét a 15. ábra kívánja szemléltetni: a vízszintes tengelyen a csavar nyúlása a függőleges tengelyen a csavarerő. A lineáris szakaszon ugyanakkora nyúlásbizonytalansághoz állandó erőbizonytalanság tartozik. A maradó nyúlás tartományában – ahol a csavar szakítódiagramja egyre jobban elhajlik az egyenestől – ugyanakkora nyúlásbizonytalansághoz egyre kisebb erőbizonytalanság tartozik. Ez teszi lehetővé, hogy a csavarerő szempontjából viszonylag pontosan húzzuk meg ezzel a módszerrel a csavart. Tevékenység: Tanulmányozza/rajzolja le a csavar maradó nyúlásra húzásánál a szögelfordulás és a csavarerő összefüggését szemléltető ábrát! Vajon a motor hengerfej csavarok megbontás után újra beépíthetők?
F (kN) 70
60
leállás
50 40 30 20 10
0
20
40
60
80
100
120
140
szögelfordítás (fok)
16. ábra: Csavar maradó nyúlásra húzásánál a szögelfordulás és a csavarerő összefüggése A csavarok nyúláshatárra húzása egy pontos és megbízható módszer, de két fontos problémája is van: egyrészt olyan drága csavarozóberendezés kell hozzá (ezek egyszerre érzékelik a csavar elfordulását és a meghúzási nyomatékot és avatkoznak be), amit általában csak motor-, vagy járműgyárak tudnak kellő mértékben kihasználni (szakszervízek sem), másrészt a nyúláshatárra húzott csavarokat csak egyszer szabad meghúzni. Ennek az az oka, hogy valamennyire belehúzzák a csavart a maradó nyúlás tartományába, ami viszont a szakadási határig véges, tehát kimerül. Az ilyen módszerrel meghúzott csavarokat lazítás után újakra kell cserélni! Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Tanulja meg a csavar meghúzás emberi határait! Gyűjtse ki és tanulja meg az ütvecsavarozó működési jellemzőit! 5. 5. Meghúzás ütvecsavarozóval 1 Majdnem mindegyik csavarmeghúzási módnál szerepel a meghúzási nyomaték. Ezt a nyomatékot pedig csak akkor tudjuk kifejteni, ha ennek ugyanekkora ellennyomaték ellen tart. Kézzel pl. nem lehet egy csavart nagyobb nyomatékra meghúzni, mint amekkorát a dolgozó egyáltalán ki tud fejteni. A kifejthető nyomaték pl. a villáskulcsra húzott csőtoldattal maximum kb. megötszörözhető, de ez nem elfogadható megoldás. Többorsós csavarbehajtók, amelyek egyszerre több csavart húznak meg, erőhatás szempontjából kifelé semlegesek, mivel az egyes orsók egyidejűleg meg is támasztják a berendezést. Különben a csavarbehajtóknál külön megtámasztásról kellene gondoskodni. Ha viszont a meghúzási nyomatékot sok gyors és apró impulzus formájában fejtjük ki, akkor a berendezés tömegtehetetlensége miatt nem keletkezik reakcióerő. Ha valakinek még nem lett volna a kezében villamos, vagy pneumatikus ütvecsavarozó, az a normál csavarbehajtóhoz képesti különbségről fogalmat alkothat annak alapján, hogy mennyivel hatékonyabb betonfúrásnál az ütvefúró, mint az egyszerű fúrógép. 1
Impulzusos csavarozónak is nevezik
Tevékenység: Tanulja meg az ütvecsavarozás előnyeit és hátrányait! Jegyezze meg kerékcsavaroknál az alkalmazás helyes algoritmusát! Termelékenység, egyszerűség és a dolgozó kímélése szempontjából is kedvezőek az ütvecsavarozók, de éppen azért, mert ennyire letompítják a reakcióerőt, ezért nehéz ezzel a módszerrel a csavarban ébredő erőt szűk határok közt tartani, ez az egyik legpontatlanabb módszer, de ezzel szemben gyors és kényelmes. Célszerű alkalmazása például jármű kerékcsavarjainál a következőképpen lehetséges: a kerékcsavarok gyors, de pontatlan meghúzása ütvecsavarozóval és nyomatékhatárolóval, majd a csavarok visszalazítása fél fordulattal és végül nyomatékra húzás nyomatékkulccsal (ez a két utolsó művelet egy-egy rövid mozdulat a nyomatékkulccsal). Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Tanulja meg a szabványos csavarmenetek önzárási tulajdonságát és ennek következményét! 6. Csavarkötések lazulás elleni biztosítása A szabványos csavarmeneteknek akkora a menetemelkedésük, hogy önzáróak. Ez azt jelenti, hogy acél kötőcsavarok (a csavarokon alkalmazott bevonatokkal, vagy anélkül), acél vagy alumínium anyamenetekkel kapcsolódva, a menetfelületek szokásos megmunkálását feltételezve (kötőcsavarok meneteit nem szokták köszörülni) – ez a felületi érdességet és ezen keresztül a súrlódási tényezőt befolyásolja – akár kent, akár kenetlen állapotban sem lazulnak meg maguktól. Ez azt jelenti, hogy a megfelelően meghúzott csavart elvileg nem kell biztosítani. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Keresse vissza a hengerfej csavarok meghúzásának az algoritmusát (szögelfordulásra történő meghúzás), vesse össze ezt a meglazulásról leírtakkal! Gyűjtse ki a csavarkötés hatásait, az anyagban fellépő folyamatokat! A csavarkötés meglazulásában fontos szerepet játszik, hogy a meghúzás után a kötésben az összes olyan felületen, ahol a szorítóerő átadódik az anyagok kúszása miatt az egymáson érintkező helyi kiemelkedések megfolynak. Ez a folyamat a meghúzást követő rövid idő elteltével lelassul és megáll, ahogy az érintkezés egyre nagyobb felületre terjed ki. A kúszás miatt egy bizonyos „ülepedés” figyelhető meg a kötésben. Az ülepedés azt jelenti, hogy a csavar és az összeszorított részek deformációja és ezzel a szorítóerő lecsökken, a csavar „enged”. Ezt a folyamatot a deformációk és a csavarerő háromszögdiagramján a 17. ábra szerint lehet követni. Tevékenység: Tanulmányozza/rajzolja le a „csavarerő csökkenését az ülepedés következtében” bemutató diagramot! Tanulja meg a meghúzás szabályát!
erő kezdeti csavarerő
maradó erő
erőveszteség csavar megnyúlása
ülepedés összeszorított részek összenyomódása
17. ábra: A csavarerő csökkenése az ülepedés következtében A csavart az ülepedés figyelembevételével kell meghúzni, annyival jobban kell meghúzni, hogy az ülepedés bekövetkezése után elegendő feszítőerő maradjon. Tevékenység: Tanulja meg, hogyan lehet a csavarbiztosításokat más megoldásokkal kiváltani! Az összes csavarkötések viszonylag kis része az, aminek a biztosításáról a meghúzáson kívül gondoskodnak. Példák olyan csavarkötésekre, amelyek bár mind az igénybevételük (szélsőségesen változó lengő terhelés), és a szerepük alapján is meghatározóak, mégsem biztosítják külön: járművek kerékcsavarjai, motorban a hajtókar, a főcsapágy, vagy a hengerfej csavarok. Ezeknél a csavarkötéseknél a kötésben résztvevő elemekkel és a meghúzási módszerrel szemben támasztanak sokkal szigorúbb pontossági követelményeket és ezzel lehet a külön csavarbiztosítást megtakarítani. Tevékenység: Korábbi tanulmányai alapján gyűjtse össze, írja le a tanult csavarbiztosítási eljárásokat!
18. ábra: Koronás anya biztosítása sasszeggel
Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki és tanulja meg a jellemző biztosítási eljárásokat, előnyeiket, hátrányaikat! Keressen szakkönyvekben, interneten csavarbiztosítási megoldásokat! A 18. ábra szerint segédelemmel biztosítják a koronás anyát (sasszeggel), a csapágyanyát (alátétlemez felhajtott fülével), a lemezes csavarbiztosításnál az alátétlemezt hajlítják fel a csavarfej oldalához (19. ábra).
19. ábra: Csavarfej elfordulás elleni biztosítása lemez felhajlításával Huzallal is lehet az elfordulás ellen a csavarokat biztosítani – ügyelni kell a huzalozásnál a csavarok meghúzási/lazulási forgásirányára). Ezek a segédelemes biztosítások ma korszerűtlennek számítanak, főleg a nagy szerelési munkaráfordítás miatt.
20. ábra: Csapágyanya biztosítása az orsómenet deformálásával Lehet biztosítani a csavart a menetek deformálásával is (20. ábra). Az ellenanyás biztosítás a biztosítóerővel csökkenti a terhelhetőséget és mind a többlet biztosítóanya, mind a bonyolult meghúzás miatt problémás az alkalmazása. Terhelésre igénybevett csavarkötések biztosítására egyre ritkábban használják. A biztosítóanya lehet laposabb is, mint a teherhordó anya, mivel ezen csak a biztosítóerő ébred. A kötésben a külső anya viseli mind a csavarkötés szorítóerejéből, mind a biztosítóerőből összeadódó terhelést, ha tehát két különböző magasságú anya van, akkor a magasabbnak kell kívül lennie. Személygépkocsiknál ellenanyával általában beállítócsavarokat biztosítanak (pl.: nyomtávállító csavar, vagy szelephézag állító csavarja).
21. ábra: Nyomtávbeállító csavar biztosítása ellenanyával A rugós alátét az általános gépészetben (pl. háztartási berendezéseknél) gyakran használt, a járműiparban inkább csak a segédberendezéseknél előforduló csavarbiztosítási megoldás. Az orros rugós alátét nemcsak a rugalmasságával, hanem alakzárással is biztosít. Vannak olyan műanyagbetétes anyák, amelyeknél a műanyagbetét feszíti úgy rugalmasan a menetet, hogy ne forduljon el (csak nehezen) az anyag.
22. ábra: Műanyagbetéttel biztosított anya A menetekre felvitt ragasztóval is lehet csavarkötést biztosítani. A ragasztó zártan és nyomás alatt, tehát a meghúzás után köt.
23. ábra: Csavarmenetre felvitt ragasztó a csavarbiztosításhoz Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Kövesse végig a csavarkötés méretezésének az algoritmusát! Jegyezze meg a főbb (6) lépéseit! Gyűjtse ki és tanulja meg a szükséges összefüggéseket! 7. Csavarkötések méretezése A csavarkötések méretezése rendkívül összetett feladat, ennek egyszerűsített módszerét a VDI 2230 szerint tárgyaljuk. (VDI: Verein Deutscher Ingenieure: Német Mérnökszövetség) A VDI 2230: Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen (Nagy igénybevételű csavarkötések rendszerezett méretezése) nem szabvány, hanem egy olyan irányelv, ami a gépészetben nagy múltú és széles körűen elfogadott. Elérhetősége a Beuth Verlag (Német Szabványkiadó) keresztül lehetséges. I. A csavarméretezés a csavar üzemi erejének meghatározásával kezdődik. Nem csak az eredő F üzemi erőt, hanem annak hossz- és keresztirányú összetevőit is meg kell határozni. Az üzemi erők meghatározása maga is bonyolult feladat. Az egyszerűség kedvéért a továbbiakban csak egy hosszirányban ható F üzemi terheléssel számolunk. Az üzemi terhelésből határozzuk meg a szükséges feszítőerőt. Ez a feszítőerő szükséges ahhoz, hogy pl. csavarral feszített kúpos tengelykötésnél az elmozdulás megakadályozásához szükséges súrlódási erőt biztosítsa. Hengerfejcsavaroknál a szükséges előfeszítőerő annyira szorítja össze a tömítést, hogy az égéstér nyomása ne hatolhasson át rajta. A szükséges feszítőerő legalább annyival nagyobb, mint az üzemi erő, mint amekkora a meghúzás utáni ülepedés erővesztesége. Ezen felül figyelembe lehet még venni 20-50-100….%-os biztonsági tartalékot is. Annál nagyobb biztonsági tartalékot kell választani: minél nagyobb biztonságot kell elérni, illetve minél nagyobb akár a terhelés, akár a konstrukció, akár a csavarkötés elemeinek gyártási, vagy a meghúzási módszer bizonytalansága.
II. A következő lépés a csavarmeghúzási módszer megválasztása, mivel ennek is meghatározó jelentősége van a csavarkötés méretezése szempontjából. A különböző csavarmeghúzási módszer különböző meghúzási tényezők értelmezhetők, amelyek a meghúzási módszer pontosságát fejezik ki. A meghúzási tényező
F
max
(13)
F
min egy bizonyos meghúzási módszernél a lehetséges legnagyobb és a lehetséges legkisebb csavarerő hányadosa. Igényesebb csavarmeghúzási módszerek esetén kisebb a csavarerő szórása, mint durvább módszereknél. Ahhoz, hogy a kötésben a szükséges feszítőerő rendelkezésre álljon a csavart a maximális erőre kell méretezni. (14) F max Az alapvető csavarmeghúzási módszerek meghúzási tényezőit a következő táblázat tartalmazza.
F
meghúzási tényező A (1)
meghúzási módszer
megjegyzések
nyúláshatárvezérelt gépi meghúzás
Az előfeszítőerő szórását elsősorban a felhasznált csavarok nyúláshatárainak szórása határozza meg. A csavarokat Fmin-re méretezik; ezért az A meghúzási tényező kiesik ennél a módszernél. A zárójeles értékek a következő meghúzási módszerek pontosságával való összehasonlíthatóságot teszik lehetővé
(1)
meghúzás a szögelfordulás alapján kézzel, vagy géppel meghúzás a hitelesített (bemért) csavar hosszváltozása alapján
1,2
bonyolult eljárás, csak nagyon korlátozottan alkalmazható
1,4-től 1,6-ig
nyomatékvezérelt meghúzás nyomatékkulccsal, vagy dinamikus nyomatékméréses precíziós csavarbehajtóval. A szükséges nyomaték kísérleti meghatározása az eredeti csavarkötés elemeivel, pl. a csavar megnyúlása alapján.
kisebb értékek nagyobb számú (20) beállítási ill. ellenőrzési mintáknál, ha a leadott nyomaték szórása kicsi, Elektronikus vezérlésű precíziós csavarbehajtóknál
1,6-tól 1,8-ig
nyomatékvezérelt meghúzás nyomatékkulccsal, vagy dinamikus nyomatékméréses precíziós csavarbehajtóval. A szükséges nyomaték meghatározása a súrlódási tényező becslésével (a felületek állapota és a kenési viszonyok) nyomatékvezérelt meghúzás csavarbehajtóval. a csavarbehajtót az utánhúzási nyomaték alapján beállítva impulzusvezérlésű ütvecsavarozó. A csavarbeható beállítása az utánhúzási nyomaték alapján, mint fent.
kisebb értékek: - pontos nyomatékkulcs pl. mérőórás - egyenletes meghúzás - precíziós nyomatékkulcs nagyobb értékek: jeladós, vagy csuklós nyomatékkulcs
1,7-től 2,5-ig
2,5-től 4-ig
Kisebb értékek: - kis elfordítási szögek esetén, tehát viszonylag merev kötéseknél - relatív lágy felfekvésekre - olyan felfekvő felületekre, melyek nem hajlamosak a berágódásra pl. foszfátozott nagyobb értékek: - nagy elfordítási szögekre tehát lágy kötésekre és finommenetre - ha a felfekvő felület kemény és érdes - alakhibák esetén
kisebb értékek: - nagyszámú ellenőrzésre - csavarbehajtó kupplunggal
kisebb értékek: -ha nagyszámú beállítási kísérlet van (utánhúzás) - a csavarjelleggörbe vízszintes ágán - játékmentes impulzusátvitelnél
III. A méretezés következő lépése a csavar szilárdsági osztályának megválasztása. Ennél többféle szempontot kell figyelembe venni, pl.:
- minél nagyobb a feszítőerő, annál nagyobb a meneteken és a fej felfekvésénél a határfeszültség - minél nagyobb a szilárdsági osztály, annál nagyobb a rideg törés veszélye - minél jobban ki akarjuk használni a szakítószilárdságot, annál pontosabb meghúzási módszert is kell alkalmazni stb. A csavarok szakítószilárdságát legfeljebb 90%-ig szabad kihasználni. IV. A csavarkötés geometriai konstrukciójának (geometriai méretek) és a kötésben szereplő anyagok ismeretében meg kell határozni a csavar és az összeszorított részek merevségét. V. Ennek alapján háromszögdiagramja.
meghatározható
a
csavarkötés
erő-deformációjának
VI. A háromszögdiagram alapján lehet azt az erőt meghatározni, amit a meghúzáskor biztosítani kell ahhoz, hogy a kötésben a szükséges erő keletkezzen. A csavart erre a meghúzási erőre kell méretezni. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Kövesse végig a méretezési eljárást! Önállóan is végezze el a méretezést! 8. Számítási példa Vegyünk a példát a futómű csavarkötései közül. A 23. ábrán egy kormányzott kerék felfüggesztése látható. Tekintsük a 3 csavart, ami a kerékagyat a lengőkarhoz rögzíti és a kerékre ható erőket a lengőkar közvetítésével a karosszériára átviszi.
24. ábra: Kormányzott kerékagy rögzítése a lengőkarhoz 3 csavarral A 25. ábra a csavarkötés egyszerűsített rajzát és fő méreteit mutatja. Legyen követelmény, hogy a kerékagyat a lengőkarral 60 kN erővel kell összeszorítani. Feltételezzünk a kötésben 10 %-os ülepedést és alkalmazzunk 20 %-os biztonsági ráhagyást.
kerékagy
F 12
lengőkar F M10
25. ábra: Kormányzott kerékagy rögzítése a lengőkarhoz 3 csavarral, egyszerűsített rajz Ennek alapján az egy csavarra jutó szükséges szorítóerő: Fmin =1,1 1,2 60 kN / 3 = 26,4 kN
Meghúzási módszernek válasszuk a nyomatékrahúzás precízebb változatát és vegyük alapul a nyomatékrahúzás közepes meghúzási tényezőjét: = 1,5 Ebből Fmax = Fmin
= 39,6 kN
A szilárdsági osztály megválasztása: Terhelhetőség: Méretválasztás: Menet magátmérője: Menet magkeresztmetszete: Maximális csavarerő:
12.9 1080 MPa M10 8,033 mm 50,681 mm2 54,736 kN
Ez a csavar (méret és anyag együtt) elvileg alkalmas a kötésre. Csavar és az összeszorított részek rugalmasságának meghatározása: Acél rugalmassági modulusa: Eacél = 205 000 MPa Feltételezzük mind a kötőcsavarokra, mind az összeszorított részekre ugyan azt a rugalmassági modulust. A csavar keresztmetszete annyival nagyobb, mint a magátmérőből számítható, hogy a magátmérő spirálisan, tehát nem egy metszetben jelentkezik. Tehát ha a magkeresztmetszettel számolunk, akkor annál a tényleges merevség valamivel (néhány százalékkal) nagyobb lesz. Nagyobb a bizonytalanság az összeszorított részek deformálódó keresztmetszetének maghatározásánál, mivel nem egy határozott geometriájú gyűrűről van szó, hanem két – a csavarok felfekvő felületéhez képest – nagy kiterjedésű alkatrészt szorítunk össze. Feltételezzük egyszerűsítve azt, hogy a deformálódó keresztmetszet egy 11 mm-es belső és egy 15 mm külső átmérőjű gyűrű. Deformálódó gyűrűkeresztmetszet: A gyűrű = 81,68 mm2 Az összeszorított részek merevsége a csavar merevségének 1,67-szerese. A 26. ábra szerint a következőképpen határozható meg a csavar meghúzásakor biztosítandó csavarerő az üzemi terhelésből és a csavar és az összeszorított részek merevségéből. Vezessük be a következő jelöléseket: Üzemi erő: Fmax = 39,6 kN Meghúzási erő: Fm = ? kN A csavar megnyúlása meghúzáskor a = ? mm Az összeszorított részek összenyomódása meghúzáskor b = ? mm
erő üzemi terhelés meghúzási erő csavar megnyúlása
összeszorított részek összenyomódása
26. ábra: A meghúzási erő meghatározása az üzemi terhelésből és a kötés merevségéből
F
m a
A csavar merevsége:
F Az összeszorított részek merevsége:
A merevségek arányából következik, hogy:
m b
a = 1,67 b
A hasonló derékszögű háromszögekből következik:
F F
m
a 1,67b 1,67 0,626 a b 1 1,67 b 2,67
max
A meghúzási erő:
Fm = 24,8 kN
A csavar meghúzásához szükséges meghúzási nyomaték meghatározása Összefüggés a csavarerő és a meghúzási nyomaték között, a meneteken és a fej felfekvő felületén is száraz súrlódást feltételezve: p d cos d d f f 2 2 2 M F p meghúzási 2 2 1 cos d 2 2
A fej alatti súrlódás karja (átmérője): A fej alatti súrlódás tényezője: Menet középátmérője: Menetemelkedés: Menetsúrlódás: Profilszög:
df = 13,5 mm f = 0,14 d2 = 8,93 mm p = 1,5 mm = 0,14 = 60
A meghúzási nyomaték értéke:
Mmeghúzási = 47,4 Nm
A meghúzási nyomaték képletébe a meghúzási erő helyett a maximális csavarerőt helyettesítve azt a legnagyobb meghúzási nyomatékot kapjuk, ami fölött már a csavar nagy valószínűséggel el fog szakadni. Legnagyobb meghúzási nyomaték
Mmax = 101 Nm
A meghúzási tényező, ami a meghúzás bizonytalanságát figyelembe véve kapjuk az a nyomatékot, ameddig meghúzva a csavart biztosan nem szakad el. A meghúzási tényező a legnagyobb és a legkisebb csavarerő arányát fejezi ki és ha azt feltételezzük, hogy a meghúzási nyomaték és a csavarerő között lineáris az összefüggés, akkor a biztonságos meghúzási nyomatékot úgy kapjuk, hogy a maximális nyomatékot elosztjuk a meghúzási tényezővel. A biztonságos meghúzási nyomaték:
Mbiztonságos = 67,3 Nm
Nagyon kell ezzel a száraz súrlódás feltételezésével kapott meghúzási nyomatékkal vigyázni, mert ha ugyanerre a nyomatékra kent állapotban húzzuk meg a csavart, akkor túl fogjuk húzni. Szerencsésebb esetben el is szakítjuk, mert akkor legalább észrevesszük, hogy túlhúztuk. Kevésbé szerencsésebb esetben a meghúzás még nem fogja elszakítani a csavart, csak az üzemi terhelésből fellépő többletterhelés. Ha pedig kent csavarra előírt meghúzási nyomatékra húzunk meg száraz csavart, akkor az nem lesz elegendően meghúzva, ami a csavar lazulásához vagy ahhoz fog vezetni, hogy az üzemi terhelés hatására tehermentesülnek az összeszorított részek. A segédletben ismertetett összefüggésekkel számolható még egy valamilyen csavarerőre meghúzott csavar továbbhúzási vagy oldási nyomatéka, és egy bizonyos előfeszítési nyomatékig meghúzott csavar továbbhúzási szöge egy bizonyos csavarerő eléréséhez.
