FÖRBÄTTRINGAR HOS SKRUVFÖRBAND Detta avsnitt avser att ta upp förbättringar på mekaniska delar i motorn som har identifierat med hjälp
12.4 MEKANISKA FÖRÄNDRINGAR FÖR BIBEHÅLLANDE AV FÖRSPÄNNING I SKRUVFÖRBAND
Eftersom problem med färg i skruvförband är välkända finns anledning att vilja undvika färg i mellanliggande ytor i ett skruvförband. Detta är svårt att uppnå utan att öka kostnaderna. Det skulle kräva en omarbetning av målningsförfarandet vilket leder till ökade kostnader. Det största problemet med färgen i ett skruvförband är att den har betydligt lägre hållfasthet än metallen i förbandet. Detta leder till att färgen komprimeras både vid åtdragning och med tiden dvs. färgen kryper vilket leder till reducerad förspänning i skruven Det kan tyckas att färgen är så pass tunn att den inte skulle påverka, men faktum är att färgtjockleken vid skruvhålet på en fot är ca 150
µm
om man sedan summerar färgtjocklekarna för färgen på andra sidan av foten och färgen på höljet hamnar man på en total färgtjocklek på nästan 500µm
. Vid prov har dock sättningen i skiktet mellan fot och hölje varit liten, den absolut största sättningen sker mellan bricka och fot. Enbart sättningen under brickan ger en större komprimering än förlängningen av skruven.En standard M12 skruv med 20 mm lång klämlängd i förbandet som dras åt och får en förspänning på 35kN förlängs endast med 35
µm
, då förstår man att det inte behövs särskild stor sättning i färgen för att tappa förspänningen. Självklart uppstår även sättningar i materialet men dessa är i förhållande till sättning i färgen mycket små. Tester har visat att den största sättningen fås i färgskiktet på undersidan av foten vilket är rimligt att tro eftersom yttrycket från skruvskalle/bricka där är stort. Tester har också visat att en mycket liten sättning sker i färgen vid kallt tillstånd.I dagsläget undviks problemet med tappad förspänning då förbandet efterdras efter uppvärmning. Detta ger en säkring av förspänning i förbandet men är tidskrävande. För att slippa proceduren med att efterdra skruvarna har en teoristudie med analytiska beräkningar gjorts för att utreda om förändringar i konstruktionen av foten kan leda till att efterdragning inte är nödvändig.
12.4.1 URGRÖPNING AV FOT
Om foten försvagas vid skruvhålen blir materialet mer flexibelt. På så sätt kan en fjäder byggas in direkt i foten. Vid åtdragning trycks materialet ihop och när sättning sker i färgen tar fjädern upp töjningen och förspänningen i förbandet bibehålls.
På ovansidan av foten (figur 12.1) görs ett uttag (figur 12.2), detta gör att området kring skruvhålet inte stöttar mot höljet. När en skruv dras mot höljet böjer materialet i foten sig som en bladfjäder, och kan på så sätt ta upp sättningar i färgen.
Figur 12.2 Fot med urfräsningen utritad.
Beräkningar gjordes helt analytiskt och grundas på beräkning av en U-balk som är fritt upplagd i båda ändar. Det verkliga fallet är svårt att behandla i teorin eftersom att de båda ändarna på balken inte är fritt upplagda eller fast inspända eftersom materialet kan ge med sig både uppåt/neråt och åt sidorna. En till aspekt som kommer in är att balken har ytterligare ett randvillkor, längs balkens ena sida finns mer material vilket gör att styvheten ökar drastiskt. Detta skulle dock kunna simuleras genom att göra U-balkens ena ben längre.
Resultat
Beräkningarna ledde till att om en 50mm lång, 10mm djup och 16mm bred urgröpning görs på ovansidan av foten skulle den teoretiska nedböjningen bli ca: 140µm, vid kraften 40kN. Denna långa urgröpning i längdled är svår att utforma vid samtliga hål därför gjordes ytterligare en beräkning där urgröpningen är 20mm lång, 4mm djup samt att material på undersidan av foten tas bort så att livet på balken blir 8mm. Längden på benen hos balken bidrar stort till styvheten. Detta utförande skulle ge en nedböjning på 130 µm vilket tar upp en stor del av sättningen i färgen.
Som jämförelse kan nämnas att tester visat att färgskiktet under skruvskallen på foten kan vara upp till 300µm, sättningen i färgskiktet motsvarar 30 till 80 %.
Kommentarer
Dessa resultat var så intressanta att en fot med urfräsningar tillverkades se figur 12.3 och 12.4. På ena sidan av foten en 30mm lång urgröpning med en bredd på 16mm samt ett djup på 4mm och en total godstjocklek på 12mm skulle ge en teoretisk nedböjning på 130 µm. På den andra sidan en 40mm lång urgröpning med en bredd på 16mm samt ett djup på 3mm och en total godstjocklek på 9mm skulle ge en teoretisk nedböjning på drygt 700 µm.
Figur 12.3-12.4. Urfräsningar ur fot.
Test på fot
Tidsbrist under examensarbetet har lett till att provtryckningar på foten inte har kunnat utföras. Möjligheterna som denna konstruktionsförändring skulle kunna medföra är så intressant att området bör utforskas utförligare.
Slutsats
Eftersom de teoretiska beräkningarna ledde till positiva besked angående nedböjningen av det resterande materialet efter urfräsning, bör fortsatta tester utföras.
12.4.2 REDUCERAD MÅLAD YTA VID SKRUVHÅL
Tidigare har nämnts att problematiken med färg i skruvförband är just att den leder till sättningar med tiden. Det som vill undvikas är att färg som befinner sig under skruvskallen stannar kvar när förbandet dras ihop. Med det här konstruktionsförslaget vill åstadkommas att färgen trycks undan med hjälp av ett högt tryck i kallt tillstånd. Det kommer fortfarande finns ett färgskikt mellan foten och höljet, men eftersom den lastupptagande arean där är större än under skruvskallen så blir sättningen där mindre än under skruvskallen.
För att erhålla ett högt tryck på färgen måste den lastupptagande arean minskas. Om det kring skruvhålen gjordes små ”piggar” som sticker upp ovanför det övriga materialet så får dessa ta upp ett högt tryck. Detta leder till att färgen på piggarna trycks undan och materialet i dessa plasticeras. Detta gör att när förbandet är åtdraget så är det metalliska ytor som ligger mot varandra vilket leder till att man inte får någon större sättning vid uppvärmning av förbandet. Hur dessa piggar skall utformas är osäkert, men viktigt är att dessa är jämnt fördelade för att inte få snedställning.
De gjuttekniska förutsättningarna måste också beaktas vid utformning av piggarna.
Om området kring undersidan på skruvhålet utformas som en krater med sluttande sidor, fås en liten lastupptagande area som är jämt fördelat kring hålet. Vilket som är lättast att göra rent gjutmässigt är osäkert.
För att testa teorin med lastupptagande piggar modifierades en fot till utseendet enligt figur 12.5-12.10. Färgen samt lite av materialet under skrapades bort runt skruvhålen på fotens undersida för att få ett utseende av piggar.
Det preparerades även ett fothål (båda sidor) med tillhörande höljehål där färgen togs bort helt på samtliga ytor.
Figur 12.7. 30 % färg kvar. Figur 12.6. 50 % färg kvar.
Figur 12.5. 100 % färg kvar.
Utförande:
Testet utformades så att den preparerade foten dras mot ett hölje med föreskrivet åtdragningsmoment (80Nm). Därefter värmdes fot och hölje upp i en ugn i 150°C så att värmen fördelas jämt i materialet och läts svalna. Därefter drogs skruvarna åt igen. Om dessa fortfarande höll ett åtdragningsmoment på 80Nm, har ingen förspänning tappats och piggarna har plasticerats och färgen har tryckts undan. Resultat
Resultat av kvarstående åtdragningsmoment ses i tabell 12.2
Andel färg 100% 50% 30% 20% 10% 0%
Åtdragningsmoment [Nm] 35 38 40 41 45 55
Slutsats
Eftersom skruvarna höll så lågt åtdragningsmoment efter uppvärmning kan slutsatsen dras att färgen inte trycktes undan i kallt tillstånd utan blev kvar under bricka/skruvskalle och mjuknade i ugnen vilket ledde till förlorad förspänningskraft. Det är alltså svårt att uppnå tillräckligt högt yttryck på färgen för att denna skall tryckas undan.
För att komma runt detta problem skulle färgen kunna modifieras för att få en högre alternativt lägre hållfasthet. Om färgen skulle ha låg hållfasthet vid rumstemperatur skulle yttrycket pressa undan färgen. Det andra alternativet är att modifiera färgen så att den har en bättre värmetålighet. Om färgen inte mjuknar vid förhöjd temperatur skulle inte den stora sättning som nu bildas uppstå vid
uppvärmning.
Tabell 12.2. Resterande moment efter uppvärmning. Andel färg avser ytan kring skruvhålet på undersidan av foten. Tilläggas kan också att det skruvhål (båda sidor) med tillhörande höljehål där färgen avlägsnats helt höll 80Nm efter uppvärmning och svalning. Åtdragningsmomentet 35 Nm hos hål med 100 % färg bygger på statistik av 5 åtdragningar.
12.4.3 BIBEHÅLLANDE AV FÖRSPÄNNING MED TALLRIKSFJÄDER
För att komma runt proceduren med efterdragning av fötter har en analys gjorts på tallriksfjädrar vars funktion är att ta upp den sättningen som sker i färgen och bibehålla förspänningen i förbandet. Efterforskning har lett till att det inte hittats en lämplig tallriksfjäder som standardkomponent på marknaden. Den tallriksfjäder som skulle passa till de aktuella motorernas fötter måste ha ungefär samma dimensioner som de nuvarande brickorna har för att passa i geometrin i foten.
En beräkning har gjorts för att simulera vilka egenskaper som skulle behövas på tallriksfjädern för att den skulle uppfylla kraven.
Inner- och ytterdiametrarna på tallriksfjädern är de samma som på den nuvarande brickan för att slippa göra konstruktionsförändringar på fotgeometrin. Beskrivning till de mått på tallriksfjädern som avses ses i figur 12.11 [12].
Materialet i tallriksfjädern bör vara av fjäderstål. Fjäderstål tar i många applikationer upp stor elastisk energi, därför prioriteras hög sträckgräns och/eller låg E modul. Materialvalet i den tallriksfjäder som är tänkt att användas i hos fötterna för att bibehålla förspänning måste ha en sänkt E modul till runt 5GPa och en sträckgräns över 900Mpa. Värdena nedan är specificerade efter en skruvkraft på 35kN.
Mått på tallriksfjäder:
m
MPa
MPa
GPa
E
mm
t
mm
h
mm
R
mm
R
Ry Ri i yµ
δ
σ
σ
220
114
186
900
732
5
13
1
25
,
6
11
=
−
−
=
−
−
=
⇒
=
=
=
=
=
Denna specifikation är det som krävs av den tallriksfjäder som skall kunna ersätta efterdragning av fotskruvarna. Än så länge har fjädrar med en sådan specifikation ej påträffats på marknaden bland standard sortimentet. y R ⋅ −1
α
yR
h t Ryσ
Riσ
Figur 12.11. Tallriksfjäder12.4.4 BIBEHÅLLANDE AV FÖRSPÄNNING MED TAGGBRICKA
Syftet med den här analysen är att se om en taggbricka kan hjälpa skruvförbandet mellan fot/hölje att bibehålla förspänningen efter impregneringen.
En taggbricka placeras under den ursprungliga brickan (figur 12.12). Avsikten med taggbrickan är att trycket mot färgen skall bli så stort vid åtdragning att delar av brickan tränger genom färgskiktet. På så sätt skapas metallisk kontakt mellan skruv och fot. Brickan är efter åtdragning så plasticerad att den inte längre töjer sig. Om detta fungerar elimineras sättningen mellan skruv och ytan skruven dras mot. Det finns fortfarande andra ytor i förbandet där färgskiktet är intakt, men tester har tidigare visat att den största sättningen sker i ytan direkt under skruvskalle/bricka. Test 1 – Lyckas taggbrickan tränga igenom färgskiktet i kallt tillstånd?
Åtdragning gjordes med tre olika moment, 40Nm, 60Nm och 80Nm för att urskilja när brickan eventuellt tränger igenom färgskiktet se figur 12.13-12.15.
Resultat del 1
Provdragningarna visade inte någon total genomträngning av färgskitet vid något åtdragningsmoment. Provet åtdraget med 80Nm hade vissa genomträngningar, men framförallt så var färgen på de utsatta ytorna kraftigt komprimerad.