Skrikande skruvdragningar
Jacob Andersson
Fredrik Danielsson
Wilhelm Löwen
Examensarbete MMK 2017:39 MKNB 093 KTH Industriell teknik och management
Maskinkonstruktion SE-100 44 STOCKHOLM
Examensarbete MMK 2017:39 MKNB 093 Skrikande skruvdragningar Jacob Andersson Fredrik Danielsson Wilhelm Löwen Godkänt 2017-06-07 Examinator Ulf Sellgren Handledare Ulf Sellgren Uppdragsgivare KTH Maskinkonstruktion, Atlas Copco Kontaktperson Ellen Bergseth Mayank Kumar
Sammanfattning
Denna rapport är ett kandidatexamensarbete i maskinkonstruktion där skrikande skruvdragningar undersöks. Undersökningen inleddes med en förstudie i skruvens mekanik och åtdragningsprocessen. Stick-slip-fenomenet har även undersökts i förstudien. Vidare har intervjuer gjorts med personer som har erfarenhet inom området på Scania och Atlas Copco. Dessa intervjuer stärker teorin om att skrikfenomenet orsakas av stick-slip.
Egenfrekvenser för ett skruvförband med dimensionerna M8 x 60 mm för skruven och M8 M6M för muttern togs fram genom en FEM-analys i Ansys. Detta för att i framtida praktiska tester kunna jämföra dessa frekvenser med uppmätta skrik.
Den ursprungliga hypotesen om att stick-slip orsakar skrik bedömdes rimlig då egenfrekvensen för skruvförbandets torsionssvängning faller inom det hörbara intervallet.
Bachelor Thesis MMK 2017:39 MKNB 093
Screaming screw tightenings
Jacob Andersson Fredrik Danielsson Wilhelm Löwen Approved 2017-06-07 Examinator Ulf Sellgren Handledare Ulf Sellgren Uppdragsgivare KTH Machine Design, Atlas Copco Kontaktperson Ellen Bergseth Mayank Kumar
Abstract
This paper is a bachelor thesis in machine design where screaming screw tightenings are discussed. The research was initiated with a preliminary study in screw mechanics and the tightening process, as well as the stick-slip phenomenon. Furthermore, interviews were conducted with people at Scania and Atlas Copco who have relevant experience in screaming screw tightenings. These interviews strengthened the theory that screaming is caused by stick-slip.
The natural frequency of a screw joint with a M8 x 60 mm screw and M8 M6M nut were approximated with FEM-analysis in Ansys. This in order to provide data for comparison with measured screams in future practical tests.
The initial hypothesis that stick-slip causes scream was considered plausible since the natural frequency for the screw joint’s torsional oscillation is within the audible range.
FÖRORD
Tack till Ulf Sellgren för handledning i projektet samt Mayank Kumar och Ellen Bergseth för konsultation. Även ett stort tack till Erik Rindberg för studiebesök och för att ha delat med sig av sin erfarenhet inom skrikande skruvdragning.
Jacob Andersson, Fredrik Danielsson, Wilhelm Löwen Stockholm, maj 2017
NOMENKLATUR
Beteckningar
Symbol
Beskrivning
E Elasticitetsmodul (Pa) k F Klämkraft (N) f F Friktionskraft (N) Töjning (1) a Axiella dragspänningen i skruven (Pa)
Vridspänning (Pa)
Totala spänningen (Pa)
Förkortningar
Innehållsförteckning
1 INTRODUKTION
1
1.1 Bakgrund 1 1.2 Syfte 1 1.3 Avgränsning 1 1.4 Metodik 22 REFERENSRAM
3
2.1 Skruvens mekanik 3 2.2 Åtdragningsprocessen 32.3 Friktion och stick-slip 4
2.4 Förbättring av spänningsfördelning i gänga 6
3 GENOMFÖRANDE
7
3.1 Scania 7 3.2 Atlas Copco 7 3.3 Frekvensanalys 74 RESULTAT
11
4.1 Frekvensanalys 115 DISKUSSION OCH SLUTSATS 15
5.1 Scania 15
5.2 FEM-analys 15
5.3 Framtida arbete 15
5.4 Slutsatser 15
1
1 INTRODUKTION
Det här kapitlet beskriver bakgrund, syfte, avgränsning och metod för det utförda examensarbetet.
1.1 Bakgrund
I dagens tekniska produkter används skruvförband i mycket stor omfattning. Exempelvis innehåller en Scanialastbil ca 4000 skruvförband med varierande säkerhetskrav. Skruvförband i industrin monteras i regel med skruv- och mutterdragare som drivs av el eller tryckluft, se Figur 1.
Figur 1. Åtdragning med skruvdragare
Dessa verktyg har stor kontroll över det åtdragande momentet och därmed ett skruvförbands klämkraft. Vissa åtdragningar av dessa förband har dock visats sig vara problematiska i det avseendet att förbandet skriker, d.v.s. ger ifrån sig ett starkt oljud under åtdragning. Detta kan ha stor negativ inverkan på arbetsmiljön, till den grad att gravida montörer inte kan arbeta då fostrets hörsel kan ta skada. Det finns även teorier om att skruvförbandet får en opålitlig klämkraft till följd av detta fenomen då full kontroll över friktionskrafterna i åtdragningen inte kan säkras. Detta baserat på en hypotes att det är på grund av så kallade ”stick-slip”-effekter detta fenomen uppstår.
”Stick-slip”-effekter innebär att skruven momentant stannar upp under åtdragning. Hypotesen säger att detta leder till vibrationer ur vilka det skrikande ljudet uppkommer. Fenomenet beror bland annat på ogynnsam friktion. (Sellgren & Andersson, 2017)
1.2 Syfte
Syftet med denna studie är att undersöka vad som ligger bakom skrikfenomenet och konstatera vilka förutsättningar som krävs för att en skruvdragning ska skrika. Hypotesen om stick-slip ska testas och utvärderas. Om den bedöms osannolik ska en annan hypotes presenteras. Studien ska till sist undersöka vilka metoder som kan användas för att eliminera skrik.
1.3 Avgränsning
Inga praktiska tester kommer utföras, undersökningen kommer begränsas till informationssökning, intervjuer, datorsimuleringar och beräkningar. Detta för att de många testfall som krävs blir omfattande och inte hinns med i projektets tidsrymd. Det är även svårt att återskapa skrik i praktiska tester, detta behandlas närmre i kapitel 3.2.
2
1.4 Metodik
För att bygga en kunskapsgrund ska en informationssökning göras digitalt. Personer med relevant kompetens och erfarenhet på Scania och Atlas Copco ska intervjuas.
Ansys kommer användas för att undersöka ett skruvförbands egenfrekvenser för olika typer av svängningar vid åtdragning. Detta är viktigt för att få en uppfattning om hur svängningarna ser ut, i vilket storleksordning frekvenserna har för att jämföra med vad som kan uppfattas som ett skrik och till sist att kunna jämföra dessa med faktiska uppmätningar i framtida praktiska tester.
3
2 REFERENSRAM
I detta kapitel behandlas information relaterat till skruvförband som är känt sedan tidigare.
2.1 Skruvens mekanik
När ett rotationsmoment appliceras på ett skruvförband ger det upphov till en klämkraft, F , och k
en friktionskraft, Ff , i skruven, se Figur 2.a. (Codecogs, 2011) Krafterna i gängan är dock inte jämt fördelad utan är som störst närmast skruvhuvudet och avtar sedan längre ifrån, se Figur 2.b. (František, et al., 2013)
Figur 2.a. Krafter som verkar på skruv Figur 2.b. Kraftfördelning över gängan
2.2 Åtdragningsprocessen
Vid åtdragningen av ett skruvförband uppstår som nämnts en klämkraft, F , på flänsen som ska k
sättas ihop. När appliceringen av moment på skruvförbandet sker uppkommer en axiell rörelse i skruven som i sin tur ger upphov till förlängning av skruven som resultat av vridspänningar och dragspänningar. Dragspänningar uppkommer på grund av förlängning av skruven enligt
a
E , (1)
där Eär elasticitetsmodulen, är töjningen och är axiella dragspänningen. Vridspänningen, a , i skruven är som störst ute vid gängorna och avtar inne mot mitten av skruven till noll samtidigt som den axiella kraften är konstant i radiell led, se kraftvektorerna i Figur 3.a. Figur 3.b. visar hur den totala spänningen, , varierar i skruven med avståndet från centrum, där demonstreras hur den axiella kraften är opåverkad av avstånd från centrum. Som Figur 3.a visar är åtdragningsmomentet fortfarande i verkan på skruven, vid borttagning av åtdragningsmoment kommer vridspänningen minska signifikant. Detta beror vridningen av själva skruven på grund av pålagt åtdragningsmoment tenderar att vridas tillbaka en del, skruvens slutar sin återvridning när skruvhuvudets friktion mot förbandsytan är i jämnvikt med momentet i själva skruvstammen, så kallad ”relaxation” uppstår (Skogsmo, 2013).
4
Figur 3.a. Krafter inne i skruv Figur 3.b. Spänningsfördelning
2.2.1 Monteringsfriktion
Vid montering av en av en skruv är det en relativt liten del av åtdragningsmomentet som går till att bygga upp klämkraften i skruven, cirka 10 % (Skogsmo, 2013). Resterande 90 % av moment går till att övervinna friktion i skruvhuvudet (50 %) och friktionen i gängorna (40 %). Självfallet varierar dessa siffror beroende på ingående parametrar i skruven som påverkar friktionskoefficient såsom vilka material och typ av smörjning som arbetas med. Dock brukar standard inom industrin ligga kring de här värdena (Skogsmo, 2013). Anledningen till att arbeta med så pass höga friktioner är att det inte ska finnas någon risk för att skruven gängar upp sig. Gängan kan ses i profil, se förstoringen i Figur 2.a., som en sluttning där vid åtdragning skruven klättrar i denna sluttning. När sedan åtdragningsmomentet tas bort från skruven kommer kraften,
k
F , vilja skjuta skruven ner för denna sluttning igen och det som motverkar den upplappning är
friktionskraften, Ff . Därför måste friktionen ligga på 0.07 eller högre för att klara av att stå emot F , även vid vibrationer (Skogsmo, 2013). k
2.3 Friktion och stick-slip
En friktionskraft i allmänhet är proportionell mot friktionskoefficienten och normalkraften som verkar på ytan. Det råder litet samförstånd om vad som orsakar friktion. Friktionskoefficienten har dock observerats bero på en mängd olika faktorer, såsom typ av material, ytfinhet, smörjningar, beläggningar och hastighet (Blom, 2013). Den största distinktionen som görs är mellan statisk och dynamisk friktion. I det statiska fallet kan friktionskoefficienten vara högre än i den dynamiska, vilket leder till att friktionskraften är som störst precis innan ytorna börjar förflyttas relativt varandra, se Figur 4. (Young & Freedman, 2012)
5
Figur 4. Statisk och dynamisk friktion
När en massa skiftar mellan statisk och dynamisk friktion, det vill säga temporärt stannar upp, kallas det för Stick-slip. Detta fenomen kan illustreras med hjälp av Figur 5.
Figur 5. Modell för stick-slip
När en kraft appliceras åt vänster på dragsystemet, V, ökar friktionskraften på massan, M, linjärt i det statiska området. När det växlar till dynamisk friktion minskar friktionskraften plötsligt vilket ger massan en acceleration. Det leder till att fjädern, R, komprimeras och således minskar kraften på massan. När kraften har minskat så mycket att det inte längre är gynnsamt att övervinna dynamiska friktionen så kommer massan att stanna. När den väl har stannat upprepas sekvensen. (Wikipedia, 2017)
För att processen ska fortlöpa krävs det givetvis att det sker i enighet med massa-fjäder-systemets egenfrekvens. För ett vanligt skruvförband finns det fyra sådana system, skruv, mutter och de två respektive flänsarna. Eftersom ingen utav dessa komponenter är helt och hållet styva, skulle fenomenet kunna hända i vilken som. De glidningsytor som finns är dock skruvhuvud-fläns, skruvgänga-muttergänga och mutter-fläns.
Om massan redan har en konstant hastighet och sedan utsätts för stick-slip krävs det att någon form av initiering som stannat upp massan. Detta kan i ett skruvförbands fall vara exempelvis smuts men framför allt varierande friktion i gängan. Det finns även bevis för att ”self-organized criticality” förekommer vad gäller stick-slip fenomenet. (Feder & Feder, 1991) Det innebär att omständigheterna för att stick-slip ska inträffa inte kräver exakt gynnsamma förhållanden då systemet har en förmåga att ställa in sig själv.
6
2.4 Förbättring av spänningsfördelning i gänga
I en tidigare studie (František, et al., 2013) undersökte man hur en speciell typ av mutter påverkade spänningsfördelningen över gängan, muttern visas i Figur 6. Tanken är att reducera styvheten hos de första gängorna och på så sett låta dem ta upp en lägre spänning.
Figur 6. Mutter med reducerad styvhet vid de första gängorna.
Som Figur 2.b visar är spänningsfördelningen långt ifrån jämn i en traditionell mutter. Muttern med minskad styvhet får en betydligt bättre spänningsfördelning, se Figur 7.
Figur 7. Spänningsfördelning på mutter med minskad styvhet
I den specifika applikationen som undersöktes i studien innebar denna förändring inkl. en del andra flänsförändringar en minskning av vibrationsamplitud på 30 %.
7
3 GENOMFÖRANDE
I det här kapitlet behandlas arbetsgången för projektet. Erik Rindberg på Scania och Mayank Kumar på Atlas Copco har intervjuats och en frekvensanalys av ett M8-förband har gjorts.
3.1 Scania
På Scania intervjuades Erik Rindberg som jobbar på truckchassi. Rindberg intervjuades angående Scanias problem med skrikande skruvdragningar på monteringslinan. Rindberg berättade att Scania tidigare har haft problem med skrik på framför allt sina större skruvapplikationer såsom M20 i lastbilschassin, se Figur 8. Skruvflänsarna som då skruvats fast har varit pulverlackade. I dessa fall har man med hjälp av ”trial and error” eliminerat skriket. Man har då i ett fall bytt skruvens ytbehandling och i ett annat minskat åtdragningshastigheten från 30 rpm till 5 rpm. Scania har inte mätt upp några ljudnivåer eller frekvenser på skriken. Rindberg misstänker att det är möjligt att det inte bara är skruvförbandet som orsakar skrik utan att det också skulle kunna härstamma från skruvdragningsutrustningen. Han tror även att skriket möjligen orsakar stor förslitning på utrustningen.
Figur 8. Skrikdrabbade skruvförband lastbilschassin
3.2 Atlas Copco
På Atlas Copco intervjuades Mayank Kumar som är industridoktorand. Kumar anser att skriket beror på just upprepande stick-slip. Han poängterar också att det är mycket svårt att återskapa skrik i en kontrollerad miljö då det är väldigt applikationsberoende. För att i framtiden kunna göra tester krävs det alltså att en skruvdragning man upplevt skrik på återskapas, samtliga parametrar som typ av material, ytbehandling, vridmoment och rotationshastighet måste överensstämma.
3.3 Frekvensanalys
För att få reda på vilka egenfrekvenser skruvförbandet har och av vilken svängningstyp dessa är gjordes en FEM-analys i Ansys. Skruvförbandet som undersöktes bestod av en skruv M8 x 60
8
mm 8.8 och en M8-mutter av typ M6M. Anledningen till att M8 valdes grundar sig i att M20, som Scania framför allt upplevt problem med, är för stora för att undersöka i en traditionell provningsrigg. Enligt Mayank Kumar är M8 ett vanligt förekommande förband som säkerligen har funnits i skrikdrabbade applikationer. Komponenterna modellerades enligt ISO SMS 2. (Instutitionen för maskinkonstruktion KTH, 2008) Med en förspänningskraft på 73 % av sträckgränsen innebär det kraft på 17,1 kN. Friktionstalet ansattes till 0,2.
3.3.1 Traditionell mutter
Kraften ansattes på muttern och skruvhuvudet ansattes fast inspänd. Vid åtdragning av förbandet stannar glidningen mellan mutter och skruv momentant upp. Det leder alltså till hastighetsvariationer i rotationen.
3.3.2 Mutter med spår
För att undersöka om ett spår enligt avsnitt 2.4 kan påverka egensvängningarna kompletterades den traditionella muttern med ett spår enligt Figur 9.a. Tanken är att en bättre utbred spänning kan ge upphov till en styvare konstruktion. Flera olika geometrier provades men denna gav störst påverkan. För att se skillnaden visar Figur 9.b en vanlig mutter.
9
11
4 RESULTAT
4.1 Frekvensanalys
I detta avsnitt presenteras egensvängningarna för skruvförbandet med respektive utan spår. 4.1.1 Traditionell mutter
Respektive egensvängning visas i Figur 10-15.
Figur 10. 1:a ordningens böjning
Figur 11. 1:a ordningens böjning
12
Figur 13. 2:a ordningens böjning
Figur 14. 2:a ordningens böjning
Figur 15. Axiell svängning
Samtliga egenfrekvenser redovisas i Tabell 1.
Tabell 1. Egenfrekvenser traditionell mutter
Nr. 1 2 3 4 5 6
Frekvens [Hz]
13 4.1.2 Mutter med spår
Samtliga egenfrekvenser och deras karaktärer för muttern med spår redovisas i Tabell 2. Utseendena är motsvarande för mutter utan spår.
Tabell 2. Egenfrekvenser mutter med spår
Nr. 1 2 3 4 5 6 Frekvens [Hz] 1407,3 1412,4 7302,7 7335 7834 15 530 Karaktär 1:a ordningens böjning 1:a ordningens böjning 2:a ordningens böjning 2:a ordningens böjning Torsions-svängning Axiell svängning
15
5 DISKUSSION OCH SLUTSATS
I det här kapitlet diskuteras resultaten.
5.1 Scania
Att Scania har lyckats eliminera skrik genom att minska rotationshastigheten är något motsägelsefullt då det närmar sig statisk friktion ytterligare. Det bekräftar dock att det finns ett kritiskt område där skrik uppstår, motsvarande som för stick-slip som nämnts i avsnitt 2.3. Att de också sett förbättringar med hjälp av att ytbehandla skruvar förklaras troligtvis genom att friktionen blir mer homogen och således minskar risken för initiering av stick-slip men också att sambanden mellan friktionskrafter och egenfrekvenser ändras.
5.2 FEM-analys
I FEM-analyserna av skruvförbanden presenterades egensvängningar i form av böjande, torsions och axiell typ. Samtliga är inom hörbart område men den som är mest intressant är troligtvis torsionssvängningen. Detta då friktionskrafterna mellan skruven och flänsen verkar i samma riktning som torsionssvängningen. Vid upprepande stick-slip vid åtdragning av förbandet fås stora hastighetsvariationer i rotationsriktningen, det är därför störst sannolikhet att det är torsionssvängningen som initieras.
Muttern med spår höjde egenfrekvenserna något. Värt att påpeka är att torsionssvängningen och 2:a ordningens böjning är närmare varandra än innan, det finns således större risk att dessa triggar varandra vid eventuell initiering.
5.3 Framtida arbete
Framtida undersökningar kan bygga på denna rapport genom att göra fysiska tester på M8 x 60 mm, på så vis kan rätt omständigheter för skrik isoleras på empirisk väg. Parametrar som bör undersökas är åtdragningshastighet, ytbeläggning på skruv och fläns samt åtdragningsmoment. Det är viktigt att man utgår från en tidigare skrikdrabbad skruvapplikation och därifrån varierar ovan nämnda parametrar. I undersökningen bör mätas vilken frekvens skriket har och jämföra om det stämmer överens med egenfrekvensen för skruvförbandet, i synnerhet torsionssvängningen.
5.4 Slutsatser
Enligt de intervjuer som gjort verkar stick-slip vara en trolig förklaring till skriket. Torsionssvängningen som togs fram i FEM-analysen är inom det hörbara området vilket innebär att det mycket väl kan vara skruv + mutter som vibrerar. Muttern med spår hade ingen större påverkan på egensvängningarna. Eftersom att torsionssvängningen har en frekvens närmare 2:a ordningens böjning är det troligtvis inte en bra metod för att minska skrik. Att förändra rotationshastigheten och laborera med olika ytbehandlingar är metoder som åtminstone i Scanias fall fungerat för att eliminera skrik. Dessa metoder kan dock inte ses som heltäckande.
17
Referenser
Blom, A., 2013. Speed dependent friction in bolt. Master of Science Thesis. Codecogs, 2011. Screw Threads. [Online]
Available at: http://www.codecogs.com/library/engineering/theory_of_machines/screw-threads.php
[Använd 04 06 2017].
Feder, H. J. & Feder, J., 1991. Self-Organized Criticality in a Stick-Slip Process.
PHYSICAL REVIEW LETTERS, Volym 66.
František, T., František, Š. & Jozef, B., 2013. Possibility of Carrying Capacity Increasing of Anchor Bolts in Heavy Equipments of Metallurgical Plants. American Journal of
Mechanical Engineering, Volym 1.
Instutitionen för maskinkonstruktion KTH, 2008. Maskinelement handbok. 1 red. Stockholm: u.n.
Sellgren, U. & Andersson, K., 2017. Examensarbete inom maskinkonstruktion,
grundnivå. [Online].
Skogsmo, J., 2013. Handbok för skruvförband. [Online]
Available at: http://handbok.sfnskruv.se/template.asp?lank=184 [Använd 3 Maj 2017].
Wikipedia, 2017. Stick-slip phenomenon. [Online]
Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Stick-slip_phenomenon [Använd 04 05 2017].
Young, H. & Freedman, R., 2012. University physichs. 13 red. u.o.:u.n.
