Experience the Difference!

Tiskové sdělení | www.arnold-umformtechnik.de | 1

Experience the Difference!

e Effercatmiv me Prog

Návrh závitotvorných šroubových spojů skříní z lehkých kovů pro velkosériovou výrobu v automobilovém průmyslu Skříně z lehkých kovů pro výrobu automobilů se standardně spojují metrickými šrouby. Projektanti se obvykle opírají o dlouhodobě získávané vědomosti a zkušenosti, v menší míře o simulace nebo normy, například VDI 2230. U uvažovaných typických oblastí použití pro součásti motorů a převodovek dochází ke kombinaci mechanického a tepelného namáhání.

vitotvornými šrouby generace TAPTITE 2000 ve třídě pevnosti 10.9 u slitin AlSi9Cu3.

Šroubové spoje u automobilových převodovek

120 100 Procent [%]

Abstrakt

15,8%

80 60,2% 60

60,2%

40 21,3% 20

Šrouby a šroubové spoje jsou sice technicky vysoce náročné, mnohdy jsou však považovány za podřadný prvek stroje a podle toho je s nimi při konstrukčním návrhu nakládáno. U typických aplikací v automobilových převodovkách jsou používány rozměry od M4 do M12 s různými délkami. Způsoby přenosu točivého momentu jsou voleny v souladu s návrhem převodovky a povrchových úprav, mnohdy podle požadavků zákazníka. Velký počet zákazníků vede tudíž často k širokému sortimentu šroubů, což se negativně projevuje v nákladech.

Na základě trvale rostoucích tlaků na snižování nákladů a skutečnosti, že spojovací prvky a jejich používání představují významný podíl na celkových výrobních nákladech, se odborníci snaží aplikovat inovační technologie, například spoje se závitotvornými šrouby. Ty mají nejen hospodářské, ale i technické přednosti. Při návrhu spoje se závitotvornými šrouby jsou určujícími faktory mimo jiné předpínací síla, bezpečnost proti uvolně ní, relaxace a schopnost opakovaného šroubování. Pro velkosériovou výrobu jsou podstatnými faktory schopnost montážního procesu a servisu.

Rostoucí tlak na snižování nákladů a studie nových koncepcí vedou také u technologií spojování k nasazení inovačních řešení. Jedním z nich je tvoření maticových závitů šroubem samotným.

Útvar Advanced Technology Engineering společnosti MAGNA Powertrain AG & Co KG, celosvě tově vedoucího výrobce rozvodovek, a produktový management společnosti ARNOLD Umformtechnik, vedoucího výrobce inteligentních spojovacích prvků v Evropě , společně vyvinuli koncepci pro zkoumání parametrů šroubových spojů tvořených zá-

Materiálové náklady na šrouby sice představují jen asi 0,5 % celkových nákladů na typickou převodovku 4x4, podíl výroby maticových závitů a k tomu náležející investice jsou však mnohem vyšší. Navíc poskytují maticové závity tvářené za studena technické přednosti z hlediska chování při vytahování a odolnosti proti otěru.

18,5%

24,0%

0 Metrický šroubový spojšroubový spoj se závitotvornými šrouby

Úspora Náklady na montáž Náklady na zpracování BAZ (výroba závitů) Materiálové náklady (šrouby) Obr. 1 Porovnání struktury nákladů

Pro zajištění procesně bezpečného šroubového spoje u velkosériové výroby je nutno brát v úvahu faktory ovlivň ující šroubový systém, výrobu a montáž. Navíc hraje roli cena produktu a technologie, kterou je nutno udržovat co nejnižší. Vícenáklady tvořené dodatečnými výdaji v procesu montáže a výroby nesmí snižovat úspory dosažené díky inovační technologii šroubování. Tabulka 1 ukazuje nejdůležitější parametry a jejich dopad na šroubové spoje.




Parametr

Požadavek

Působení na

Průměr otvoru pro závit

Velká tolerance

Schopnost montážního procesu Předpínací síla Možnost opakovaného šroubování

Otvor pro závit

Velké zkosení pro vyjímání z formy

Velká tolerance Trvanlivost licího nástroje Schopnost montážního procesu Předpínací síla Možnost opakovaného šroubování

Druh šroubu

Malý závitotvorný momentVelký rozdíl mezi závitotvorným momentem a momentem přetočení šroubuMalá hloubka zašroubováníKompatibilita s metrickými šroubyVelmi dobrá kvalita šroubů

Náklady Příznivé pro servis Schopnost montážního procesu Možnost opakovaného šroubování

Tabulka 1: Parametry pro návrh šroubového spoje lehkých kovů Šroubové spoje skříní z lehkých kovů při výrobě převodovek se dnes obvykle provádě jí metrickými šrouby. Projektování šroubového spoje se zpravidla provádí podle pravidel směrnice VDI 2230. Tu lze pro projektování závitotvorných spojovacích prvků použít jen v omezené míře. Důvodem je překrývání závitotvorného momentu a třecího momentu v závitu. Proto musejí být konstrukčně stanoveny následující požadavky: • minimální předpínací síla, • minimální moment pro povolení šroubu, • přípustné poklesy předpínací síly v důsledku relaxace, • požadavky na opakovanou šroubovatelnost v koordinaci se zákazníkem,

• definice maximálního přípustného závitotvorného momentu k zajištění montážní bezpečnosti. Pomocí statických pokusů se šroubovými spoji mohou být zkoušeny všechny důležité parametry šroubového spoje jak při prvním, tak při opakovaném sešroubování. Opakovaná sešroubování jsou nezbytně nutná, je však třeba dbát na to, aby utahovací momenty a tolerance otvorů pro závity byly vzájemně sladěny a nedocházelo k plastifikaci vytvořeného maticového závitu v případě opakovaného sešroubování. Rozsáhlé pokusy se zašroubováním s odpovídajícím mě řením předpínací síly (obr. 2) ukázaly, že lze dosáhnout relativně homogenního okna předpínací síly pro první i opakovaná zašroubování. Zvláštní výzvou při-

Obrázek 2 Statický pokus se šroubováním

tom je, aby mohly být na straně slévačů bez problémů dodrženy tolerance otvorů pro závity a konstrukční požadavky týkající se minimální předpínací síly, momentu povolení šroubu a montážní bezpečnosti byly splněny i při maximální a minimální toleranci, a to při prvním i opakovaném šroubování.




Porovnání předpínací síly šroub GF - šroub M

předpínací síla [KN]

Porovnání předpínací síly u 30 závitotvorných šroubů a metrických 25 šroubů 20 Kdyby se provedlo vyprojektování podle 15 VDI 2230 pro ocelové systémy, směrnice dostali bychom při koeficientu tření = 10 n = ruční šroubování 0,14, montážním momentu 34 Nm a pevn = 200 ot/min n = 350 ot/min

5 0

a

b

c

d

1

otvor pro závit

závitotvorný šroub

metrický šroub

nosti 10,9 předpínací sílu 24,2 kN. Obrázek 3 ukazuje, že u hliníkové slitiny AlSi9Cu3 a odpovídajícím dimenzování matic pro závitotvorné šrouby různých průměrů maticových závitů je předpínací síla rovna 2/3 velikosti podle smě rnice VDI. Je zde ovšem nutno brát v úvahu, že tento návrh je proveden pro procesně bezpečnou montáž. Procesně bezpečná montáž zde znamená, že struktura a geometrie odlitku materiálu pro matice je v oblasti otvoru pro závit v pořádku. Při zkoumání dosažitelných předpínacích sil s metrickými šrouby lze rozpoznat stejné tendence. Ani zde nelze procesně bezpečně dosáhnout předpínacích sil určených podle smě rnice VDI 2230.

převodovky ze slitiny GD-AlSi9Cu3 pomocí závitotvorných šroubů Taptite 2000 CE M8x40 - 10,9 ukázaly, že momenty povolení šroubů mají tendenci klesat s rostoucím počtem opakovaného zašroubování do předem vytvořených závitů. To názorně ukazuje obrázek 4. Při maximálním překrytí závitů bylo dosaženo o ně co vyšších momentů povolení než při minimálním překrytí. Na obrázku byly zkoumány otvory pro závity při maximální toleranci otvoru pro závity (minimální překrytí závitů), přesto bylo dosaženo pomě rně přijatelných momentů povolení.

Bezpečnost proti uvolnění - porovnání ML a MA Podle směrnice VDA 235 - 203 může být pomě r uvolň ovacího momentu (ML) k utahovacímu momentu (MA) od hodnoty ML/MA >0,4 pokládán za nekritický. Pokusy se šroubovým spojením skříně

Obrázek 3 Předpínací síla u metrických a závitotvorných šroubových spojů

0,66

MLB/MA [NM/NM]

0,64 0,62 0,60 0,58 0,56 0,54 0,52 0,50 0,48 0,46 MLB1/MA

MLB2/MA

MLB3/MA

MLB4/MA

Obr. 4 Poměr momentu povolení šroubu a utahovacího momentu

MLB5/MA




F [N] FVT0

Zvýšení předpínací síly v důsledku teplotního roztažení

Snížení předpínací síly v důsledku ochlazení

FPA

FV0

předpínací síla při dotažení

pokles předpínací síly

DFV=FV0-FVT

FVT

termický rozsah (Tpokus =120 °C)

ochlazování

T [°C]

zahřívání

čas (h)

Obr. 5 Zkouška pevnosti při kmitavém namáhání s teplotní křivkou

Ppokles předpínací síly

pokles předpínací síly v závislosti na provozní síle

provozní teplota

montážní předpínací síla - metrický montážní předpínací síla - GF

provozní síla

Obr. 6. Výsledek zkoušky pevnosti při kmitavém namáhání

Statická a dynamická relaxace Pomocí testů dynamické pevnosti při kmitavém namáhání pod vlivem teploty (-40 až +120 °C) je možno simulovat provozní zátěže. V důsledku odlišné tuhosti skříně převodovky dochází k rozdílnému rozdělení provozní zátěže na více šroubů. Obrázek 5 schematicky ukazuje

průbě h předpínací síly po dobu trvání zkoušky šroubového spoje, přičemž ve spodní části jsou znázorně ny průbě hy zahřívání a ochlazování. Dynamické pokusy ukázaly, že pokles předpínací síly ve šroubovém spoji zkoušeném při míjivém teplotním zatížení je nezávislý na provozní síle. Podstatné

pro pokles předpínací síly maticového závitu tvářeného za studena je aplikované teplotní zatížení pro určitou geometrii otvoru pro závit (překrytí závitů), přičemž krátkodobá střídavá teplotní zatížení nezpůsobovala žádné změ ny k horšímu. Výsledky zkoušky pevnosti při kmitavém namáhání podle obrázku 6 ukazují, že mezi metrickými a závitotvornými šrouby nejsou žádné významné rozdíly v poklesu předpínací síly pod vlivem teploty. Relaxace - dlouhodobá statická mě ření předpínací síly při střídání teploty poskytují vysvě tlení poklesu předpínací síly v důsledku teplotních vlivů. Na obrázku 7 byla skříň převodovky s vloženým teplotně stabilním senzorem předpínací síly sešroubována pomocí šroubů Taptite 2000 - CE M8x 65 a vystavena střídání teplot (podmínky teplotního šoku). Na základě zvolené velikosti rozlišení lze poznat rozptylová pásma předpínací síly.




20000

Definice maximálního přípustného závitotvorného momentu k zajištění montážní bezpečnosti

cyklus: 130 °C (asi 13 h) 2. cyklus: 30 °C (asi 8 h) 3. cyklus: 130 °C (asi 15 h) 4. cyklus: -30 °C (asi 9 h) 5. cyklus: 130 °C (asi 13 h) Výsledek: Měření 1 u RT: 19,3 kN max. FV n. 0,155 h: 19,9 kN Min. FV n. 40,87 h: 14,9 kN Poslední měření: n. 58,265 h: 16,7 kN

18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0

10

20

30

40

50

U závitotvorných šroubů by mě l být odstup mezi závitotvorným momentem a momentem přetočení co největší. Obrázek 8 ukazuje pokus s přetočením závitotvorného šroubu s kruhovým průřezem použitého u originální převodovky s vloženým senzorem předpínací síly. Ukazuje se zde velký závitotvorný moment (asi 30 Nm). Při utahovacím momentu MA o velikosti 34 Nm tak hrozí nebezpečí, že hlava při odpovídajícím rozptylu závitotvorného momentu nedosáhne dosedací plochy.

60

čas [h]

Obr. 7 Statická relaxace

60

20 18

50

16 14 12

30

10 8

20

6 4

10

2 0

0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

úhel [°]

60

30

50

25

40

20

30

15

20

10

10

5

0

0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

úhel [°]

Obr. 9. Test přetočení - závitotvorný šroub TAPTITE 2000 s trilobulárním průřezem

F V [kN]

Md/F V

Obr. 8. Test přetočení závitotvorný šroub s kruhovým průřezem

F V [kN]

Md/F V

40

Při dosažení maximálně přípustného závitotvorného momentu, který vyplývá z návrhu šroubového spoje, musí být nutně provedeno dodatečné zašroubování. Příliš vysoké závitotvorné momenty tak mají za následek vyšší podíly dodatečných prací při montáži a mechanická a tepelná přetížení montážních šroubováků. Ty vě tšinou nejsou při plánování montáže brány v úvahu, popřípadě nejsou žádoucí. Obrázek 8 dále ukazuje, že bylo dosaženo relativně malých předpínacích sil při MA = 34 Nm a malých hodnot trhacích sil při zlomení šroubu v důsledku zvýšených torzních napětí Obrázek 9 ukazuje tentýž pokus, ovšem se závitotvorným šroubem značky Taptite 2000, který má trilobulární (trojúhelníkový) průřez. Závitotvorné momenty činí kolem 12 Nm. I při odpovídajícím rozptylu závitotvorných momentů je zajiště no procesně bezpečné zašroubování s minimálním podílem dodatečných prací, přičemž je dosaženo i dostatečných předpínacích sil.




Shrnutí výsledků Výsledky zkoumání statických, kvazistatických testů ukázaly, že požadovaná předpínací síla závisí v podstatě na geometrii otvoru pro závit, geometrii šroubu a jejich tolerancích, a na stavech materiálů. Působením a kolísáním teploty dochází k plastickému tečení (creep), které má v závislosti na materiálu matice a šroubu různé vlivy na zbytkovou předpínací sílu. Například u ocelového šroubu v hliníkovém materiálu matice s typickými vyzkoušenými geometriemi je třeba počítat s poklesem předpínací síly asi o 1/3. Dynamické výsledky pod vlivem teploty ukázaly, že u ocelových šroubů a hliníkového materiálu matice je vliv provozní síly bezvýznamný. Použité provozní síly do 6 kN nevyvolaly žádné zvýšení poklesu předpínací síly. Tento zásadní výsledek umožnil zmenšení rozmě rů šroubů nejméně o jednu velikost, což se nikoliv nepodstatně projevilo na výrobních nákladech a celkové hmotnosti. Tolerance otvorů pro závity však zůstaly stejné!

Hlavní prvky optimalizace závitotvorného šroubového spoje lehkých kovů do litého otvoru pro závit: • Minimální rozměr šroubu je minimalizován na základě procesně bezpečného lití otvorů pro závit. • Tolerance lití musí být pro procesně bezpečná výroba otvorů pro závit a montáž co největší. • Hloubky zašroubování jsou na základě procesně bezpečné výroby otvorů pro závit a velké tolerance omezeny maximálně na 2,5xd.

Autoři

• Průměry dosedacích ploch hlav šroubů musí být stanoveny na základě maximálně dosahovaných předpínacích sil a pokud možno při použití normovaných standardních hlav šroubů. • Pro přenos točivého momentu na šroub by měly být za účelem úspory nákladů a snížení hmotnosti používány výhradně vnitřní geometrie. • Systém ochrany proti korozi je třeba přizpůsobit odolnosti proti otěru. • Nanášení kluzného činidla je třeba zvolit na základě kombinace použitých materiálů. • Je třeba provést optimalizaci chemického složení hliníkové slitiny za účelem dosažení příznivých tvářecích vlastností materiálu matice. • K dosažení procesně bezpečné montáže je třeba použít systémy šroubových spojů, které dosahují nízkých závitotvorných momentů a vysokých momentů přetočení. Zde se osvědčil systém s trilobulárním (trojúhelníkovým) průřezem dříku a profilem boku závitu s rádiusem (systém Taptite 2000). Díky dostatečnému odstupu mezi závitotvorným momentem a utahovacím momentem je dosahováno vyšších předpínacích sil. Mimo to se díky nízkým závitotvorným momentům dosahuje menšího rozptylu předpínací síly.

Thomas Jakob Arnold Umformtechnik

Christian Hinteregger Magna Powertrain

Váš partner Arnold Umformtechnik GmbH Co. KG Dipl. podnikový ekonom (FH) Michael Pult Vedoucí odd. Marketing a komunikace Tel.: 0049-(0)7947-821-170 Fax: 0049-(0)7947-821-111 E-mail: michael.pult @arnold.umformtechnik.de www.arnold-umformtechnik.de

Experience the Difference!

Recommend Documents