7. Akselit 7.1 Akseli koneenrakennuksessa Levyrakenteet, ruuvit ja rungot ovat yleensä staattisia konerakenteita. Ne välittävät kyllä monenlajisia ja -suuntaisia voimia, sijoittavat osia ja niiden eri kohtia tarkasti avaruuteen, liittävät itseensä muita osia, mutta ne eivät juuri koskaan liiku, eivät ainakaan tarkoituksellisesti. Jos ne tehdään liikkuviksi, tarvitaan aina jonkinlainen ohjausjärjestelmä sekä voima niiden liikuttamiseen. Ohjausjärjestelmä voi määrätä liikeradan, mutta myös aseman ja ajankohdan suhteessa muiden osien toimintaan ja kokonaistoimintoihin. Akselit muodostavat aivan oman muista poikkeavan ryhmänsä koneenrakennuksessa. Ne ovat jokseenkin aina pyöriviä ja koko niiden tarkoitus perustuu pyörimisliikkeeseen. Pyörimisliike on koneenrakennuksen yleisin liikemuoto ja sille on todella hyvät perusteet: - pyörimisliike voi olla jatkuvaa ja silti kappale säilyy paikoillaan - liikkeen ohjaus on mahdollisimman yksinkertainen, tarvitaan vain laakerointi - kiihtyvyys suuntautuu pyörimiskeskiötä kohti, joten keskittämällä materiaali symmetrisesti keskiakselin suhteen liike ei aiheuta massavoimia akselin ulkopuolelle - akselien valmistusmenetelmä, sorvaus, tuottaa automaattisesti massavoimien suhteen tasapainoisen tuloksen Hyvä tasapainoisuus ja helppo liikkeen ohjaus antaa mahdollisuuden käyttää suuriakin pyörimisnopeuksia. Tällöin kohtuullisellakin vääntömomentilla voidaan siirtää erittäin suuria tehoja. Lisäksi tehonsiirto on lähes häviötöntä, sillä akselin pintanopeuksien ollessa pieni myös ilmanvastus jää vähäiseksi. Vierintälaakerit eivät nekään vaadi suuria kitkatehoja. Akseleilla on myös negatiivisia ominaisuuksia. Monet seikat, kuten paino, laakereiden ominaisuudet, umpimateriaalin käyttö jne. pyrkivät minimoimaan akselin läpimittaa. Käytettäessä suurehkoja akselipituuksia ja tukivälejä akselista tulee sekä väännön että taivutuksen suhteen joustavia, mikä johtaa värähtelyherkkyyteen. Tämä joustavuus on aivan eri luokkaa kuin muilla kone-elimillä varsinaisia jousia lukuunottamatta. Akseli on todella koko koneenrakennuksen dynaaminen perusosa, lähes ainoa aktiivinen "työtätekevä". Lukuisat muutkin liiketarpeet kuin pyöriminen, johdetaan akselin pyörimisliikkeestä. Tällöin nämä osat kiinnitetään napaliitoksilla akseliin, joka tarjoaa niille sekä liikkeen, voiman että ohjauksen. Jos akselin vääntö- ja/tai taivutusmomentti vaihtelevat käynnin aikana, akselin joustavuus myös napaliitoksessa aiheuttaa ongelmia, jotka kuuluvat koneenrakennuksen vaikeimpiin. 177
Akselin ja siihen liittyvän pyörimisliikkeen merkitys on nähtävissä myös historiallisessa kehityksessä: a) Hydrostatiikkaa on osattu käyttää kauan ennen akselia veneissä, kalanpyydysten kohoissa, melan käytössä jne. Veden voima tunnettiin hyvin veneen joutuessa myrskyyn tai koskeen. Vasta vesipyörä ja siihen liittyvä pyörivä akseli mahdollistivat jatkuvatoimisen myllyn rakentamisen. Sitä seurasivat vesivasarat ja koskivoiman käyttö koko teollisuuden käyttövoimana. b) Tuultakin käytettiin sen liike-energian vuoksi purjelaivoissa. Tuulimyllyn edellytyksenä oli myös akselit ja pyörimisliike. c) Kotieläinten vetokykyä käytettiin maanviljelyksessä tuhansia vuosia. Vasta v. 1831 amerikkalainen papin poika Cyrus Hall McCormick keksi 22-vuotiaana johtaa hevosen hinaaman laitteen pyöristä pyörimisliike itse laitteen toimintoihin. Tätä elonkorjuukonetta seurasivat lukuisat muut maatalouden koneet. Tyypillinen esimerkki hyvän idean iskostumisesta perusratkaisuksi on, että leikkuupuimuri keksittiin muuttaa hinattavasta laitteesta omamoottoriseksi vasta varsin myöhään 1930-luvulla. Traktorikin toimi edelleen vain hevosena, eli hinaustehtävissä. 7.2 Akseliin kohdistuvat voimat 7.2.1 Peruskuormitus Jokseenkin kaikki akselit on laakeroitu kahdesta pisteestä, jolloin niiden asema on täydellisesti määritelty. Laakereista toisen tulee kyetä ohjaamaan akselia myös aksiaalisuunnassa, sillä vain poikkeustapauksissa aksiaalinen ohjaus voi tulla muualta, esim. akselille kiinnitetyn työkappaleen kautta. Kuva 7.1 Akselin peruskuormitus Kuvassa vasen laakeri on vapaa ja ohjaa ainoastaan radiaalisesti, ohjaava oikea laakeri myös aksiaalisesti. Aksiaaliohjauksesta suunnat voidaan jakaa molemmille laakereille, mutta silloin tarvitaan riittävää tarkkuutta. Jos kumpikin laakeri on tyypiltään ohjaava, tarvitaan ainakin toisen runkokiinnitykseltä joustavuutta. Laakerivoimat muodostuvat reaktiona akselia kuormittavista voimista. Akselin kuormitusvoimat tulevat yleensä siihen liitettyjen osien kautta sekä voimana että painona. Harvoin liitännäisosaa voidaan kuormittaa niin, että kuormituksen resultantti kulkisi suoraan akselin keskiön kautta. Niinpä liitännäisen kautta kohdistuukin akseliin 178
radiaalivoima Q, aksiaalivoima T, vääntömomentti M v ja kaatomomentti M k. Liitännäisosia voi olla useampiakin, jolloin kokonaiskuormitus voi olla melko monimutkainen. Kuvaan 7.1 on merkitty muista voimista vain laakerivälin ulkopuolelta tuleva aksiaalivoima T, joka voisi olla peräisin myös akselivälillä olevasta liitännäisestä. Koko ulkopuolinen kuormitussysteemi tasapainotetaan laakerivoimilla, jotka voidaan aina johtaa selkeästi radiaalisiin ja aksiaalisiin komponentteihin F 1, F 2, ja T 1 tai T 2. Asia monimutkaistuu, jos laakerit ovat kartiomaisia rullalaakereita tai viistokuulalaakereita. Niissä radiaalisen kuormituksen tuloksena on myös aksiaalinen voima, joka tavallisesti otetaan vastaan toisen laakerin avulla. Täysin symmetrisessä tapauksessa nämä laakereiden aksiaaliset reaktiovoimat kumoavat toisensa. Kuvassa 7.1 laakeroinnit on esitetty liukulaakereina. Mikäli ne on voideltu kunnollisesti, ne eivät yleensä aiheuta akseliin mitään ongelmia. Sen sijaan vierintälaakerit saattavat aiheuttaa vaikeitakin kitkakorroosio-ongelmia, joten niiden käytössä tulee olla huolellinen. Vieläkin helpommin ongelmia tulee napaliitoksien kautta, joista kuitenkin enemmän niiden yhteydessä. Kuvaan laakerivälille osoitettu vektoriryhmä vaikuttaa monimutkaiselta, mutta se muodostuu kokonaisuudessaan jo aivan tavallisen hammaspyöräkuormituksen kautta, kuva 7.2, oikea puoli. Kuva 7.2 Akseliliitännäisten aiheuttama kuormitus Hammaspyöriä käytetään siirtämään hammasvoimien avulla vääntömomentti pyörivälle akselille. Tällöin voidaan aina helposti määrätä jakoympyrällä vaikuttava kehävoima F u. Kosketuspinnat ovat kuitenkin ryntökulman α mukaisessa kaltevuudessa, joten F u :n lisäksi muodostuu radiaalivoima F u tan α. Näiden resultantti R = F u /cos α vastaa kuvan 7.1 laakerivälille kohdistettua voimaa Q. F u r tuottaa momentin M. Jos hampaat ovat vinot kulman β verran, saadaan kehävoimasta F u vielä aksiaalinenkin komponentti T = F u tan β. Kun tämäkin vaikuttaa hammaskehän säteellä r, tulee siitä kaatomomentti M k = T r. 179
Viistohampaisen hammaspyörän aksiaalireaktio on tärkein akselin aksiaalikuormittaja. Joskus se voi syntyä myös potkurivoimana, pystyakseleissa osien painona tai keskipakopumpuissa hydraulisesta epäbalanssista säädettäessä pumpun tuottoa venttiilin kuristuksella. Kuvan 7.2 vasemmalla puolella on esitetty hihnakäytön kuormitus. Hihnakäyttö ei aiheuta aksiaalista kuormaa. Käytön toiminta perustuu kitkaan, joten akseliin kohdistuu aina hihnapyörän kohdalla voimakas radiaalinen voima, joka on geometrinen summa hihnavoimista F u1 ja F u2. Vääntömomentti suurentaa toista hihnavoimaa ja pienentää vastaavasti toista. Näin hihnakäyttöjen akselivoima on aina vakio, myös tyhjäkäynnillä. Ketjukäytöissä ketjun oma paino on tyhjäkäynnillä ainoa akselivoiman aiheuttaja. Kuormituksessa ketjun rullat kiipeävät hammaskylkiä pitkin hampaiden päätä kohti ja kiristävät ketjun vetopuolella. Paluupuolen kireys säilyy suunnilleen entisellään. Hammashihnojen luulisi toimivan ketjun tavoin, mutta tämä ei pidä paikkaansa. Paluupuolella hammashihnassa tarvitaan huippukuormituksellakin hiukan kireyttä, joten sen akselivoima on suunnilleen kiilahihnojen luokkaa ja myös kuormituksesta riippumatta vakio. Tavanomaisessa kuormituksessa akselin vääntömomentti on yleensä lähes vakio. Tämä on niin normaali tilanne, että useimmat napaliitokset eivät kykene tyydyttävästi siirtämäänkään suunnaltaa taajaan vaihtuvaa vääntömomenttia. Taivutusmomentti on puolestaan yleensä vakiosuuntainen, joten pyörivän akselin suhteen se merkitsee väsyttävää taivutusrasitusta. Akselin suhteen staattinen taivutusmomentti esiintyy ainoastaan epäbalanssin tuottamana. Pitkät akselit laakeroidaan joskus kolmella tai useammallakin laakerilla, Jos laakerit on kiinnitetty perustukseen tai muodonmuutoksen kohteeksi joutuvaan runkoon, saattaa seurauksena olla suuria akseliin kohdistuvia poikittaisvoimia. Muodonmuutokseksi riittää joskus pelkästään hitsaamalla suoritettu koneen korjaus. Hihnakäyttöjen ylläpitämä jatkuva akselivoima aiheuttaa tyhjäkäynnillä napaliitoksen kulumisen, mikäli liitos ei ole riittävän kireä. Tämä ongelma on muodostunut vaikeaksi käytettäessä sokeasti tavanomaista tasakiilaliitosta. 7.2.2 Kiihdytys Tavallisesti koneiden akselien kierrosnopeus on vakio, joten käyntiolosuhteissa vääntömomentti muodostuu, tai ainakin pitäisi muodostua yksinomaan kuormituksesta. Koneen käynnistyksen yhteydessä akseliston kaikki huimamassat on kiihdytettävä täyteen nopeuteen. Kun käyttömoottorina on tavallinen oikosulkumoottori, kiihdyttävä momentti on parhaimmillaan yli 2,5-kertainen nimellismomenttiin verrattuna. 180
Kuva 7.30 Akseliston kiihdytys Oikosulkumoottorin suurin kiihdytysmomentti olkoon = M. Se on kytketty akseliin, jolla on himamassa J 1 sekä hammaspyörävälitys huimamassoineen J 2 /J 3 toisioakselille, jolla puolestaan on huimamassa J 4. Kiihdytyksessä kaikkien näiden huimamassojen välille muodostuvat vääntömomentit kuvan merkintöjen mukaan. Vääntömomenttien laskentaa varten toisioakselin huimamassat on redusoitava ensiöakselin nopeudelle n 1 J 3r = n 2 2 n 1 2 J 3 J 4r = n 2 2 n 1 2 J 4 (7.1) Kuva 7.4 Akselisto, jossa huimamassat redusoitu samalle kierrosnopeudelle Σ J = J m + J 1 + J 2 + J 3r + J 4r M 1 = M 2 = J1 + J2 + J3r + J4r Σ J J2 + J3r + J4r Σ J M M 181
M 3r = J4r Σ J M M 3 = n 1 n 2 M3r Huimamomentti kasvaa kierrosnopeuden neliön suhteessa, samoin sen aiheuttama kuormitus kiihdytyksessä. Jos kysymyksessä ovat hyvin suuret hitaasti pyörivät koneet, kuten pyörivät uunit, pohjakaavarit jne, saattaa suuren välityssuhteen päässä nopeasti pyörivä sähkömoottori muodostaa todellisen massanyrkin laitteistolle sen äkkiä törmätessä esteeseen. Tällaisissa tapauksissa hitaasti pyörivät hydraulimoottorit ovat momentiltaan nopeasti rajoitettavina paljon turvallisempia. Vanhoissa käsikirjoissa ja piirustuksissa törmää joskus huimamomentin symboliin GD 2. Tämä merkintä on yksinkertaistus pyörän huimamomentin laskennasta, sillä se on pyörän painon ja ulkohalkaisijan neliön tulo. Sitä käytettiin etupäässä puolarakenteisten hihna- ja vauhtipyörien hitausmomentin ilmaisuun, joten GD2 = 4 J (7.2) 7.5 Akselin lujuus 7.5.1 Jännitykset Akselin lujuuteen vaikuttava kuormitus on lähes kaikissa tapauksissa joko taivutusta tai vääntöä. Myös näiden yhdistelmät ovat tavallisia. Kuitenkin vääntö on yleensä luonteeltaan kokonaan tai melkein staattista, taivutus taas lähes aina dynaamista. Useimmissa tapauksissa akselin voi mitoittaa väsyttävän taivutusmomentin mukaan ja väännön osuuden voi kuitata yksinkertaisella suuruusluokkatarkastelulla. Kumpikin kuormitusmuoto aiheuttaa akseliin jännityksen, joka kasvaa lineaarisesti akselin keskiöstä mitaten etäisyyden suhteessa. τ +σ σ Kuva 7.33 Vääntöjännityksen τ ja taivutusjännityksen σ jakautuminen akselin poikkileikkauksessa Suurin jännitys muodostuu kummankin osalta akselin pintaan. Niinpä materiaalin laatu akselin pinnassa on ensiarvoisen tärkeä ja sitä korostaa vielä se, että murtumaan johtavat säröt alkavat yleisimmin juurin kappaleen vapaasta pinnasta. Seuraava kuva pyrkii esittämään tämän merkitystä ja antamaan siitä mielikuvan. Ohutseinäinen putki on painoonsa nähden luja, mutta vaatii hyvin ohuena jo huomattavan ulkoläpimitan lisäyksen. Kohtuullisella seinämänpaksuudella lujuus säilyy lähes entisellään, mutta hyötykerroin (materiaalin käyttö suhteessa lujuuteen) on vielä merkittävä. d 182
Akseli sietää keskelle huomattavan suuren läpimenevän reijän lujuuden muuttumatta lainkaan. Sisä φ Lujuus % Hyötykerr. ----------------------------------- 95 18.55 1.90 90 34.39 1.81 85 47.80 1.72 80 59.04 1.64 75 68.36 1.56 70 75.99 1.49 65 82.15 1.42 60 87.04 1.36 55 90.85 1.30 50 93.75 1.25 45 95.90 1.20 40 97.44 1.16 35 98.50 1.12 30 99.19 1.09 Kuva 7.34 Akselin sisäosan merkitys jäykkyydelle ja lujuudelle Jos halutaan akselin lujuus säilyttää muuttumattomana siirryttäessä putkiakseliin, sen ulkoläpimittaa pitää kasvattaa. Hyvin pieneen seinämänpaksuuteen mentäessä tarvittava läpimitan lisäys on merkittävä, kuva 7.35. Putkiakselin heikkoutena on vaikeasti saavutettava tasapainoisuus sekä soveltumattomuus olakkeiden ja eri halkaisijoiden käyttöön. Seinämä Ulko φ Jäykkyyskerr. Hyötyk. -------------------------------------------------------- - 2 233.08 1.00 10.77 4 186.19 1.00 6.79 6 163.90 1.00 5.18 8 150.16 1.00 4.28 10 140.66 1.00 3.69 12 133.62 1.00 3.26 14 128.19 1.00 2.95 16 123.86 1.00 2.70 18 120.33 1.00 2.50 20 117.41 1.00 2.33 Kuva 7.35 Umpiakselin korvaaminen lujuudeltaan samanlaisella putkella Akseli on harvoin suora lieriö. Useimmiten se muodostuu peräkkäisistä lieriöistä, joiden halkaisijat vaihtelevat. Halkaisijoiden muutoskohtiin muodostuu olakkeita. Olakkeiden tarkoituksena on muodostaa akselille napaliitoksella sijoitettaville osille aksiaalinen tuki. Joskus niitä muodostuu yksinkertaisesti vain akselia ohennettaessa sorvaamalla ja varaamalla näin tilaa asennusta varten. Hyvän ja toimivan mielikuvan olakkeesta antaa suunnittelijalle kuvitelma, jonka mukaan akseli olisi valmistettu lasikuitukimpusta puristamalla se sideaineineen akselin muotoiseen muottiin. Tällöin olakkeen juuressa kuidut puristuvat tiheään 183
toisiaan vasten; sitä tiheämpään, mitä jyrkemmästä läpimittamuutoksesta on kysymys. Kuitutihentymä ilmaisee jännityskeskittymän. Kuva 7.36 "Kuiturakenteisen" akselin kuitutihentymä olakkeen juuressa Yhteenliittyvien lieriöiden halkaisijat ovat D ja d. Niiden liittymäkohta on pyöristetty säteellä r. Akselin suoralla osalla taivutusjännitys lasketaan σ = M W t = 32 M π d 3 (7.28) Tässä M = taivutusmomentti ja W t = taivutusvastus. Väännön osalta vastaavat kaavat ovat τ = M v W v = 16 M v π d 3 (7.29) Olakkeen kohdalla jännitys muodostuu aina sekä taivutuksessa että väännössä nimellisjännitystä suuremmaksi. Olakkeen pohjanurkkaan muodostuu jännityshuippu σ max = α σ τ max = α τ r D d β σ σ Kuva 7.37 Akseliolake ja sen jännityskeskittymä 184
α = olakkeen muotoluku. Se on riippuvainen halkaisijasuhteesta D/d ja säteen suhteesta pienempään halkaisijaan = r/d. Riippuvuus on erillainen taivutus- ja vääntökuormituksen suhteen. Riippuvuutta on tutkittu jännitysoptisin menetelmin ja sitä esittäviä käyrästöjä on julkaistu runsaasti lujuusopin kirjallisuudessa. Seuraavassa R. E. Petersonin julkaisema käyrästö muunnettuna laskentaan sopiviksi yhtälöiksi. Taulukko 7.2 Taivutuskuormitettujen akseliolakkeiden muotoluvut kuvan 7.30 merkinnöillä D/d = 6 α = 0,8574 (r/d) -0,3415 D/d = 3 α = 0,8549 (r/d) -0,3270 D/d = 2 α = 0,8736 (r/d) -0,3013 D/d = 1,5 α = 0,9052 (r/d) -0,2723 D/d = 1,2 α = 0,8991 (r/d) -0,2617 D/d = 1,1 α = 0,9210 (r/d) -0,2393 D/d = 1,07 α = 0,9477 (r/d) -0,2211 D/d = 1,05 α = 0,9263 (r/d) D/d = 1,03-0,2199 D/d = 1,02 α = 0,9183 (r/d) -0,2112 D/d = 1,01 α = 0,9005 (r/d) -0,2063 α = 0,8785 (r/d) -0,1892 Käyriksi piirrettynä taulukon 7.2 muotoluvut näyttävät seuraavilta. Pyöristyssäteen kasvaessa käyrät hiukan sekoilevat toisiinsa, mikä osoittaa käytettyjen regressiokaavojen epätarkkuutta. Muotolukujen arvot ovat kuitenkin siinä määrin summittaisia, ettei sekoilemisesta ole haittaa. Kuva 7.38 Akseliolakkeiden muotoluvut taivutuksessa 185
Vääntökuormituksella muotoluvut ovat jonkin verran pienempiä. Niiden käyttö tulee kysymykseen yleensä vain kampimekanismin ja vauhtipyörän välisissä akselinosissa. Poikkeuksen muodostavat vääntövärähtelyt akselisysteemin ominaistaajuudella, mikäli tähän on herätteitä riittävästi. Tavallisesti vääntömomentin vaihtelu on niin pieni, että se väsymislujuuden laskennassa voidaan taivutusmomentin rinnalla jättää huomiotta. Taulukko 7.3 Akseliolakkeiden muotoluvut vääntöjännityksen vaihtelulle kuvan 7.31 merkinnöillä D/d = 2 α = 0,8251 (r/d) -0,2516 D/d = 1,33 α = 0,8108 (r/d) -0,2449 D/d = 1,20 α = 0,7908 (r/d) -0,2316 D/d = 1,09 α = 0,8037 (r/d) -0,1593 Myös vääntövaihtokuormituksen muotoluvut ovat regressiokaavojen avulla ilmaistuna hiukan alkuperäisestä poikkeavia, kuten kuva 7.39 osoittaa Kuva 7.39 Akseliolakkeiden muotoluvut vääntökuormituksella Tavallisimpia vääntöjännityksen vaihtelulle arkoja akselinkohtia ovat kiilaurat. Merkitsemällä h = kiilauran sisäseinämän korkeus, d = akselin halkaisija ja r = kiilauran pohjanurkan pyöristyssäde saadaan kiilauran suoran osan kohdalle muotoluvuksi α = 1,4278 (r/h) -0,5437 (7.30) 186
Kuva 7.40 Kiilauran muotoluku vääntökuormituksella Kiilauran päätekohdalla ei ole merkitystä vääntökuormituksessa. Jos kuitenkin kiilaura ei ulotu akselin päähän saakka, vaan loppuu huomattavasti ennen sitä, kaavan (7.30) antamat muotoluvut ovat turhan suuria. Muotoluvuksi ilmoitetaan silloin väännössä jopa vain 1,6. Sen sijaan taivutuskuormituksessa päätekohta on tärkeä. Jos ura on tehty tappijyrsimellä, α = 2,1 ja lieriöjyrsimellä tehtynä α = 1,4. Kiilauran suoralla osalla ei ole merkitystä taivutusväsytyksessä. Varsin yleinen on myös akselin pintaan porattu reikä. Näitä esiintyy varsinkin voitelu- ja asennusöljyn porauksina. Reijän halkaisijan vaihdellessa välillä a = 0...0,1 d saadaan muotoluvuksi vääntövaihtelulla α = 1,9794 e -1,9068 a/d (7.31) ja taivutusvaihtelulla α = 2,8955 e -2,7687 a/d (7.32) 187
Kuva 7.41 Akseliin poratun reijän muotoluku Kaikkia näitä muotolukuja voidaan käyttää myös ontoille akseleille. Kiilaurien vääntökuormituksella muotoluku kasvaa kuitenkin merkittävästi, mikäli sisähalkaisija on yli 60 % ulkohalkaisijasta. Muotoluku on puhtaasti geometrinen kerroin. Kaikki teräkset eivät kuitenkaan ole yhtä arkoja sen aiheuttamille jännityshuipuille. Niinpä määritelläänkin ns. lovenvaikutusluku β, joka ottaa huomioon käytetyn teräksen tai muun raaka-aineen loviherkkyyden η. β = 1 + η (α - 1) (7.33) Taulukko 7.4 Loviherkkyysluvut η Fe 37 0,3...0,5 42 CrMo 4 0,9 Fe 50 0,35...0,6 34 CrNiMo 6 0,85 Fe 52 0,4...0,6 Jousiteräs 0,9...1,0 Fe 60 0,4...0,6 Valurauta 0,20 25 CrMo 4 0,85 Kevytmetallit 0,3...0,7 Väsymislujuutta alentaa lisäksi huono pinnan laatu. Kerroin hiotuille pinnoille on n. 1,1, silitetyille pinnoille 1,2 ja valssaus-, hehkutus- ym. pinnoille 1,3. Jos kysymyksessä on suuren muotoluvun omaava olakepyöristys, joka tietenkin silitetään, pinnanvaikutusta ei enää ole syytä laskea mukaan. Vielä yksi tekijä on otettava huomioon akselin väsymislujuutta määriteltäessä, nimittäin koon vaikutus mittakertoimella m. Taivutusväsymislujuus on yleensä määritelty koesauvalla, jonka halkaisija on n. φ10 mm. Tällöin poikkileikkauksen jännitysgradientti on hyvin suuri ja se lisää kappaleen väsymislujuutta. Akselin läpimitan kasvaessa jännitysgradientti pienenee ja samalla myös väsymislujuus. 188
Yleisimmin esitetyn mittakerroinkäyrän mukaan m = 1, kun d = 10 mm ja m = 0,6, kun d > 600 mm. Kaavaksi laskettuna saadaan m = 1,4922 d -0,1658 (7.34) Toisaalta verrattaessa akseliterästen veto-puristuslujuutta taivutusväsymislujuuteen havaitaan sen olevan kaikilla teräksillä n. 0,8-kertainen. Jännitysgradientin vaikutus ei siis ulotu tätä kerrointa alemmaksi. Niinpä kaava (7.34) sisältääkin jo suurempien pyörötankojen metallurgisesti huonomman rakenteen vaikutuksen. Nykyisillä akseliteräslaaduilla on tässä suhteessa edistytty ja monet lujuuslaskijat pitävätkin mittakertoimen minimiarvona m = 0,8. Tämä on mahdollista ainakin akseliteräksellä Fe 52 ja nuorrutusteräksillä silloin, kun lopulliset halkaisijat ovat lähellä nuorrutushalkaisijoita. Silloin kaavaa (7.34) sovelletaan välille φ10...φ45 mm ja siitä eteenpäin arvoa m = 0,8. Kuten kuva 7.36 ja varsinkin kuva 7.37 osoittavat, akselin pinnan lujuus ja virheettömyys ovat sen väsymislujuudelle ensiarvoisen tärkeät. On kuitenkin huomattava, että suurimmat jännitykset eivät esiinny koskaan akselin lieriömäisillä osilla, joten niiden sileyteen ei tarvitse kiinnittää huomiota. Sitä tärkeämpää on, että olakkeiden pyöristykset, kiilaurien reunat varsinkin päätekohdissa, reikien suut jne. tulevat huolellisesti silitetyiksi ja että niiden ruostuminen ja hankautuminen estetään. 7.5.2 Akseliteräkset Nykyisistä akseliteräksistä yleisin on Fe 52. Sen lujuus on melko hyvä, sitkeys erinomainen. Se on helposti koneistettavissa ja sorvauksen jälki on hyvä. Valmistusprosessista johtuen se on hyvin hienokiteinen ja tasalaatuinen pyörötangon pinnasta keskiöön saakka. Lisäksi sen hitsattavuus on hyvä. Akseleita valmistettaessa aihiona on yleisimmin valssattu pyörötanko. Akselille liitettävien komponenttien liitoshalkaisijoista, kiinnitys- ja ohjaustarpeista riippuen pyörötankoa joudutaan sorvaamaan eri kohdissa vaihteleviin halkaisijoihin. Tällöin ohennetutkin kohdat saattavat joutua suurten rasitusten kohteeksi ja aineelta vaaditaan hyviä lujuusominaisuuksia myös pinnasta etäällä olevissa kerroksissa. Valssauksen tuloksena pyörötankoon muodostuu kerrosominaisuuksia puun tapaan, eli aineen poikittaislujuus ja -sitkeys ovat pitkittäissuunnan arvoja paljon pienempiä. Taivutuskuormituksessa tästä ei ole haittaa, mutta esim kiilaliitosten yhteydessä murtuma saattaa lähteä kiilauran pohjasta kerrosten suuntaan ikäänkuin kuoriutumalla. Kerrosominaisuudesta on haittaa myös valmistettaessa pyörötangosta hammaspyöriä tai ura-akseleita. Fe 52 on normalisoitu, joten siinä ei ole kerroksellisuutta juuri havaittavissa. Sen tasalujuus kaikissa suunnissa tekee siitä erinomaisen lähtöaineen juuri silloin, kun akseli muotoillaan koneistamalla pyörötangosta, eikä lämpökäsittelyä koneistuksen jälkeen suoriteta. Täytyy olla todella hyvät perusteet jonkin muun yleensä kallimman teräksen valintaan. 189
Akseliteräksiä tarjotaan myös kylmävedettynä, jolloin lujuus olisi jonkin verran suurempi. Näiden terästen mittatarkkuus ja suoruus on hyvä, joten ne kelpaavat sellaisenaan pitkiksi akseleiksi, kuten esim. sahateollisuudessa on usein tarpeen. Kiilauran jyrsintä niihin aiheuttaa ongelman, sillä akseli taipuu kiilauran kohdalta. Akselin sorvaus poistaa lujan pinnan ja näin hyöty on menetetty. Akselin päähän sijoitettu kiilaura kuorii kovassa rasituksessa pinnan pois uran pohjanurkasta alkaen. Ominaisuudet ovat niin huonot, että käyttö ei juuri kannata. Terästehtaat toimittavat pyörötankoja myös koneistettuna, jopa hiottuna. Nämä sopivat erinomaisesti pitkiin voimansiirtoakseleihin suurillakin nopeuksilla. Pitkän akselin koneistukseen ei monellakaan konepajalla ole sopivaa kalustoa. Joissakin tapauksissa lujuusvaatimukset ovat niin suuret, että nuorrutusterästen käyttö on tarpeellista. Tällöin on muistettava, että akselin hankauskuormitus tiukkasovitteisissa napaliitoksissa toimii samalla tavoin kuin reunasärö hitsatuissa rakenteissa ja väsymismurtuma alkaa jo varsin pienillä jännitysvaihtelun arvoilla. Lujempi teräs ei näitä arvoja juuri kohota. Suurin hyöty lujista teräksistä saadaan silloin, kun liitokset toteutetaan esim. uraliitoksina tai niitä ei ole lainkaan. Tyypillisiä esimerkkejä ovat vaihteiden ensiöakselit, joihin hammastus on jyrsitty suoraan, sekä ura-akselit ja kampiakselit. Varsinkin vaihteiden akseleissa hiilletys voidaan ulottaa myös akselin osuudelle. Tavallisimpia nuorrutusteräksiä pyöröaihioina ovat varsin syvään karkenevat kromimolybdeeniteräkset. Ne nuorrutetaan normin mukaan siten, että ne ovat vielä koneistettavissa. Laatusuosituksena voidaan pitää seuraavia laatuja pyöröaihion halkaisijan mukaan φ25...φ40 25 CrMo 4 φ45...φ100 42 CrMo 4 φ110...φ180 34 CrNiMo 6 Näitä teräksiä voi pitää suositeltavina myös suuria takeita hankittaessa, sillä ne eivät ole herkkiä pintahalkeamille. Akselin lujuudelle on tärkeää pinnan läheisyydessä olevan materiaalin lujuus. Jos akseli muotoillaan hiontaa vaille valmiiksi ja nuorrutetaan, edellä mainitut teräkset eivät suinkaan ole silloin parhaimmillaan. Parempi tulos varsinkin alle φ50 mm mitoilla saadaan käyttämällä matalaan karkenevia hiiliteräksiä Ck 45 tai Ck 60. Kun karkeneva kerros on suhteellisen matala, siihen muodostuu suurempi puristusjännitys ja väsymislujuus paranee. Tyypillinen esimerkki on moottorin kampiakseli, joka on jokseenkin aina laatua Ck 45. 190
Taulukko 7.5 Yleisten akseliterästen väsymislujuudet [N/mm 2 ] Teräs Murtolujuus taivutus veto-puristus vääntö Fe 52 min. 520 300 240 160 Ck 45 700...750 340 260 200 25 CrMo 4 750...850 400 320 250 42 CrMo 4 1000...1100 520 410 310 34 CrNiMo 6 1000...1200 500 360 300 7.5.3 Hitsauksen vaikutus Akseli ja hitsaus eivät oikein luonnu yhteen. Akseli on aina väsytyskuormitettu, sen muodonmuutokset ovat suuret ja se valmistetaan usein tavanomaista lujemmasta teräksestä. Hitsaus aiheuttaa siihen samanlaiset väsymisongelmat kuin muissakin hitsatuissa rakenteissa. Silti osia liitetään akseleihin myös hitsaamalla. Jos hitsi sijoittuu pienen jännityksen alueelle, kuten akselin päähän, siitä ei ole ongelmia. Usein tehtävänä on kuitenkin saada hitsausrakenteinen levystä muotoiltu tela, rumpu tms. pyörimään. Vierintälaakeri tarvitsee sijoituskohdakseen kunnollisesti sorvatun umpiakselin, joten tarvittava pyörötangon pätkä on kiinnitettävä hitsausrakenteeseen. Kiinnitys voidaan toteuttaa kutistusliitoksella koneistettuun holkkiin, mutta yksinkertaisempaa on hitsata se suoraan kiinni. Kuva 7.42 Rummun päätylaipan hitsaus akseliin Kuvan akselitappia tukee sen päästä rummun päätylevyyn hitsatut säteettäiset rivat. Ripojen hitsaus akseliin ei joudu kovinkaan suuren kuormituksen kohteeksi, kunhan akselitapin pituus ripojen kohdalla on riittävä. Kriittinen kohta muodostuu akselitappiin rummun otsapinnan kohdalla, mistä lähtien tapin on kannettava kuorma yksinään. Jos hitsi on koneistamaton, voitiin reunasärön vuoksi katsoa väsymislujuudeksi ainoastaan n. + 76 N/mm 2. Muotoluvuksi voidaan ottaa kuvan 7.38 mukaan α = 1,8 (D/d >6, r/d = 191
0,11). Vastaava β = 1 + 0,9 (α-1) = 1,72, joten nimellisen taivutusjännityksen tulisi olla 76/1,72 = + 44 N/mm 2 alapuolella. Suunnilleen kuvan 7.42 mukaisilla koekappaleilla suoritetut väsymiskokeet osoittivat väsymislujuuden olevan todella luokkaa + 40...50 N/mm 2. Akseliteräs oli Fe 52. Akselin esilämmitys hitsauksessa näytti hiukan parantavan tulosta, mutta jälkihehkutuksella ei ollut minkäänlaista merkitystä. Hitsin ja akselin liittymäkohdan koneistaminen lisäsi väsymislujuuden n. 2-kertaiseksi. Tämä on sopusoinnussa murtumamekaniikan kanssa, sillä koneistus poistaa vaarallisen reunahaavan. Koneistuksessa on tärkeää nimenomaan se, että ainetta poistetaan riittävästi, n. 1 mm. Pinnan on oltava sileä, eikä siihen saa jäädä minkäänlaisia merkkejä hitsauksesta, ei kuonasulkeumia eikä muita särön tapaisia vikoja. Koneistettava hitsi on syytä tehdä aina viimeiseksi. Silloin muut hitsit sen läheisyydessä saavat osakseen puristusjännityksen. Niinpä laipan takaa murtuma ei alkanut koskaan. Hitsien väliin jäävä juurivirhe ei myöskään ole vaarallinen. 7.5.4 Korroosion ja korroosiosuojan vaikutus akselien väsymislujuuteen Yleisen käsityksen mukaan tavallisilla seostamattomilla ja niukkaseosteisilla akseliteräksillä ei olisi minkäänlaista väsymislujuutta korroosion vaikutuksen alaisena. Tämän suuntaisiin tuloksiin on päädytty jo vuosikymmeniä sitten. Kuitenkin tämä johtopäätös on ekstrapolaation tulos ja sellaisena vähintään epätarkka. Oikean raja-arvon löytäminen on vain käytännössä vaikeaa, sillä se olisi löydettävä ehkä kuormanvaihtoluvulla N = 10 8 saavutettuna taajuudella 100 r/min, mikä vaatisi koeaikaa yhtä tapausta varten n. 2 vuotta. Suuremmilla taajuuksilla korroosion vaikutus jää vähäisemmäksi. Koska esim. laivojen potkuriakselit kestävät kymmeniä vuosia, niiden rasitus on varmasti väsymisrajan alapuolella. Joitakin yleisiä linjoja voidaan tähänastisen tietämyksen perusteella osoittaa. Jo tavallisen vesijohtoveden vaikutuksen alaisena seostamattomien ja niukkaseosteisten terästen taivutusväsymislujuus on vetolujuudesta riippumatta suunnilleen sama, vain n. + 100...150 N/mm 2. Lisättäessä veteen suoloja tai happoja väsymislujuus alenee edelleen tasolle + 70 N/mm 2. Kaikki menetelmät, jotka saavat aikaan puristusjännityksen akselin pintaan, kohottavat merkittävästi niiden väsymislujuutta korroosion vaikutuksen alaisena. Esim. pintakarkaistun C45-teräksen taivutusväsymislujuus on 23 %:ssa ruokasuolaliuoksessa erään kokeen mukaan + 358 N/mm 2 (N = 10 7 ). Kun liukoksessa oli 43 % ruokasuolaa ja lisäksi suolahappoa, väsymislujuus oli vielä + 245 N/mm 2. Aikaisemmin on jo todettu, että jo syntyneen väsymissärön eteneminen pysähtyy, kun jännitysintensiteettitekijä alittaa kynnysarvon 6,0 MN -3/2, mikä vastaa 0,4 mm syvällä pintasäröllä jännitystä + 76 N/mm 2. Jos koe tehdään 3 %:ssa ruokasuolaliuoksessa, kynnysarvo kohoaa 2-kertaiseksi, mikä samanlaisella säröllä vastaisi väsymislujuutta + 152 N/mm 2. Tämä moneen kertaan varmistettu koe osoittaa, että korroosioväsymisessä 192
on vielä paljon epäselvää, sillä näin korkeaa väsymislujuutta ei saavuteta 3 %:ssa ruokasuolaliuoksessa ilman pintakarkaisua millään niukkaseosteisella teräksellä. Ehkä kysymyksessä onkin korroosiokuoppien aiheuttama muotoluku, joka muodostamansa jännityshuipun kohdalla aiheuttaa särönkasvun kynnysarvon ylittymisen. Kehyssahan kiertokanki valmistetaan krominikkeliteräksestä, joka on nuorrutettu lujuuteen 900 N/mm 2. Se joutuu käytännössä varsin täsmällisesti tunnetun väsyttävän kuormituksen alaiseksi. Sitä ympäröi jatkuvasti märkä sahanpuru, jossa on mm. muurahaishappoa. Kun veto-puristuskuormitus (mukana myös taivutusta) saavutti arvon + 110 N/mm 2, kiertokanki kesti keskimäärin kuormanvaihtolukuun 4 10 6 saakka. Kun vaihtojännitys laskettiin arvoon + 55 N/mm 2, kestoikä 4 10 7 ylitettiin lähes aina. Kangen pintaan muodostuu kuoppakorroosiota, jossa reijät ulottuvat muutamassa vuodessa parin millimetrin syvyyteen. Ne aiheuttavat jo yli 2-kertaisen jännityshuipun, mistä korroosioväsyminen pääsee alkuun. On havaittu edulliseksi hioa syöpynyt pinta pois parin vuoden välein. Korroosion vaikutuksia pyritään estämään erillaisilla pinnotteilla. Sitkeän kalvon muodostavat korroosionestoöljyt ja erillaiset maalit ovat tehokkaita silloin, kun suojattava pinta ei joudu mekaanisen kulutuksen eikä iskujen kohteeksi. 2-komponenttimaaleilla saadaan jo näitäkin vastaan melko kestävä pinta, vielä parempi kumituksella. Mikään näistä aineista ei heikennä akselin väsymislujuutta. Pohjamaalauksessa käytetään usein runsaasti lyijy- tai sinkkipölyllä seostettuja laatuja. Tällöin suojaus on galvaaninen. Galvaaniset metalliset pinnoitteet ovat paljon ongelmallisempia. Galvanoinnin yhteydessä pintaan tunkeutuu atomaarista vetyä, joka aiheuttaa vetyhaurautta ja alentaa väsymislujuutta huomattavasti. Vedynpoistohehkutus 160...200 o C 2...2,5 tunnin ajan poistaa vedyn vaikutuksen osittain tai jopa kokonaan. Tosin tämäkin saattaa aiheuttaa ainoastaan muutoksia vetydiffuusion jakautumisessa. Vedyn haitallisuus on riippuvainen myös teräksen kiderakenteesta. Vaikutus on suurempi martensiittisessa rakenteessa kuin nuorrutetussa tai perliittisessä rakenteessa. Teräksille, joiden vetolujuus vaihtelee 600...1000 N/mm 2 galvaaninen niklaus aiheuttaa sileille koesauvoille väsymislujuuden vähennyksen aina 34 % saakka ja kuparointi n. 13 %. Galvaanisen sinkityksen vaikutus vaihtelee n. + 10 %, siis parantaen tai huonontaen väsymislujuutta. Suunnilleen samalla vaikutusalueella liikkuu myös galvaaninen kadmiointi. Molemmat pinnoitusmenetelmät ovat tärkeitä ruuvien valmistuksessa. Kiiltokromauksenkin lujuusvaikutus jää vähäiseksi. Sen sijaan kovakromaus (hydraulisten sylinterien varret!) vähentää aina väsymislujuutta. Vähennys vaihtelee välillä 25...55 % ja on sitä voimakkaampi, mitä lujemmasta teräksestä on kysymys. Vaikutus kasvaa myös kromikerroksen paksuuden mukana. Vedynpoistohehkutus vain pahentaa tilannetta. Kovakromauksen väsymislujuutta pienentävä vaikutus ei perustukaan ensisijaisesti vedyn diffuusioon teräksen pintaan, vaan kromikerroksen rakenteeseen. Siinä vaikuttaa voimakkaita vetojännityksiä ja sen lävistävät lukuisat hiushalkeamat. Akseli voidaan päällystää suojakerroksella myös siten, että se kastetaan sulaan metalliin tavallisesti sinkkiin (kuumasinkitys). Tällöin sinkki diffusoituu teräspintaan ja siinä saattaa muodostua hauraita rajakerroksia. Joissakin kokeissa on todettu kuumasinkityksen alentavan väsymislujuutta 45 % saakka. 193
Metalliruiskutusta pidetään yleensä akselille täysin vaarattomana. Siinä kylmän akselin pintaan ruiskutetaan paineilman avulla suurella nopeudella langasta sulatettua metallia. Tämä tehdään tavallisesti kerroksittain siten, että pohjalle ruiskutetaan ohut kerros metalliseosta, jolla on hyvä tarttuvuus akselin karhennettuun pintaan. Tartunta on siten ainakin osittain mekaaninen. Tämän kerroksen päälle ruiskutetaan toinen metalliseos, joka tavallisesti muodostaa ruostumattoman hyvin kovan pinnan. Kerroksen paksuudella ei ole rajoja. Siten ruiskutusta käytetään myös esim. laakerivaurioiden jälkeen akselin laakerikohdan tai laakeripesän sisäpinnan korjaamiseen. Käytännössä ruiskutettujen akselien väsymislujuus osoittautui odotettua heikommaksi. Kokeissa φ 70 mm:n koesauvoilla todettiin ruiskutteen vähentävän taivutusväsymislujuutta nuorrutusteräksellä 42 CrMo 4 ja akseliteräksellä Fe 50 n. 40 %. Sen sijaan teräksellä Fe 52 ei havaittu mainittavaa väsymislujuuden vähenemistä. Nämä luvut perustuvat vain yksittäisiin kokeisiin. Joissakin tapauksissa korroosiolle alttiiksi jäävää akselinosaa on pyritty suojaamaan hitsaamalla pintaan kerros austenniittista ruostumatonta terästä. Tällöin akseliteräksen hiili ja ruostumattoman teräksen kromi muodostavat kiderajoille kovaa ja haurasta kromikarbidia ja akselin väsymislujuus laskee alle senkin, mitä se olisi suojaamattomana ollut. Usein voidaan välttää akselin paljastaminen järjestämällä tiivisteet sopivasti. Kuvassa 7.37 sellupesurin rummun akselin muodostaa teräsputki, joka on päällystetty ruostumattomalla teräslevyllä. Akselitappi liittyy putkeen kahden laipan varaan hitsattuna. Päätylaipan pintaan on sijoitettu myös ruostumaton suojalevy, joka on ulkoreunastaan hitsattu putken suojalevyyn. Akselin juuresta tämä suojalevy on puristettu päätylaippaan laakerin sokkelorenkaan avulla ruuviliitoksella. Sauma täytyy tiivistää pehmeällä tiivistetahnalla. Nyt kiinnitetty aina rasvatäytteinen sokkelorengas sulkee tien arkaan akselin pintaan. On erittäin tärkeää, että sokkelorenkaan sovite akselitapille on väljä. Muussa tapauksessa se joko osallistuu taivutusmomentin kantoon tai hiertää akselitapin pintaa. Kuva 7.43 Sellupesurin akseli- ja laakerointirakenne 194
Yhteenvetona voidaan todeta, että väsytyskuormitettujen akseleiden korroosiosuojaus metallisilla päällysteillä alentaa niiden väsymislujuutta. Alentuminen ei kuitenkaan ole niin voimakasta, kuin korroosion vaikutus suojaamattomiin akseleihin. Kovakromausta ei tule käyttää tässä tarkoituksessa, ei liioin päällehitsausta. Suojaamattomankaan akselin väsymislujuus ei mene sentään nollaan. Jos kysymyksessä on niin lievästi korrodoiva ympäristö, ettei kuoppa- tai kiderajakorroosiosta ole pelkoa, väsymislujuus pysyy sentään + 100 N/mm 2 yläpuolella. Se ei juuri koskaan laske alle + 70 N/mm 2, vaikka korroosio olisi erittäin voimakas. Näitä jännityksiä käytettäessä on otettava huomioon rakenteen muotolukujen vaikutus. 7.5.5 Akselin lujittamismahdollisuudet Paras keino lujan akselin aikaansaamiseksi on muotoilla se oikein. Pahoja jännityshuippuja on syytä välttää, eikä dimensioiden valinnassa ole syytä kitsastella. Kuitenkin akselin dimensiot rajautuvat useimmissa tapauksissa akseliin liittyvien osien mukaan, eikä kunnolliselle mitoitukselle tai muotoilulle jää enää riittävästi liikkumavaraa. Täysin tasaluja akseli olisi myös toivottoman kallis. Akselin lujuus määräytyy eniten rasitetun kohdan mukaan. Siksi juuri olakkeiden ja napaliitosten muotoiluun ja lujittamiseen tulee kiinnittää päähuomio. Pyöristyssäteen suurentaminen olakkeessa pienentää nopeasti jännityshuippua. Olakkeella on kuitenkin usein aksiaalinen ohjaustehtävä, jota varten tarvitaan riittävästi suoraa otsapintaa. Pyöristyssäteen huomattava suurentaminen vaatisi vastaavasti suurempiläpimittaisen lähtöaineen valinnan. Halpa ja hyvä keino on olakkeen pohjan muokkaus rullaamalla. Tämä lisää väsymislujuuttaa 30...68 %. Rullauksen teho riippuu jännitysgradientista ja se on tehokkaimmillaan pienillä akseliläpimitoilla ja pienillä pyöristyssäteillä. Jostain syystä rullausta käytetään meillä varsin vähän. Hiilletyskarkaisu on tunnetusti hyvä menetelmä lujien akseleiden valmistukseen. Sitä käytetään varsinkin työstökoneiden akseleissa, joissa se antaa samalla kolhuja ja kulutusta kestävän pinnan. Hiilletyssyvyys on valittava jännitysgradientin mukaan. Akseleissa katsotaan lujuuden lisääntyvän kohtuullisesti hiilletyssyvyyteen 2 mm saakka, kun taas hammaspyörien hiilletyksessä optimi lienee n. 0,2 mm, riippuen tietenkin hampaan koosta. Hiilletyksessä akselia on vaikea saada pysymään suorana. Kun sitä ei käsittelyn jälkeen voida koneistaakaan, on tärkeimmät liittymäkohdat hiottava. Hiottavaksi tulevat napojen ja laakereiden sovituskohdat ja hammaspyörissä hampaiden pinnat. Nitraus on sikäli hyvä käsittely, että se ei aiheuta juuri mittamuutoksia. Nitrattu pinta on niin ohut, ettei siinä ole edes hiomisen varaa. Silti se tehoaa nimenomaan suurten jännityshuippujen kohdalla lisäten väsymislujuutta jopa 2...3-kertaisesti. 7.5.6 Ruostumattomien terästen käyttö akseleina Paperi- ja selluloosateollisuudessa ja muussakin prosessiteollisuudessa kappaleiden ruostumisella on haitallisia vaikutuksia jo niistä irtoavan ruosteen vuoksi. Tällöin pyritään kaikki osat valmistamaan ruostumattomasta teräksestä, myös akselit. 195
Austenniittinen ruostumaton teräs omaa varsin hyvän väsymislujuuden koesauvatulosten mukaan. Se vastaa teräksen Fe 50 lujuutta veto-puristusväsymislujuuden ollessa + 180 N/mm 2. Kuitenkin käytännössä austenniittisissa rakenteissa esiintyy pienilläkin jännitystasoilla yllättäviä murtumia. Tavallisesti murtumaa on edeltänyt terävä iskumainen kuormitus esim. jonkin löystyneen ruuviliitoksen aiheuttamana. Jos rakenne on taipuvainen värähtelyyn, murtumien esiintymiskohdat saattavat olla aivan yllättäviä. Tavalliset ferriittiset teräkset käyttäytyvät eri tavoin riippuen kuormituksen muutosnopeudesta. Pehmeä hiiliteräs osoittaa staattisella kuormituksella melko alhaista myötölujuutta. Jos kuormituksen muutosnopeus on suuri, se on taipuvainen välittämään korkeita taajuuksia laajalle alueelle ilman plastista muodonmuutosta. Rakenne "soi". Näissä värähtelyissä hetkelliset jännitykset voivat kohota hyvinkin korkeiksi, mutta teräs kestää ne ikäänkuin se olisi lujaksi karkaistu. Austenniittinen teräs soi huonosti, se vaimentaa värähtelyt itseensä. Se käyttäytyy suurillakin kuorman muutosnopeuksilla samaa myötölujuutta osoittaen kuin staattisellakin kuormalla. Näin korkeilla taajuuksilla esiintyvät iskukuormia seuraavat värähtelyt saattavat johtaa nopeaan väsymismurtumaan. Austenniittisten terästen käyttö on siis epävarmaa. On syytä pysyä alhaisella jännitystasolla + 50 N/mm 2 ja ennen muuta, välttää iskumaisia kuormia. Parempia väsymislujuuden arvoja saavutetaan erkaumakarkaistavilla ruostumattomilla teräksillä. Akselitapit voidaan myös varustaa kuormittamattomilla suojaholkeilla kuvan 7.37 tapaan. Lujien epoksimaalien käytöllä on monessa tapauksessa kyetty korvaamaan tällaiset järjestelyt. 7.6 Akseleiden hankauskuormitus Hankauskuormitus on akselisuunnittelulle eräs ikävimmistä ilmiöistä. Siitä tosin mainitaan kirjallisuudessa ylimalkaisesti, mutta sen mitoituksesta ja hallinnasta on vain niukasti tietoja saatavissa. Lisäksi monet klassiset ohjeet esim. napaliitosten suunnittelusta ovat hankauksen vaikutuksen kannalta suorastaan vääriä. Hankauskuormitus kilpailee vauriotilastoissa hyvin väsymismurtumien kanssa. Vieläpä huomattava osa sellaisia murtumia, joiden alkusyy on hankaus, luetaan väsymismurtumiin. Hankauksen tuote, kaakaon näköinen jauhe sovitepintojen välissä ja pinnan syöpyminen epätasaiseksi ovat olleet tunnettuja jo kauan. Pinnan syöpymistä epätasaiseksi on pidetty väsymismurtuman alkusyynä juuri epätasaisuudesta johtuvana. Puhutaan korroosioväsymisestä, jonka alkuperä on kitkakorroosio. Väsymislujuuden heikkeneminen on kuitenkin niin suuri, ettei mikään pinnanlaadun muotoluku riitä selittämään sitä. Osuvampi nimitys olisikin tälle kitkaväsyminen. Pintojen välistä hankautumista ja kulumista on toki tutkittu paljonkin. Yksi kulumisen muoto on se, että pinnan hankaavat harjanteet hitsautuvat kiinni vastapintaan revetäkseen jälleen irti liikkeen jatkuessa. Repeäminen saattaa jatkua toisesta kohdasta kuin hitsautuminen ja näin ainetta siirtyy pysyvästi pinnasta toiseen. Hitsautumisen yhteydessä tapahtuu irtoavien partikkeleiden hapettumista. Hapettumisen tuote, oksidit, suorittavat poiskulkeutuessaan vielä abrasiivista kulutusta. Abrasiivinen kuluminen ei ole osien lujuudelle vaarallinen, mutta hitsautumat ovat. 196