Ruuviliitoksen lujuus

Transkriptio

1 Ruuviliitoksen lujuus Ruuviliitos mitoitetaan osien välisen kitkavoiman perusteella. (F v F a ) > F q = 0,15...0,6 liitettävien osien välinen kitkakerroin F v = esikiristysvoima F a = aksiaalinen vetokuorma F q = liitoksen leikkauskuormitus Esikiristysvoima F v (kireys) ja tarvittava kiristysmomentti ovat taulukkotietoja [mm. Tekniikan taulukkokirja, 16p., s. 575] Ideana on se, että ruuvia kiristetään tiettyyn maksimimomenttiin ja sitä vastaa tietty esikiristysvoima.

2 Taulukko on laskettu kitkakertoimella =0,14 eli öljyttynä. =F M =M A [mm. Tekniikan taulukkokirja, s Genesis, 2008.]

3 Kiristysmomentti M A ja kireys F M M A = F M (0,16p + 0,58 G d 2 + K r m ) missä kireys F M löytyy edellisestä taulukosta, p = nousu, G = kierteen kitkakerroin, K = ruuvin kannan ja alustan välinen kitkakerroin, d 2 = kierteen kylkihalkaisija ja r m = (D K + D 1 )/4, missä D K = ruuvin kannan ulkohalkaisija ja D 1 = ruuvin reiän halkaisija. Ruuviliitoksissa käytettävä kireys F M on %:ia koekuormasta F Mmax, joka lasketaan seuraavan yhtälön perusteella. F Mmax = A s S P A s = jännitysala = (d 2 +d 3 ) 2 /16 S P = koejännitys [taulukko] Tällä menettelyllä varmistetaan ruuvin riittävä lujuus kuormituksen suhteen.

4 [Tekniikan taulukkokirja, s Genesis, 2008.] tekniikka/standardit SFS-EN ISO 898-1, sivu 22.

5 Nämä ovat koekuormia ja ovat suurempia kuin käytännössä sallitut kireydet!

6 Ruuviliitoksen staattinen ja dynaaminen kuorma Liitos mitoitetaan suhteen F v /F a perusteella. Oheisessa taulukossa on sille minimiarvot eri kuormitustilanteissa. Lujuusluokka Dynaaminen kuorma Staattinen kuorma 2,75 3,0 4,2 4,4 4,5 4,7 2,0... 3,5 2,0... 3,5 2,0... 3,5 2,0... 3,5 2,0... 3,5 2,0... 3,5 F v = esikiristysvoima F a = aksiaalinen vetokuorma

7 Ruuviliitoksen jouston laskeminen σ=f/a=e ε ε= /l eli =F l/e A [mm] 1. Ruuvin jousto r = [mm/n] = 0,8 d/(e A 0 )+ l 1 /(E A 1 )+ l 2 /(E A 2 )+ l 3 /(E A 3 ) Alustan jousto a = [mm/n] = l 1 /(E 1 A 1 ) + l 2 /(E 2 A 2 )...

8 Ruuvin joustavuus r = [Tuomaala] Kannasta ja kierteestä otetaan mukaan 0,4 d:n matka. Eli 0 =0,8 d/e A 0, 1 =l 1 /E A 1, 2 =l 2 /E A 2, 3 =l 3 /E A 3

9 Ruuviliitoksen alustan jousto Alustapinta-alan laskenta eri tapauksissa. + [Tuomaala]

10 Esimerkki: iskusylinterin ruuvit [Tuomaala] 100mm, bar, S355J2 (Fe 52), vaihto = 0,5 murto = 260 N/mm 2

11 Iskusylinterin seinämä ja ruuvit Sylinteriä käytetään kallioporauksessa suuren dynaamisen kuormituksen alaisena. Sylinterin materiaali on S355J2 (Fe52), jolle vaihtolujuus vaihto = 0,5 murto =0,5 520 N/mm 2 = 260 N/mm 2. Kattilakaavoista: 2 s l = p d s l (1) ja z d s s = p d s2 /4 (2) [Tuomaala]

12 Lasketaan sylinterin seinämän paksuus s kaavasta 1 (ed. sivu). s=p d /2 zsall = 10 N/mm mm/2 260 N/mm 2 s= 1,92 mm ~2 mm Lasketaan kuormitusvoiman maksimi kaavasta 2. F akok =p d s2 /4 = 10 N/mm 2 (100 mm) 2 /4 = N Eli yhtä ruuvia kohti F a = F akok /4 =19635 N Ruuvin lujuusluokaksi valitaan 10.9 ja dynaamiseksi kuormituskertoimeksi valitaan F v /F a = 4,5. Tarvittava esikiristysvoima ruuvia kohti on: F v = 4,5 F a = 4, N = N Taulukon perusteella valitaan M , jolle sallittu esikiristysvoima F v = N kiristysmomentilla 310 Nm.

13 Iskusylinterin ruuviliitoksen jousto Ruuvin jousto (osapituudet 121mm ϕ16mm, 27mm ϕ13,5mm) r = =(121/ /13,5 2 ) 4/ =3, mm/n Alustan jousto (100 mm pitkä, 2 mm seinämä) a = (100/( )) 4/ =7, mm/n Ruuvin venymä esikiristyksellä N f r = r F a = 3, mm/n N = 0,40 mm Alustan puristuma neljän ruuvin esikiristyksellä 4x N f a = a F a 4 = 7, mm/n N 4= 0,32 mm

14 Liitoksen kuormituspiirros 107 kn

15 Ruuvien päiden muotoja [Decker ja esimerkiksi: ]

16 Erilaisia muttereita [Decker]

17 Torx- ja kuusiokolokannat Vasemmassa kuvassa esitetty Torx kanta ei rikkoonu helposti. [Decker]

18 Pidätinruuveja [Decker]

19 Ruuvin ja mutterin lukitus [Decker]

20 Ruuveihin yhdistettyjä lukituslaattoja [Decker]

21 Ruuvin lujuusluokka, esimerkiksi 8.8 Merkintä on pakollinen kuusioruuveille, kun d > 5 mm Pienille ruuveille on vaihtoehtona viereinen kellotaulumerkintä.

22 Muttereiden merkintä Ruostumaton ruuvi ja mutteri A2= ruostumaton (AISI 304) A4= haponkestävä (AISI 316)

23

24

25 Vaarnaruuvin käyttö

26 Erityistapauksia: Mm. pitkät ruuvit rakentamisessa vaativat asentajan ohjeistuksen. kierretanko a) Näin piti tehdä oikein b) Näin asentaja teki väärin

27 Kertausta nimellishalkaisija, nousu ja kylkikulma erittelevät kierteen (kätisyys) lujuusluokka määrää ruuvin lujuuden vapaa pituus > halkaisija Poikittaisvoima ruuviliitoksessa vastaanotetaan liitettävien osien välisen kitkan avulla (μ~0,15-0,6). Leikkaus- ja taivutuskuorma katkoo ruuvit Ruuvi tarvitsee väljät reiät Lujempi ruuvi voi olla ohuempi ja sen voi sijoittaa lähemmäs oikeaa kuormituskohtaa. Ruuvi ei saa pohjata paitsi vaarnaruuvi. Mutteri tai vastaava kierreosa tehdään yleensä pehmeämmästä materiaalista kuin ruuvi. Liitettävien pintojen sekä ruuvien ja muttereiden aluspintojen pitää olla suoria.

28 Moniruuviliitokset Jos ruuviliitos toteutetaan usealla ruuvilla, on liitoksen kuormitukset ensin ositettava jokaiselle ruuville kohdistuviksi. Osituksen jälkeen kriittisesti kuormittuvat ruuvit mitoitetaan yksiruuviliitoksina. Moniruuviliitoksen kuormitus: Normaalivoima N ja/tai taivutusmomentti M Osituksen tuloksena näistä aiheutuu yksiruuviliitoksiin normaalivoimakuormitus. Leikkausvoima Q ja/tai vääntömomentti T Osituksen tuloksena näistä aiheutuu yksiruuviliitoksiin leikkausvoimakuormitus, joka mitoitetaan liitoskitkan mukaan.

29 Normaalivoiman kuormittama moniruuviliitos Huom! Ositus pätee vain, jos voimat välittyvät likimain tasajäykkien reittien kautta. Kun normaalivoima kulkee ruuviryhmän painopisteen kautta ja on ruuviryhmän suuntainen, on yksittäiseen ruuviin kohdistuva kuorma: F N = N/n N = kokonaisvoima n = ruuvien lukumäärä.

30 Taivutusmomentin kuormittama moniruuviliitos Pyritään liitoksiin, joissa Liitososat ovat kauttaaltaan riittävän taivutusjäykkiä ja lujia Esijännitys säilyttää puristuksen kaikissa liitoskohdissa Liitospinnoilla ja ruuviryhmällä on sama painopiste Liitospinnat ovat riittävän tasomaisia. Kuormitus pyrkii kääntämään liitososia toisiinsa nähden jäykkinä kappaleina ruuviryhmän painopisteen (pääakselien) suhteen. Ruuvien kuormitukset ovat suoraan verrannollisia etäisyyteen painopisteen kautta kulkevasta kääntöakselista.

31 Yleisesti taivutusmomentin kuormittaman liitoksen yhtälö (y-akselin suhteen) on: M y = I y σ t /e. I y = poikkipinnan neliömomentti Tässä moniruuviliitoksessa jännitys σ t kohdistuu etäisyydellä e sijaitseviin ruuveihin. Kun niille on σ t =F/A, tästä saadaan: M y = I y F/Ae, ja edelleen F = M y Ae/I y. I y on siis ruuviryhmän neliömomentti y-akselin suhteen. Eli I y = (A i e i2 ) Jos ruuvien koko on sama, saadaan yhdelle ruuville F Myi = M y e i / (e i2 )

32 Leikkausvoiman kuormittama moniruuviliitos (=kitkaliitos) Leikkausvoima tai leikkausvoimien resultantti Q kulkee ruuviryhmän painopisteen kautta ja on kohtisuorassa ruuviryhmään nähden. Tällöin siirtymisen estävät yksiruuviliitosten kuormitukset (kitkavoimat) F Q ovat yhtä suuria: F Q =Q/n n = ruuvien lukumäärä. Jos ruuvit ovat samanlaisia, yksittäisen ruuvin kiristysvoima: F M = F Q /mµ m =liitospintojen määrä µ =pintojen välinen kitkakerroin.

33 Vääntömomentin kuormittama moniruuviliitos (=kitkaliitos) Oletetaan, että ruuvit ovat samanlaiset. Lasketaan ruuviryhmän painopiste: x s = x i /n y s = y i /n, kun x i ja y i =ruuvien koordinaatit ja n =ruuvien määrä. Lasketaan ruuviryhmän polaarinen neliömomentti: I p = A Si [(x i -x s ) 2 + (y i -y s ) 2 ] kun A Si =ruuvin poikkileikkausala. Etäisimmän yksiruuviliitoksen mukaan liitoksen vääntövastukseksi saadaan W p = I p / (xi xs)2 + (yi ys)2 Ja siis etäisimmän yksiruuviliitoksen kuormitus (kitkavoima) F Q on: F Q =TA Si /W p T=vääntömomentti ja ruuvin kiristysvoima: F M = F Q /µ µ =pintojen välinen kitkakerroin.