Säkring av samtliga kritiska skruvförband i mellanstora asynkronmotorer

(1)

Säkring av samtliga kritiska skruvförband i

mellanstora asynkronmotorer

TOMAS WYKMAN

(2)

Säkring av samtliga kritiska skruvförband i

mellanstora asynkronmotorer

av

Tomas Wykman

Examensarbete MMK 2006:x {avdnr} Examensarbete MMK 2006:35 MME 790 KTH Industriell teknik och management

(3)

Examensarbete MMK 2006:35 MME 790 Säkring av samtliga kritiska skruvförband i

mellanstora asynkronmotorer Tomas Wykman Godkänt 2006-04-28 Examinator Sören Andersson Handledare Ulf Olofson Uppdragsgivare ABB LV Motors Kontaktperson Åke Andersson

SAMMANFATTNING

Syftet med examensarbetet är att få en sammanställning av samtliga kritiska skruvförband för samtliga motorer som tillverkas på LV Motors. ABB LV Motors tillverkar asynkronmotorer i sju axelhöjder. Varje motorstorlek finns med flera varianter av komponenter t.ex. standardsköld och flänssköld. Beroende på vilka komponenter motorn är utrustad med uppstår olika typer av påfrestningar i motorns delar, vissa monteringssätt är mer gynnsamma än andra.

Skruvförbanden mellan sköld/hölje, fot/hölje och lagerlock/sköld är de mest kritiska och har därför analyserats under detta arbete. För att få en tydlig överblick över motorns begränsningar har en sammanställning av samtliga motorer gjorts med hjälp av ett nyutvecklat beräkningsprogram.

Programmet utför mekaniska beräkningar på de olika skruvförbanden. Med Programmet har befintlig design analyserats samt nya förslag på designer utvärderats. Studien har bland annat visat att

kostnadssparande omkonstruktioner är möjliga framförallt i skruvförbandet mellan fot/hölje. I skruvförband finns alltid en osäkerhet kring vilken förspänningskraft man i verkligheten erhåller i skruven vid montering med ett visst åtdragningsmoment och med ett visst smörjtillstånd.

Tester av förspänningskraften i skruven har visat att denna blir mindre än förväntat vid åtdragning utan smörjning. Tillförs rikligt med smörjning vid montering finns risk att skruven får en hög dragspänning vilket kan leda till att skruven plasticeras under drift då fler krafter adderas till förspänningskraften.

På grund av lokalt höga tryck runt skruvförbanden finns risk för sättningar i färgen på motorns komponenter, sköld, hölje och fot. Sättning kan i sin tur leda till förlust av förspänningskraft. Tester av färgen på sköldar och fötter har visat att det högsta yttrycket åstadkoms i ytan under skruvskallen, det är också där som den största sättningen i färgen uppkommer.

Undersökningar har visat att en taggbricka placerad mellan bricka och fot uppehåller förspänningen relativt bra under uppvärmning av förbandet.

En utvärdering har visat på att målningsförfarandet av fötterna bör ses över, i dagsläget fås en

(4)

Master of Science Thesis MMK 2006:35 MME 790 Establishment of all the critical bolted joints in

medium sized induction motors

Tomas Wykman Approved 2006-04-28 Examiner Sören Andersson Supervisor Ulf Olofsson Commissioner ABB LV Motors Contact person Åke Andersson

ABSTRACT

The purpose with this thesis is to get a compilation of all the critical bolted joints of all engines produced at LV Motors. ABB LV Motors produces induction engines with seven shaft heights. Each engine size exists several variants of components ex. standard shield and flange shield. Depending on which components the engine is equipped with arises various types of strains in the engine's parts, certain assembly ways are more favourable than other.

The most critical parts in the engine from a mechanical point of view are the screw units between shield/stator, feet/stator and bearing cover/shield. In order to get a overview of the engine's restrictions a summary of all engines has been done and a calculation software been produced. The screw program handles data from the engines and makes mechanical calculations on the screw units. The screw program is used to analyze the existing design and to evaluate new proposals on designs. The screw program has among other things shown that cost saving redesigns is possible above all in the screw unit feet/stator.

There is always an uncertainty around which prestress that in reality arise in the screws when assembly with a certain tightening moment with certain lubricate condition.

Experiments of the prestressing force in the screws have shown that this becomes smaller than expected at tightening without lubricate. On the other hand, screws with lubrication risk to get to high prestress when operating because that more forces are added to the prestressing force.

Because of locally high pressures around the screw units, a risk exists for subsidence in the colour on the engine's components, shield, stator and feet. Subsidence can lead to loss of prestressing force. Analyzes of the colour on shields and feet’s have shown that the highest surface pressure is achieved in the surface under the screw scale, it’s also there the biggest subsidence in the colour occur. Surveys have shown that a toothed plate connector placed between screw and feet detains the prestress

relatively well during heating of the unit.

(5)

FÖRORD

Det här examensarbetet är utfört på ABB LV Motors i Västerås som den sista delen i den maskintekniska civilingenjörsutbildningen på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Utbildningen är 180 poäng lång där examensarbetet utgör de sista 20 poängen.

Under arbetets gång när problem uppstått har jag fått hjälp av många personer både på ABB och KTH. Jag skulle speciellt vilja tacka följande personer: Åke Andersson som varit min handledare på ABB, Ulf Olofsson som varit min handledare på KTH, Mikael Grindbo ABB, Martin Hellblom ABB, Nicklas Jonsson ABB, samt ytterligare ett flertal personer på ABB.

(6)

INNEHÅLL

SAMMANFATTNING ...III ABSTRACT ...IV FÖRORD... V INNEHÅLL...VI 1 INLEDNING... 1 2 ÖVERSIKT MOTORER... 2

3 BETECKNINGAR OCH SYMBOLER ... 4

3.1 BETECKNINGAR... 4

4 SKRUVENS MEKANIK ... 7

4.1 ALLMÄNT OM SKRUVFÖRBAND... 7

4.2 KRAFT – DEFORMATIONSDIAGRAM FÖR SKRUV OCH UNDERLAG... 8

4.3 FRIKTION... 9

5 SKRUVFÖRBAND MELLAN SKÖLD OCH HÖLJE ... 11

6 SKRUVFÖRBAND MELLAN FOT OCH HÖLJE... 12

7 SKRUVFÖRBAND MELLAN LAGERLOCK OCH SKÖLD... 13

8 VERIFIERINGAR AV BERÄKNINGAR ... 15

8.1 FÖRSPÄNNINGSKRAFT... 15

8.1.1 Genomförande ... 16

8.1.1.1 Kalibrering av lastceller... 16

8.1.2 Resultat av åtdragningar av skruvförband ... 17

8.1.2.1 Kraftfördelning på lastcellen... 17

8.1.2.2 Förspänningskraft vid olika smörjförhållanden ... 18

8.2 FÄRG... 22

8.2.1 Verklig sättning i färg... 22

8.2.2 Hårdhetsmätningar på färgskikt... 24

9 APPROXIMATIONER/ANTAGANDEN... 25

9.1 ALLMÄNNA ANTAGANDEN... 25

9.2 ANTAGANDE GÄLLANDE SKÖLD - HÖLJE... 26

9.3 ANTAGANDEN GÄLLANDE FOT -HÖLJE... 30

9.4 ANTAGANDEN GÄLLANDE LAGERLOCK -SKÖLD... 31

10 SKRUVPROGRAM BESKRIVNING... 32

10.1 SCHEMATISK BILD ÖVER SKRUVPROGRAMMET... 32

10.2 HUVUDFÖNSTRET... 33

10.2.1 Översikt indatafönster ... 34

10.3 FLIKAR I PROGRAMMET... 35

10.4 ÖVERSIKT KRAFTER OCH BELASTNINGAR... 36

10.4.1 Sköld-hölje fotmonterad motor... 36

10.4.2 Sköld-hölje flänsmonterad motor ... 37

(7)

10.4.4 Lagerlock... 39

10.5 VALIDERING AV PROGRAMBERÄKNINGAR... 40

10.5.1 Förspänningskraft ... 40

10.5.2 Sköldberäkning... 41

11 ANALYS AV BEFINTLIG DESIGN ... 42

11.1 TUMREGLER HOS SKRUVFÖRBAND MELLAN SKÖLD OCH HÖLJE... 42

11.2 TUMREGLER HOS SKRUVFÖRBAND MELLAN FOT OCH HÖLJE... 42

11.3 TUMREGLER HOS SKRUVFÖRBAND MELLAN LAGERLOCK OCH SKÖLD... 43

12 FÖRSLAG TILL MEKANISKA FÖRBÄTTRINGAR HOS SKRUVFÖRBAND... 44

12.1 SKRUVFÖRBAND MELLAN SKÖLD OCH HÖLJE... 44

12.2 SKRUVFÖRBAND MELLAN FOT OCH HÖLJE... 45

12.3 SKRUVFÖRBAND MELLAN LAGERLOCK OCH SKÖLD... 46

12.4 MEKANISKA FÖRÄNDRINGAR FÖR BIBEHÅLLANDE AV FÖRSPÄNNING I SKRUVFÖRBAND... 47

12.4.1 Urgröpning av fot... 47

12.4.2 Reducerad målad yta vid skruvhål ... 49

12.4.3 Bibehållande av förspänning med tallriksfjäder ... 51

12.4.4 Bibehållande av förspänning med taggbricka... 52

12.4.5 Modifiering av färg alternativt målningsförfarandet hos aluminiumfötter... 54

13 SLUTSATSER ... 56

REFERENSER ... 57 BILAGOR:

1. Analys av påkänningar i skruv

2. Beräkningar skruvförband mellan sköld och hölje 3. Beräkningar skruvförband mellan fot och hölje 4. Beräkningar skruvförband mellan lagerlock och sköld 5. Brott hos skruvar i ett skruvförband

6. Gängpressande skruv

(8)

1 INLEDNING

Detta examensarbete behandlar en teoretisk genomgång av skruvförbanden i en elmotor.

Det vill säga en analys av de kritiska skruvförbanden mellan sköld/hölje, fot/hölje och lagerlock/sköld. Syftet med ett skruvförband är att hålla samman delarna i förbandet under de lastförhållanden som förbandet konstruerats för. Tekniskt sett innebär detta att man skapar tillräckligt med klämkraft i förbandet för att stå emot de krafter som förbandet kan utsättas för utan att lossas, men inte tillräckligt med klämkraft för att någon del av förbandet ska brytas sönder.

Arbetet går bland annat ut på att utforma ett beräkningsprogram där gränserna för mekaniken i befintliga motorer beskrivs, en säkring av mekanisk integritet i ABB’s motorer. Utredningen berör samtliga motorstorlekar som tillverkas i Västerås. I fabriken tillverkas ca 100 000 motorer per år, uppdelat i 7 olika axelhöjder.

Syftet med examensarbetet är att få en sammanställning av samtliga kritiska skruvförband för samtliga motorer som tillverkas på LV Motors, vilket inte funnits tidigare. För att undvika att samma arbete med beräkningar över skruvförbanden i motorerna inte skall upprepas av flera konstruktörer, samlas all information kring motorns kritiska skruvförband i ett beräkningsprogram samt i det här

dokumentet. Beräkningsprogrammet eller skruvprogrammet som det också kallas är tänkt att användas av personer på teknikavdelningen för att analysera den befintliga designen samt utvärdera nya förslag på designer.

Skruvprogrammet består av beräkningar på motorer av gjutjärn med axelhöjd 160-250 och aluminium med axelhöjderna 112-280. De olika delar som har analyserats är: skruvförbandet som håller fast D-skölden mot höljet, skruvförbandet mellan fot och hölje samt skruvförbandet mellan sköld och lagerlock.

På grund av lokalt höga tryck runt skruvförbanden finns risk för sättningar i färgen på motorns komponenter, sköld, hölje och fot. Sättning kan i sin tur leda till förlust av förspänningskraft. För att utreda detta problem och skapa kunskap om hur färgen beter sig vid olika belastningar och

temperaturer har prov gjorts på Corporate Research samt på LV Motors.

I skruvförband finns alltid en osäkerhet kring vilken förspänningskraft man i verkligheten erhåller i skruven vid montering med ett visst åtdragningsmoment vid ett visst smörjtillstånd. För att öka kunskapen har tester kring detta gjorts.

Figur 1.1-1.4 visar de kritiska skruvförband som analyserats. Dessa är de mest påfrestade förbanden i motorn. Det finns även skruvförband mellan uttagslåda och hölje samt mellan fläktkåpa och hölje, men dessa utsätts inte för några större påfrestningar.

(9)

2 ÖVERSIKT MOTORER

Detta avsnitt är till för att ge läsaren en bild över hur motorerna samt de tillbehör som kan kombineras med motorerna ser ut. Motorerna kan monteras på två olika sätt, antingen med fot montering eller med flänsmontering t.ex. mot en växellåda. Dessa två monteringssätt ger upphov till olika påkänningar i motorns delar.

Endast gjutjärnsmotorerna monteras med en broms i dagsläget. Det finns inget egentligt hinder för att montera broms på en aluminiummotor men hållfastheten på materialet sätter en gräns. Motorer med bromsar används inom många områden, ett par exempel på användningsområden är: kranar, borriggar, winchar och linbanor. När en flänsmotor monteras med broms uppstår en betydande ökning av det böjande moment som flänsen får ta upp på grund av att den totala tyngdpunkten har förflyttats och ökats. Detta kombinerat med att vibrationer kan uppstå i drift ger höga belastningar på skruvförbandet mellan flänssköld och hölje. Beräkningar på detta finns i excelprogrammet.

Då motorn kombineras med en broms tillkommer två vikter till förutom själva bromsen. Dessa är gjutjärns fläktkåpa och en adaperfläns som sitter mellan broms och N-sköld.

D-sidan (drive) avser den sida av motorn där man har driften på. N-sidan (non drive) avser den sida som ej har drift och där motorns kylfläkt är monterad.

Varianter på befintliga motorer

Motorerna som tillverkas på ABB LV Motors är helkappslade trefas asynkronmotorer, vilket är den dominerande typen av elmotorer i industrin idag. Samtliga motorer har höljen och sköldar som är tillverkade av gjutjärn eller aluminium. I figur 2.1-2.5 ses olika varianter av motorer.

Figur 2.1. Motor för flänsmontering Figur 2.2. Motor för fotmontage

(10)

Översikt av motorns inre komponenter

Figur 2.6. Bilden visar de ingående delarna i en elmotor.

= Lastupptagande arean under skruvskalle

u

A

= Underlagets verksamma area, när fjäderkonstant beräknas

a = Avstånd från ytterradien på skölden till skruvklacken på sköldens centrumhål

'

a = Momentarm till centrum på skruvklacken i skölden, hål placerat med 45° förskjutning

'

b = Momentarm till centrum på skruvklacken i skölden, hål placerat med 0° förskjutning

a

D

= Anliggningsdiameter, dvs. skruvskallens diameter + frigående hålets diameter (i fot eller sköld) dividerat med två. Alt. (bricka) ytterdiameter på brickan + frigående hålets diameter dividerat med två.

D

= Hål hos bricka (innerdiameter), hos skruvskalle (frigående hål) d = Skruvens ytterdiameter i

d

= Skruvens innerdiameter m

d

= Gängans medeldiameter s

E

= E modul skruv f

E

= E modul färg axel

F

= Den kraft på motorns axel, som är tryckande dvs. riktad från D- till N sida, eller dragande dvs. riktad från N- till D sida

gods

F

= Skjuvkraft som erfordras för att plasticering i godsgängan skall ske

drift

F

= Den dragkraft som skruven utsätts för vid drift

krafter yttre drift

F

₋ = Kraft i skruv på grund av t.ex. förspännings-, vibrations-, monterings, och termiska krafter

i

F

= Statiska laster, används vid beräkning av

F

_s_max

kv

F

= Kraft per klack, pga. det vridmoment som motorn avger

L

F = Yttre pålagd last (dynamisk), används vid beräkning av

F

_s_max

Mont

= Kraft erhållen från temperaturvarianser i material

TP

F = Kraft i tyngdpunkt

vrid

F

= Skruvkraft i fotskruv pga. vridmoment hos motor

g

= Tyngkraftsacceleration s

k

= Skruvens fjäderkonstant u

= Sköld-/höljeklackens djup

skruv

L

= Skruvens längd från undersidan av skallen

TP

L = Längd från infästning sköld mot hölje till gemensam TP

M

= Pålagt vridmomentet som omvandlas till förspänningskraft i skruv

v

M

= Vridmoment som motor avger 1

m = Vikt hos motor minus D-sköld 2

m = Vikt hos broms + adapterfläns 3

m

= Vikt hos fläktkåpa

s

n

= Antal lastupptagande sköld/hölje klackar

P

= Skruvgängans stigning

yt

P

= Yttrycket som verkar på färgen.

eL

R

= Skruvens sträckgräns räknat på spänningsarean

A

_s

r

= Radie axelcentrum till hål hos flänssköld

t

r

= Avståndet till en tänkt linje med skruvar. Avståndet

r

_tkan varieras i skruvprogrammet.

centrum

(13)

bricka

t

= Tjockleken hos bricka

V = Uppmätt acceleration hos motor

by

W

= Böjmotstånd hos sköldklack pga. böjmoment

bz

W

= Böjmotstånd hos sköldklack pga. vridmoment hos motor

α

= Termisk materialexpansionskoefficient

β

= Profilvinkel, (60° för spetsgängor)

= Den belastning som ger brott efter 10^7 cykler

T

∆

= Temperaturdifferans (t-20°)

g

µ

= Friktionskoefficient i gängan

u

µ

= Friktionskoefficient mot underlaget

κ

= Koncentrationsfaktor beroende på hur klackens geometri ser ut

ρ

= Faktor som tar hänsyn till hur stor del av godsgängan som upptar skjuvkraften

böj sköldklack−

τ

= Skjuvspänning i sköldklack pga. böjmoment

vrid sköldklack−

τ

= Skjuvspänning i klack pga. vridmoment hos motor

gg

τ

= Godsgängans skjuvsträckgräns

hölje gänga−

τ

= Skjuvpåkänning i gänga i höljet

klack hölje−

(14)

4 SKRUVENS MEKANIK

Detta kapitel behandlar skruvens mekanik. För beräkningar kring skruvens mekanik hänvisas läsaren till bilaga 1. Formler för beräkningar av skruvens mekanik är hämtade ur olika mekaniska- och skruvförbandshandböcker, se referenser [6] [7] [8]. För utförligare förklaringar och bevis av formler hänvisas läsaren till dessa.

4.1 ALLMÄNT OM SKRUVFÖRBAND

• Skruvförbandet skall dimensioneras efter material med lägst hållfasthet. • Smörjning ökar skruvförbandets hållfasthet.

• Risk finns att för hög förspänningskraft uppstår i skruven vid smörjning.

• Snedbelastning pga. ej plana ytor mellan skruv och underlag kan leda till gängbrott. • Gängingreppslängden påverkar skruvförbandets hållfasthet.

I ett optimalt skruvförband skall skruven vara den svagaste länken. Skruven skall alltså vara mer elastisk än den klämda delen och de invändiga gängorna måste vara minst lika starka som skruvens. Av det åtdragningsmoment som krävs för ett skruvförband åtgår 50 % till friktion mellan

mutter/skruvhuvud och underlag, 40 % till friktion i gängan samt 10 % till förspänning. En analys av utmattningsbrott visar att de flesta brott sker vid den första lastbärande gängan. Figur 4.1 visar en FEM analys på de invändiga gängorna i ett skruvförband.

Figur 4.1. Spänningssimulering av hur en skruv belastar de invändiga gängorna i ett skruvförband. De gula och gröna färgerna simulerar hög spänningskoncentration. Svenska Gjuteriföreningen -Rekommendationer för skruvförband med pressgjutgods [1].

När ett skruvförband dimensioneras kan det göras på olika sätt. T.ex. en stålskruv i aluminiumgods. Komponenterna skruvas ihop och utsätts för dragbelastning. Var sker brottet? Det går ej att säga utan att veta hur ingreppet mellan skruv och gängan i godset ser ut. Det beror hur stor del av skruven som är ingängad i godset. Vid ett visst gängingrepp får man ett jämnstarkt förband. Detta är det vanligaste dimensioneringssättet, detta används på ABB Motors.

(15)

s g rek red

M

σ

=

(1) red

M

= Reducerat åtdragningsmoment [Nm] rek

M

= Rekommenderat åtdragningsmoment [Nm] g

σ

= Sträckgräns för material med invändig gänga (gods) [N/m2_] s

σ

= Sträckgräns för skruv [N/m2_]

Åtdragningsmomentet skall resultera i en spänningsbelastning för skruven och muttern som ligger inom det elastiska området. Smörjning vid gängning leder till en ökad förspänningskraft vid samma åtdragningsmoment, då en mindre del av momentet övergår till friktionskraft. Försiktighet med smörjning måste beaktas för att spänningen inte ska bli för hög. Slutsatsen från detta och ovanstående argument för den reducerade sträckgränsen är att smörjning vid gängning ökar hållfastheten på skruvförbandet, men att försiktighet måste vidtas vid smörjning.

4.2 KRAFT – DEFORMATIONSDIAGRAM FÖR SKRUV OCH

UNDERLAG

Vid åtdragning av ett skruvförband typ två flänskopplingar mot varandra kommer dragkraften i skruven att öka utmed linjen O - A, figur 4.2, samtidigt som tryckkraften i godset ökar utmed linjen B - A. Skruvens förlängning respektive godsets hoptryckning representeras av sträckorna ∆ls och ∆lg. I figuren anges FL som en punktkraft. I praktiken är

det fråga om yt- och volymkrafter som angriper över ett större område. FL betraktas som

resultanten till dessa krafter. En yttre last FL

åstadkommer en ökning av dragkraften i skruven utmed linjen O - A - C och en minskning av tryckkraften i godset utmed linjen A - E, om den angriper i mutterns respektive skruvskallens anliggningsplan.

Förspänningskraften FL motsvaras av sträckan A -

D efter det att skruvförbandet blivit åtdraget och restförspänningen FFmin, efter det att yttre lasten FL

tillkommit, av sträckan E - F. Om

förspänningskraften vid åtdragningen blir så liten att lasten FL helt avlastar förbandet, FFmin = 0, har

skruvförbandet förlorat sin funktion att klämma, täta osv. Vid dynamisk belastning föreligger dessutom risk för att skruven lossnar.

Med en lämplig konstruktiv utformning och stor förspänning kan man åstadkomma sådana effekter att stora variationer i axiell drag last, ger små variationer i skruvkraften. Detta innebär att ett förspänt skruvförband inte blir utmattningskänsligt. När ett förband förspänns ger belastningen en förlängning av skruven och en hoptryckning av underlaget. Om förspänningen inte är för stor är dessa

deformationer elastiska, dvs. återgående vid avlastning. Vid pålagd yttre belastning, avlastas först underlaget medan skruvens belastning ändras i mindre utsträckning. När den yttre belastningen överstiger förspänningen i skruven ökar skruvkraften i samma takt som den yttre lasten. Med tillräckligt stor förspänning (större än yttre last) fås små kraftvariationer i skruven med varierande yttre last, medan kraftvariationerna i underlaget blir stora.

Slutsats: I ett högpresterande skruvförband bör skruvens fjäderkonstant vara betydligt lägre än flänsens.

(16)

4.3 FRIKTION

I ett skruvförband ges klämkraften genom åtdragning av skruven till en förspänning genom att konvertera en vridrörelse till en linjär förlängning av skruven. Den avgörande faktorn vid balansering av krafter är friktionen i det förband som hindrar skruven från att lossna efter att den dragits åt. Den här friktionen är nödvändig för förbandets funktion, men den representerar också det huvudsakliga problemet vid åtdragning av förbandet. Med vanliga maskinskruvar går det åt så mycket som 90 % av det totala momentet som applicerats på skruven för att övervinna friktionen och vrida skruven runt. Detta betyder att endast 10 % av effekten finns kvar för att dra åt skruven (även om den är välsmord) och bygga upp klämkraft. Se figur 4.3. Det är uppenbart att även små variationer i friktion som orsakas av skillnader i smörjning eller gängkvalitet kan ha betydande påverkan på förbandets kvalitet. Figur 4.4 visar moment relaterat till förspänningskraft vid olika friktionsnivåer.

Med friktion brukar man mena det fenomen som genererar den bromsande kraften då en triboyta rör sig gentemot en annan. Man brukar dela in friktionen i en adhesiv komponent, orsakad av

skjuvmotståndet i de reella kontaktytorna, och en plogkomponent, orsakad av motståndet mot yttopparnas plogning mot ytan.

Friktionen mellan friktionskraftenF_Toch normalkraften

F

_Nbenämns friktionskoefficienten eller friktionstalet och tecknas ofta med den grekiska bokstaven

µ

.

N T F F =

µ

(2)

Friktion är en systemparameter och inte en materialparameter, dvs. friktionen beror av ett helt system. Det finns mycket i omgivningen som påverkar friktionen, exempel på detta är fukt och smuts.

Friktionen kan variera mycket från fall till fall, därför är det svårt att bestämma ett specifikt värde för friktionen, ett intervall är en bättre approximation. Enligt Ulf Olofsson som forskar inom området tribologi på KTH i Stockholm är det svårt att få reproducerbarhet i friktionsmätningar. Om man mäter friktionskoefficienten med samma komponenter och under samma förhållanden på två olika

(17)

Gängfriktion

Många undersökningar har gjorts för att bestämma friktionskoefficienten mellan på olika sätt

behandlade ytor. Mycket varierande resultat har erhållits därför är det riskfullt att sätta ett visst värde på friktionen i gängan. I ett avseende visar de olika försöksresultaten emellertid god

överrensstämmelse, nämligen ifråga om friktionskoefficientens beroende av trycket. Man har konstaterat, att den är oberoende därav eller obetydligt sjunkande med ökande tryck.

Vid ytbehandlad skruv är friktionskoefficienten starkt beroende av ytskiktets tjocklek. Gängans framställningssätt inverkar endast i ringa grad.

Starka variationer av friktionen kan uppträda på grund av olika smörjmedel, ytbeläggning, ytjämnhet med mera. Skruven kan också få geometriska formavvikelser såsom snedställdhet i underlaget, konkav eller sfärisk form hos mutterns anliggningsplan eller hos underlaget. Alla dessa parametrar påverkar friktionen och därmed förspänningskraften i skruven.

(18)

5 SKRUVFÖRBAND MELLAN SKÖLD OCH

HÖLJE

Detta kapitel behandlar skruvförbandet på motorns D-sida mellan sköld och hölje se figur 5.1-5.2. För beräkningar kring detta hänvisas läsaren till bilaga 2.

Skruvförbandet består av fyra till åtta skruvar som är positionerade på tre olika sätt. Antingen sitter skruvarna på positionerna enligt klockan 12, 3, 6 och 9 eller klockan 1.30, 4.30, 7.30 och 10.30. Alternativt som föregående fall med 2 skruvar på varje position med ett visst avstånd mellan. Sköldens skruvklackar är målade och ytan under skruven efterbearbetas ej. Detta leder till att färg hamnar mellan de ytor som dras ihop vilket leder till en viss sättning i färgen vid montering, samt en sättning då motorn värms upp då den körs i drift. Detta är ett stort problem hos förband med färg mellan åtdragningsytorna. För att minimera dessa sättningar krävs god kännedom om färgens skikttjocklek och egenskaper. För ytterligare information om färg hänvisas läsaren till kap 8.2. De två främsta orsakerna som påverkar skruvarnas belastning i förbandet är om motorn har en standardsköld som hos fotmonterade motorer eller om motorn är flänsmonterad. Dessa två monteringssätt ger upphov till olika belastningar i skruvförbandet.

De största påkänningarna uppkommer när motorn är flänsmonterad. Om motorn dessutom har monterats med broms och fläktkåpa ökas påkänningarna dessutom radikalt.

De krafter och spänningar som uppstår i skruvförbandet mellan sköld och hölje, se tabell 5.1.

Krafter Påkänningar

Förspänningskraft i skruv _{Skjuvspänning i höljets gänga} Vibrationskrafter i skruv _{Skjuvpåkänning i höljets skruvklack} Temperaturkrafter i skruv _{Yttryck mot sköld}

Vrid- och böjkrafter på sköldskruvklackarna erhållna från vridmoment hos motorn och det böjande moment som uppstår vid

flänsmontering

Dragspänning i skruv, pga. masskrafter från motor och eventuella påbyggda komponenter

Dragspänningar i sköldgodset under

skruvklackarna, erhållna från vridmoment hos motorn och det böjande moment som uppstår vid flänsmontering

(19)

Figur 6.1. Undersidan på en motor med skruvförbandet mot höljet inringat.

6 SKRUVFÖRBAND MELLAN FOT OCH HÖLJE

Detta kapitel behandlar skruvförbandet mellan fot och hölje se figur 6.1. För beräkningar kring detta hänvisas läsaren till bilaga 3. Fotmontering är i särklass det vanligaste monteringssättet för motorer tillverkade på LV Motors. Fötterna hos motorn kan antingen vara integrerade mot höljet eller vara separata.

Det är skruvförbandet mellan de separata fötterna och höljet som analyseras i detta kapitel.

De krafter och spänningar som uppkommer i skruvförbandet kommer från bland annat: vridmoment hos motor samt statiska och dynamiska krafter från monteringssättet av motorn. Med motorns monteringssätt avses riktningen som motorn fötter har mot underlaget.

Skruvprogrammet där data från motorerna finns samlade kan beräkna påkänningar i skruvförbandet mellan fot och hölje med avseende på hur motorn är monterad och om det finns påbyggda

komponenter på motorn som skapar krafter på D- och/eller N-sidan av motorn.

De monteringssätt som skruvprogrammet kan simulera är: montering mot- tak, golv, vägg vertikalt och vägg horisontellt. Dessa monteringssätt ger upphov till olika stora påkänningar i skruvförbanden. De krafter och spänningar som uppstår i skruvförbandet mellan sköld och hölje, se tabell 6.1.

På vissa motorer bearbetas ej anliggningsytorna mellan fot och skruv samt mellan fot och hölje efter målning, vilket ökar risken för sättningar mellan ytorna i förbandet. I förbandet bildas tre skikt med färg vilket motsvarar ca 400

µ

m

i kombinerad färgtjocklek. En standard M12 skruv med 8.8 kvalitet med standard friktion får en förspänningskraft på ca 40kN. Detta innebär en ungefärlig förlängning av skruven på ca 50-60

µ

m

. Här inses problematiken med att sättningar i färgen leder till förlorad förspänning. Det vill säga fås större sättning i färgen än dessa 50-60

µ

m

så förloras all förspänning och förbandet riskerar att lossna. De aluminiummotorer som monteras med separata fötter värms i dagsläget upp efter impregnering av lindningen. Detta för att impregneringen skall härda. I det här steget värms även ytorna i skruvförbandet upp. Detta leder till att färgen mjuknar och att färgen mellan de hopskruvade ytorna trängs ur förbandet. Efter uppvärmningen dras fötterna återigen åt med nominellt åtdragningsmoment vilket säkerställer förspänningen i förbandet.

Förspänningskraft i skruv _{Skjuvspänning i höljets gänga} Vibrationskrafter i skruv _{Yttryck mot fot}

Temperaturkrafter i skruv Dragspänning i skruv, pga. masskrafter från motor och eventuella påbyggda komponenter

Kraft i skruv från motorns vridmoment Kraft i skruv pga. monteringssätt

(20)

7 SKRUVFÖRBAND MELLAN LAGERLOCK OCH

SKÖLD

Detta kapitel behandlar skruvförbandet mellan lagerlock och sköld se figur 7.1-7.2. För beräkningar kring detta hänvisas läsaren till bilaga 4.

Lagerlocket sitter monterat mot N- och D-sidans sköldar. På N-sidan hos motorer med axelhöjd 160-280 är lockets huvudfunktion att hålla lagrets smörjfett på plats. På motorer av storlek 112 och 132 sitter permanentsmorda lager därför behövs inte något lagerlock på N-sidan i dessa motorstorlekar. Lagerlockets funktion på D-sidan är att hålla lagret på sin plats när axeln belastas med en axialkraft. Lagerlocket tar bara upp krafter som är riktade in mot motorn från D-sidan (axiella tryckkrafter på axeln) se figur 7.3. Då axelkraften är dragande stannar lagret på sin plats pga. att det tar i skölden. Då är det sköldens styvhet som avgör vilken axelkraft som tillåts.

Figur 7.1 och 7.2. Översikt innandömet av motorn. På bilderna ses lagerlocket som den mässingsfärgade skivan. Figur 7.1 Figur 7.2.

F

axel Sköld Lager Lagerlock Axel Skruvar

Figur 7.3. Då motorns axel belastas av en tryckkraft enligt bilden, får skruvarna som går genom skölden och in i lagerlocket ta upp en axiell kraft. Antal

(21)

De krafter och spänningar som uppstår i skruvförbandet mellan lagerlock och sköld, se tabell 7.1.

Förspänningskraft i skruv Dragspänning i skruv

Kraft i skruv från axelkraft Skjuvspänning i lagerlockets gänga Temperaturkrafter i skruv Yttryck mot sköld

Vid tryckbelastningar på axeltappen skall kraften från lagrets ytterring överföras via lagerlocket till de lastupptagande skruvarna. Kraften skall vidare överföras från lagerlockskruvarna till skruvförbandet mellan sköld och hölje. Hur stor kraft som kan överföras beror framförallt på styvheten i lockets struktur samt på skruvförbandet. Styvheten i skölden är normalt märkbart högre och begränsar inte belastningsförmågan.

Lagerlockets och sköldens styvheter har tagits fram genom prover gjorda på Corporate Research. Det finns två olika lagerlock, plåtlagerlock och stållagerlock. Plåtlagerlocket har ungefär en fjärdedel av stållagerlockets styvhet.

Styvheten hos sköldar är beroende av om det är en standardsköld eller en flänssköld. Den senare har en högre styvhet, likaså har sköldar i gjutjärn en högre styvhet än sköldar i aluminium.

I skruvprogrammet under lagerlock har faktiska värdena då lagerlocket bucklas lagts in. Överstiger axialkraften detta värde färgas gränsvärdet rött. Där finns också tre kolumner där deformationen hos olika sköldar och lagerlock finns specificerade separat för lagerlock, och sköld. Dessutom finns den totala deformationen summerad i en kolumn. Generellt så är styvheten ca 2– 9 gånger högre för skölden jämfört med lagerlocket, beroende om lagerlocket är av stål eller plåt.

Gränsvärden för buckling av lagerlock samt begränsningar för hela skruvförbandet mellan lagerlock och sköld finns i bilaga 4.

(22)

8 VERIFIERINGAR AV BERÄKNINGAR

För att kontrollera teorin mot verkligheten har tester gjorts på den uppkomna förspänningskraften i skruv från åtdragningsmoment samt den verkliga sättningen som sker i färgen efter uppvärmning. Resultat samt genomförande av dessa mätningar redovisas här.

8.1 FÖRSPÄNNINGSKRAFT

För att få kännedom om vilken förspänning som ges skruvförbandet vid montering av motorn har tester gjorts. Testerna ska efterlikna det åtdragningsförfarandet som görs vid line:en i så stor utsträckning som möjligt. Samtliga tester har gjorts på M12 skruv i skruvförband i sköld/hölje och fot/hölje.

Testmodellen utformades som en cylinder som träddes utanpå skruven (figur 8.1), fördelen med detta är att givarna sitter på utsidan och ej direkt på skruven vilket hade medfört att givarna varit extra utsatta. Cylindern lagras mot skruven och underlaget genom ett par brickor som ser till att förhindra att moment överförs till cylindern när skruven dras åt. Detta gör att cylindern registrerar en töjning som räknas om till en kraft i cylindern, denna kraft är samma som verkar i skruven. Det är av stor vikt att lagringen mellan cylindern och brickor blir rätt för att undvika att torsion av cylindern inte tas upp av givarna. Detta är ett enkelt sätt att få kännedom om förspänningen i skruven.

Figur 8.1. Skruv monterad i cylinder med trådtöjningsgivare.

Brickor med varierad smörjning

Trådtöjningsgivare monterade på cylindern

(23)

8.1.1 GENOMFÖRANDE

Fyra stycken cylindrar som i fortsättningen benämns som lastceller tillverkades. I praktiken utgicks det från de långa brickor/cylindrar som används vid fotmontage av motor med axelhöjd 280. Dessa planslipades så att kortsidorna blev parallella. Lastcellerna är ca 17mm långa, har en ytterdiameter på 22mm och en innerdiameter på 12,5 mm. Det limmades en givare i axiell längdriktning på tre av dessa lastceller, se figur 8.2-8.3. På den fjärde lastcellen limmades tre stycken axiella- och en horisontell givare.

Figur 8.2-8.3. Lastceller med en givare monterad i axiell längdriktning.

8.1.1.1 Kalibrering av lastceller

Tådtöjningsgivarna ska kunna appliceras på ett föremål, värden från dessa ska sedan via omräknings formler överföras till ett värde på töjningen (epsilon). Men de svar som erhölls från denna metod blev spridda över ett brett spektrum. Därför beslöts att kalibrera lastcellerna mot en given last.

Lastcellerna placerades i en drag/tryckprovmaskin (figur 8.4) mellan två parallella plattor som hade en avvikelse på 50

µ

m

på en radie av 75mm (figur 8.5). Om plattorna antas vara linjärt avvikande innebär detta att avvikelsen vid ytterdiametern på lastcellen var ca 7

µ

m

, och vid innerdiametern 4

µ

m

. En skillnad på 3

µ

m

. Eftersom flera tryckningar gjordes på lastcellen, där varje tryckning var den andra olik, och sammanfallande resultat erhölls, dras slutsatsen att skillnaden i parallellitet bortses ifrån.

Figur 8.4-8.5. Drag/tryckprovsmaskin, samt de plattor där lastcellen var uppspänd

(24)

8.1.2 RESULTAT AV ÅTDRAGNINGAR AV SKRUVFÖRBAND

8.1.2.1 Kraftfördelning på lastcellen

Åtdragningar visar på att töjningen omräknat till kraft som varje givare registrerar har en relativt stor spridning. Det kan vara så att ytan kring lastcellen är så ojämn att det uppstår större och mindre hoptryckningar runt lastcellen. Eftersom kraften i lastcellen varierar är det svårt att få ett riktigt värde på förspänningen med att få monterade givare. Genom att placera många givare runt lastcellen skulle dessa ta upp olika töjningar (dalar och toppar) och medlet av dessa värden torde vara ett riktmärke. Eftersom endast tre givare var placerade på lastcellen i axiell riktning så träffar man ibland på ex. bara toppar och ibland bara dalar, detta ger en stor förändring av resultatet. Utförs ett stort antal dragningar så träffar man på en blandning av dessa variationer, och medelvärdet av dessa är ett relativt bra riktvärde på vilken förspänningskraft som verkar i skruven. Utifrån detta resonemang finns stor anledning att tro att olika spänningsvariationer uppstår även i skruven.

I figur 8.6 och 8.8 visas exempel på hur kraften fördelar sig i lastcellen mellan 0 och 360°. I figur 8.7 och 8.9 kan de positioner det hänvisas till i figur 8.6 och 8.8.

pos 1

pos 4

pos 5

pos 3

pos 2

Figur 8.6. Åtdragning av skruv med osmord gänga. En tydlig kraftfördelnings skillnad runt ett varv på lastcellen visas.

(25)

8.1.2.2 Förspänningskraft vid olika smörjförhållanden

Ett stort antal fastdragningar av skruvförband mellan fot och hölje (figur 8.11) samt mellan sköld och hölje (figur 8.10) har utförts. Resultaten av dessa ses i figur 8.12.

Samtliga åtdragningar har gjorts med M12 skruv och motorstorleken har varit 200 och 225. Åtdragningsmoment har hela tiden varit 80Nm, det erhållna värdet kan ha avvikit något eftersom visaren lästs av manuellt, samt att momentnyckeln har en viss avvikelse. Enligt Q-kontroll som kalibrerar momentnycklarna visar momentnyckel 1,7 % fel vid 180Nm, 2,7 % fel vid 110Nm och 1 % fel vid 40Nm. Gränsvärdet för en godkänd momentnyckel är en avvikelse på 4 %. Inga värden har gått att få fram angående repeterbarheten. Troligtvis är repeterbarheten hos momentnyckeln bra, vilket Q-kontroll också intygar. Detta borde ha gett ett likadant moment vid alla åtdragningar.

Bild 8.10. Lastcell monterad i skruv förbandet sköld/hölje.

pos 1

pos 4

pos 5

pos 3

pos 2

Kraft fördelning på lastcellen

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 100 200 300 400 Vinkel K ra ft [k N ] pos 1 pos 2 pos 3 pos 4 pos 5

Figur 8.8. Åtdragning av skruv med smord gänga. Figuren visar att i vissa snitt kan dragspänning uppstå, dvs. att en förlängning fås av det yttre skiktet. Det syns även tydligt att kraften har ökat vilket är naturligt eftersom smörjningen ger lägre friktion.

Figur 8.9. Översikt positioner på fot.

(26)

De olika varianter som testats är:

• Aluminiumfot mot aluminiumhölje • Gjutjärnssköld mot gjutjärnshölje • Gjutjärnssköld mot aluminiumhölje

I ovanstående fall har förbandet smörjts på följande olika sätt: • Osmort

• Smord gänga

• Smord gänga och underlag

Smörjmedel som använts är vanligt maskin fett (Shell Albida EMS 2). Testets utförande:

I de olika positionerna hos fot och sköld har en skruv dragits i och ur med variationer i smörjning. Efter åtdragning har töjningar från givarna antecknats och räknats om till förspänningskraft. Resultatet kan ses i figur 8.12. Resultatet bygger på statistik över cirka 500 åtdragningar.

0 10 20 30 40 50 60 F ö rs p än n in g skr af t [ kN ] Osmort

Smord gänga med fett

Smord gänga och underlag med fett

Heldragen linje: Den kraft då

godsgängan börjar plasticeras.

Punktad linje: Den

förspänningskraft man erhåller vid åtdragning med 80Nm och 0,125 i friktionskoefficient i gänga och mot underlag.

Streckad linje: Den kraft då skruven

börjar plasticeras.

Alu hölje & Alu fot Ci hölje & sköld Alu hölje & Ci sköld Alu Hölje & Alu sköld

Figur 8.12. På y-axeln visas förspänningskraft i kN. På x-axeln visas vilka typer av komponenter och material som finns i de testade förbanden. Samtliga aluminiumhöljen är av typen extruderad aluminium SS 4104.

Resultat

I samtliga fall kan det ses att det osmorda fallet ger en relativt låg förspänning om jämförelse görs med den förmodade förspänningen (streckade linjen). Aluminium hölje med aluminiumfot ger den högsta förspänningskraften hos i stort sett alla smörjtillstånd. Ci hölje och Ci sköld ger de lägsta

(27)

Kommentarer

Anledningen till att godsgängan plasticeras vid olika nivåer (heldragen linje) är att längden gänga som är i ingrepp i förbandet skiljer sig åt i olika förband. Mer om detta i tabell 8.1.

I samtliga åtdragningar har en bricka varit monterad under skruvskallen. Detta är det normala

förförandet vid fotmontering men ej vid sköldmontering. Orsaken till att en bricka har används under skruvskallen vid sköldmontering är för att få en lagom lång effektiv gänglängd hos tillhörande skruv. Det osmorda fallet, dvs. de staplar som är lila till färgen, är skruvar tagna från line:en och är varken smorda eller rengjorda. Fallet ”Smord gänga med fett” betyder att skruvgängan har doppats i fett, samt att höljegängan har fått en klick fett innan åtdragning. Vid montage kan det hända att man fått en liten smörjfilm mellan den innersta brickan och höljet. Detta förfarande skall efterlikna det som sker ute på line:en när en skruv går för trögt, och fett appliceras på skruvens gänga.

”Smord gänga och underlag med fett” ska symbolisera ett montage ute på line:en då man doppar skruven i fett och det kommer en hinna av fett mellan bricka och hölje samt mellan skruvskallen och bricka.

Fall: Effektiv gänglängd [mm] Gänglängd för jämnstarkt förband [mm]

Alu hölje & Alu fot 15 17

Ci hölje & Ci sköld 19 10

Alu hölje & Ci sköld 19 17

Alu hölje & Alu sköld 20,5 17

Tabell 8.1. Tabellen anger gänglängder i höljet vid de olika testerna, samt gänglängd som behövs i höljet för att erhålla ett jämnstarkt förband.

Den gröna linjen anger den förspänning på 39,5kN som man kan förvänta sig att få vid en åtdragning av en M12 skruv med 8.8 kvalité med standardfriktionen 0,125 i gänga och mot underlag.

Den svarta linjen är den nivå på ca 54kN då en M12 skruv börjar plasticeras. Ingen av skruvarna i det här testet har uppnått den nivån vid 80Nm åtdragningsmoment. De röda linjerna är den nivå då höljegängan börjar plasticeras. Denna nivå är beroende av vilken gänglängd som är i ingrepp.

Vid testet av ”Alu hölje & Alu fot” valdes en gänglängd på 15mm, då gängan och underlaget smörjdes erhölls plasticering av höljets gänga. I det verkliga fallet är gänglängden ca 17mm vilket säger att höljegängan eventuellt inte hade plasticerats om den gänglängden valts.

Gänglängden 15 mm valdes i det första provet för att skruven inte skulle riskeras att gå av i höljet. Trotts att det i övriga fall valdes en gänglängd som gjorde att höljet var starkare än skruven, visade det sig att krypningar skedde i aluminiumgängan vid åtdragning. Detta tyder på att hållfastheten i det strängpressade aluminiumet inte hade den förmodade hållfastheten eller att man har fel i

mätningsmetoden som gör att en för hög förspänningskraft registreras.

Att stora skillnader fås mellan dragningar mot höljegänga av aluminium och aluminium sköld jämfört med höljegänga av gjutjärn och gjutjärnssköld kan ha att göra med att aluminium har en lägre E modul än gjutjärn och deformeras därför lättare så att en större anliggningsyta fås.

Troligtvis fås ingen filmuppbyggnad av smörjfilm när fett appliceras pga. att en stor hastighet är nödvändig för att bygga upp en film. Därför fås antagligen gränsskiktssmörjning och en ändring i ytskiktets skjuvmodul. En lägre skjuvmodul hos aluminium än gjutjärn gör att en större

förspänningskraft fås vid åtdragning mot aluminiumhöljet.

(28)

För att förklara varför skillnader i förspänningskraft mellan fallet ”Alu hölje & Alu fot” och ”Alu hölje & Alu sköld” där båda har samma material i höljet och underlaget har ett resonemang förts med Åke Andersson ABB och Ulf Olofsson KTH. En anledning kan vara att höljena extruderas vid tillverkning, då kan skillnader i materialets egenskaper uppstå i olika riktningar så kallat anisotropi. Om materialet är svagare i radiell riktning skulle detta kunna förklara att en högre förspänning erhölls vid montage av fötterna enligt teorin tillhörande figur 8.15. Diskussion har förts med Ulf Ståhlberg professor i plastisk bearbetning på KTH samt med SAPA som är ett stort företag inom plastisk bearbetning. Båda två bekräftar att det kan förekomma anisotropa egenskaper i ett extruderat material. Slagseghet, brottförlängning och kontraktion kan bli sämre tvärsmed, men att ingen större skillnad i sträck och brottgränser uppstår. Max ett par procent, och då att materialet är svagare i tvärriktning.

Detta kan kanske vara de skillnader i resultat som erhölls. Andra olikheter mellan de testade förbanden är skillnader i färgtjocklek och färgkvalitet. Eftersom materialet under skruvskallen har visat sig påverka den erhållna förspänningskraften till stor del kan sådana aspekter som skillnader i färg kvalitet och tjocklek påverka friktionen och därmed förspänningskraften.

Slutsats

Det är inte helt enkelt att dra några raka slutsatser av de resultat som visas i figur 8.12.

(29)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

α

δ

360 P

8.2 FÄRG

Den blå färgen som används på aluminium sköldar och höljen samt fötter kommer från IGP Pulvertechnik i Schweiz. Benämningen på färgen är IGP- Coating Powder PEP3305.

Färgen är olika tjock på olika ställen på motorn. Typisk tjocklek på sköldklack är ca 100µm. På fötter kan tjockleken bli upp till 300µm. Pulverfärgen samlas gärna kring kanter vilket gör att tjockleken där blir större. Detta ger en snygg rundning men är inte bra i sättningssynpunkt.

Färgen har naturligtvis lägre hållfasthet än stål och aluminium, därför uppstår det en stor sättning i färgen jämfört med de metalliska ytorna. En del av sättningen kommer direkt vid montaget och en annan del kommer med tiden. Det vill säga det kryper. Med krypning avses tidsberoende deformation där kryplagen är olinjär. Fenomenet är starkt olinjärt och speciellt bör noteras att materialegenskaperna är starkt temperaturberoende. Den olinjära karaktären leder ofta till snabb utjämning av ett initiellt elastiskt spänningstillstånd till ett stationärt sådant under konstant belastning.

När motorn körs upphettas sköld och fötter, om motorn samtidigt körs i ett rum med förhöjd temperatur, bidrar uppvärmningen till att man får en större sättning i färgen. Hela tiden så minskas förspänningen i skruven och i värsta fall kan det gå så långt att man tappar förspänning helt i skruven och hela förbandet släpper. Därför är det väldigt viktigt att ha en god kännedom om hur färgen beter sig.

8.2.1 VERKLIG SÄTTNING I FÄRG

För att få kunskap om den verkliga sättningen som sker i färgen i skruvförbanden mellan sköld/hölje och fot/hölje, gjordes tester som ska efterlikna monterings- och driftförfaranden.

Fötter och sköld monterades mot ett hölje från en motor med axelhöjd 200 (figur 8.14). Skruvarna (M12) drogs åt med nominellt åtdragningsmoment (ca 80Nm). Därefter placerades motorn i en ugn med temperaturen 120°C i ca en timma. Motorn fick därefter svalna till rumstemperatur. Senare gjordes åtdragningar på skruvförbanden, vinkeln där skruven började röra sig samt vinkeln när

momentet uppnått 80Nm noterades. Skillnaden mellan de två vinkellägena samt stigningen på skruven gav sättningen i färgen.

(3)

δ

1 2,6 200 100 13 13

1 11,7 189 95 57 60

1 0 177 89 0 0

Kommentarer

Efter åtdragning gjorts i kallt tillstånd och vinkelpositionerna registrerats, mättes färgtjockleken på de tre färgskikten på skruvförbandet mellan fot/hölje. Det visade sig att färgtjockleken på höljet och ovansidan av foten som är skruvad mot höljet, hade i stort sätt oförändrad färgtjocklek. Detta innebär att i stort sett hela sättningen i färgen skedde i skiktet under skruvskallen/brickan på fotens undersida. Detta kan förklaras vid att trycket utjämnas i de stora ytorna mellan fot/hölje, medan ytan på

undersidan av foten är liten och får ett stort tryck.

Då åtdragning gjordes på sköld/höljeförbandet uppmärksammades ett egendomligt förfarande. Efter ca 40-50Nm knäppte det till i förbandet, sedan rörde sig inte skruven i stort sett alls vid åtdragningen upp till 80Nm. En förklaring till detta kan vara att färgen i höljegängan och på skölden kletar fast under uppvärmningen så skruven limmas fast. När moment sedan läggs på brister färg/lim förbandet och det knäpper till. Därför är värdena över sköldåtdragningen, i tabellen ovan är lite osäkra. Det är svårt att avgöra om den vinkel som uppkom är den faktiska åtdragningen eller om det är töjningar i

åtdragningsverktyget. Det kan vara så att skruvarna nästan höll 80Nm och att förbandet var väl

förspänt. Detta kan mycket väl vara fallet eftersom man sedan tidigare vet att det inte är några problem att bibehålla förspänningen i skruvförbandet mellan sköld och hölje, vilket styrker teorierna ovan. Slutsats

Värdena från åtdragningen av fot/hölje förbandet säger att en snitt sättning fås på ca hälften av färgtjockleken under skruvskallen/brickan, denna sättning åtgärdas sedan av efterdragningen i monteringen. Testresultat från CRC då tryckningar på färg utfördes säger att färgen styvnar med ökat tryck. Det torde då ej vara någon fara att ytterligare sättning sker i skruvförbandet mellan fot/hölje efter att motorn lämnat fabriken.

Tabell 8.2 Åtdragningar, skruvförband fot/hölje

(31)

8.2.2 HÅRDHETSMÄTNINGAR PÅ FÄRGSKIKT

För att få kännedom om hur stora sättningar som uppstår i färgen på de ytor som verkar i

skruvförbanden mellan hölje/fot, hölje/sköld samt lagerlock/sköld, har tester utförts på Corporate Research. Seriekopplade plåtar (figur 8.15-8.16) trycktes med en ökande last samtidigt som förskjutningen registrerades. Kraften som applicerades på plåtpaketet ökades upp till 97kN innan avlastning påbörjades. 97kN motsvarar ett yttryck på 300MPa. Ytskiktet på plattorna (färgen) har en lägre hållfasthet än grundmaterialet i plattorna som är gjorda av stål, när kompressionen blev tillräckligt stor kunde en skillnad i derivata ses när kraft plottades mot förskjutning. På så sätt kunde färgens styvhet särskiljas från stålets.

Figur 8.15-8.16. Seriekopplade målade plåtar i testrigg.

Syftet med testet var att få kännedom om färgens E-modul. E-modulen är temperaturberoende, därför gjordes tryckprover både i rumstemperatur och i förhöjd temperatur.

Slutsats

(32)

9 APPROXIMATIONER/ANTAGANDEN

9.1 ALLMÄNNA ANTAGANDEN

Effektiv gänglängd gängpressande skruv:

Effektiv gänglängd är den lastupptagande längd som skruvens gänga är inskruvad i godsgängan. Vid användande av gängpressande skruv så förlorar skruven lastupptagande skruvlängd eftersom att den första delen på skruven är konisk. En rimligt antagande är att en gängandepressande skruv har ca 6 % mindre lastupptagande gänglängd jämfört med en standard skruv.

Friktionstal vid gängpressande skruv

Hur friktionstalen vid gängpressande gängning som tillämpas i aluminiumgods med skruvstorlekar M8 och M10 skiljer sig mot friktionstalen i gänga och under skruvskallen vid förgängat hål är inte helt självklara. Förutsättningen är att skruven bearbetar godset när skruven dras i. Friktionen borde till en början bli högre än vid traditionell i skruvning men när skruven är nästintill i skruvad och skruvskallen nästintill nuddar underlaget är gängorna tillverkade för hela skruven, med undantag för just

skruvspetsen. Inom denna studie antas att friktionen i de tillverkade gängorna inte är högre än friktionen i gängan hos en skruv i ett förgängat hål. Längst fram i skruvspetsen tillverkas fortfarande gängor men den ökade friktionen är antagligen mycket liten i förhållande till den övriga friktionen i de övriga gängorna. Det vill säga i beräkningarna tillämpas samma friktionstal vid pressgängande skruvar som vid vanliga standard skruvar.

Materialkonstanter

Termiska expansionsfkoefficienter för materialen i höljen, sköldar, fötter och lagerlock (tabell 9.1) samt för vanliga- och syrafasta skruvar har hämtats ur materialtabeller.

GG15 GG20 GGG50 SS 4263 Stål Syrafast α [/°C] 0,0000115 0,0000115 0,0000115 0,000021 0,000011 0,000016

Dessa faktorer ändras med temperaturen, så värdena i skruvprogrammet är en uppskattning av ett beräknat medelvärde för drifttemperaturer runt 100°C.

Likaså värden för hårdheten har hämtats ur materialtabeller och införts i skruvprogrammet.

Bricka

Brickan som idag sitter mellan skruv och fot alternativt mellan skruv och sköldklack antas vara stel, det vill säga ingen töjning sker i denna.

Temperatur

Montaget av motorn antas ske vid rumstemperatur dvs. 20°Celsius.

(33)

9.2 ANTAGANDE GÄLLANDE SKÖLD - HÖLJE

Djup hos genomgående klack i hölje

Hos vissa motorer är klacken i höljet som skölden fästs mot genomgående längs hela sidan på höljet (figur 9.1). När motorns skruvklackar utsätts för tvärkrafter är arean under klacken av stor betydelse för hållfastheten. Det är inte rimligt att anse att hela arean under klacken längs höljesidan ska tas med i beräkningen.

Ett rimligt antagande är att den lastupptagande arean är den under den iskruvade skruven + en viss del till i skruven längdriktning. Därför antogs att den axiella längden för genomgående klack i fortsättningen skulle vara effektiv gänglängd + d/2, där d är skruvens ytterdiameter.

Vikt motor vid flänsmontering

I skruvprogrammet, beräknas bland annat de påkänningar på grund av vrid- och böjmoment som kopplingen mellan sköld och hölje får ta upp.

Vid beräkning av skruvförbandet mellan sköld och hölje bidrar ej massan på D-skölden till

böjmomentet, detsamma gäller för axeltappens massa. För användaren skall det vara enkelt att ta fakta från motorn och snabbt kunna föra in dessa i skruvprogrammet. Axelns massa är mycket liten i förhållande till den totala massan hos motorn, särskilt när det bara avses en viss del av axeln. Det är därför antagligen en god uppskattning att inte räkna med en reduktion av axeltappens vikt, däremot vikten för skölden måste dras bort från den totala vikten.

Tyngdpunkt motor

Tyngdpunkten hos en motor utan broms ligger mycket nära mitten av motorn både i radiell- och längdriktning (djup).

Den största massan hos de delkomponenter som ingår i motorn har rotorn och plåtpaketet. Själva skölden påverkar tyngdpunkten i axiell riktning till liten grad. Därför anses tyngdpunkten ligga i mitten av motorn oavsett om man har en flänssköld (som betraktas som stel, se ”Vikt motor vid flänsmontering”). Det vill säga tyngdpunkten ligger på halva höljets längd. Eftersom aktivt material är fixerat mot D-sidan blir approximation konservativ för motorer med korta paket i det närmaste korrekt för motorer med långa paket.

(34)

Åtta sköldskruvar tillämpas som fyra

På de större motorerna sitter åtta stycken sköldskruvar. De är utplacerade två och två med ca 18 grader mellan de båda hålen. Dessa grupperingar sitter med 90 graders förskjutning från en tänkt mittposition mellan hålen.

För att underlätta beräkningarna antogs att skruvarna satt med 90 grader från varandra. Det vill säga två skruvar i samma skruvhål på varje position.

Momentarm i böjning - sköld/hölje

I beräkningarna på skruvförbandet mellan sköld/hölje har det antagits att skölden böjer kring

horisontalt centrum på skölden (A- streckade linjen i figur 9.2). Det har också antagits att man får lika långa momentarmar (a) i y-led. Skruvar i horisontalsnittet tar då ej upp något moment. Detta är ett konservativt synsätt.

Skulle man anta att man böjer runt linjen B (styrkanten i figuren) och att skölden är oändligt styv skulle det fås i det här fallet fyra lastupptagande skruvar, och mer än fördubblad momentarm till skruven klockan 12. Man inser snabbt att i det verkliga fallet så ger skölden med sig, vilket leder till att linjen där skölden böjer kring flyttar sig mot centrum.

Dessutom fås sättningar i materialet vilket leder till att linjen där skölden böjer kring flyttas ytterligare mot centrum.

Det är svårt att säga exakt kring vilken linje böjning sker.

I figur 9.3 sitter skruvarna med skruvar 45 grader förskjutna från klockan 12. Om böjning sker kring centrum (A) tas det böjande momentet upp av 4 skruvar. Hävarmen blir a.

Om det istället antas att böjning sker kring linjen B, så fås att momentet tas upp av 2 skruvar och hävarmen blir 2a. Det vill säga det fås samma skruvbelastning oavsett hur resonemanget förs. Med skruvar monterade enligt klockan 1.30, 4.30 7.30 och 10.30 är det inte rimligt att böjning fås kring styrkanten eftersom de båda nedre skruvarna hjälper till att hålla skölden på plats och förhindrar böjning. Enligt ovanstående båda bilder och resonemang tycks det vara ett bra antagande att säga att böjning sker kring centrum.

(35)

Dragspänning i höljets cylindergods

När dragspänningen i cylindergodset beräknas dvs. den påkänning som uppkommer i godset under höljeklacken vid böj och vridkrafter så beräknas arean med sköldens ytter- och innerdiameter, detta är ett konstruktivt synsätt. I verkliga fallet så är höljets innerdiameter lite mindre än sköldens, det vill säga det finns mer material alternativt större area för kraften att fördela sig på.

Tyngdpunkt hos Ci fläktkåpa

En tyngdpunktsberäkning gjordes i CAD av en 3D modell på en tidigare version av en fläktkåpa. Tyngdpunkten låg 56 % från den sida som monteras mot N-skölden. Inga större modifikationer har gjort när den nyare fläktkåpan togs fram, därför kan man anta att tyngdpunktsläget inte har ändrats nämnvärt. Därför kan tyngdpunkten på fläktkåpan antas ligga ungefär i mitten.

Tyngdpunkt hos broms och adapterfläns

Tyngdpunkten hos både bromsen och adapterflänsen förutsätts ligga på halva längden hos respektive del. Tyngdpunkten för broms och adapterring har räknats ut genom att summera längderna i axiell led och säga att tyngdpunkten ligger på halva längden.

Vikt och tyngdpunkt hos plåtkåpa

Vikten hos plåtkåpan hos motorer med broms försummas helt. Denna vikt är mycket liten i förhållande till bromsens och adapterringens massa.

Då klämlängd på sköldklack och djupet på sköldklacken skiljer sig åt

(36)

Formfaktor hos sköldklack

Radien mellan sköldklacken och skölden påverkar vilken dragspänning som erhålls i cylindergodset. Det är mycket större påfrestning för klackarna i böjning än i vridning, dvs. det är viktigare att man har bra kännedom om formfaktorn i böjfallet än i vridfallet. Här följer lite information om hur radien påverkar formfaktorn. Figur 9.6 och tabell 9.2 visar formfaktor för böjning. Figur 9.4 och 9.5 illustrerar radier och diametrar som används vid

beräkningar av formfaktorer.

Figur 9.6.Formfaktorn för hålkäl och diameterövergång. [7] Radie Ytterdiameter - D Diameter radiebotten - d D/d r/d κ - Hålkäl κ -Diameterövergång 2 mm 283 mm 275 mm 1,029 0,007 3,0 3,0 4 mm 283 mm 275 mm 1,029 0,007 2,6 2,2

r

Tabell 9.2. Värden på formfaktorer vid antagande om hålkäl och diameterövergång Figur 9.4. Sköldklack sett framifrån och från sidan.

(37)

Radie 2mm ger en osäker formfaktor hos antagande av diameterövergång, ty kurvorna är

asymptotiska. Väljs en radie på 4mm hamnar man väl inom definierat område och får en formfaktor på 2,6 respektive 2,2. Självklart vill man sträva efter en så stor kälradie som möjligt eftersom det medför en låg formfaktor. Formfaktorn bidrar i hög grad till den erhållna dragspänningen i cylindergodset. Formfaktorn är direkt proportionerlig till dragspänningen. Det är dock svårt ibland att åstadkomma en stor radie eftersom den reducerar den plana ytan som skruvskallen ska vila mot.

A

F

κ

σ

=

⋅

(4)

Formeln visar formfaktorns relation till dragspänningen i cylindergodset. I skruvprogrammet är formfaktor 3 inlagt.

9.3 ANTAGANDEN GÄLLANDE FOT - HÖLJE

Kraft pga. monteringssätt hos fotmonterade motorer

Motorer kan monteras på många sätt se figur 9.7. Olika monteringssätt ger upphov till olika påkänningar i skruvförbandet.

Figur 9.7. Beroende på hur motorn är monterad, uppstår olika krafter i skruvförbanden.

Eftersom plåtpaketet som sitter i höljet till störst del bidrar till motorns vikt har det antagits att tyngdpunkten ligger i mitten på höljet. Fötterna antas vara monterade mitt på höljet därför hamnar en tänkt vertikal linje i radiell riktning från tyngdpunkten hos höljet mitt på foten.

Mot tak:

Eftersom tyngdpunkten innan har antagits att ligga i mitten på höljet, blir kraften som påverkar skruvförbanden: motorns massa + acceleration. Dessutom påverkas skruvkraften om applikationer kopplas på motorn, t.ex. remdrift på D- eller N-sidan (FN och FD). Samtliga skruvar mellan fot och hölje tar upp lasten.

Mot Golv:

Massan hos motorn påverkar inte kraften i skruvförbanden. Däremot FN och FD kan påverka skruvkraften om dessa är riktade uppåt. Reaktionskraften från en nedåtriktad axeltappslast kan bli riktad uppåt på motstående sida, kan alltså ge extra belastning på skruvförbandet.

Mot vägg horisontalt:

(38)

Mot vägg vertikalt:

Tyngdpunkten antas här ligga på mitten av foten, detta säger också att foten skulle vara monterad mitt på höljet. I verkligheten är foten oftast monterad så att det fås ett litet överhäng på D-sidan. Men detta antagande är gjort för att underlätta beräkningar, så att beräkningen passar för montage med

axeltappen antingen uppåt eller neråt. Motorn antas rotera kring det plan positionerat vid skruvförbandets medellinje.

9.4 ANTAGANDEN GÄLLANDE LAGERLOCK - SKÖLD

Kraft på motorns axel

Den yttre kraften som verkar på motorns axel, kan antingen vara en dragande och tryckande. Vid tryckande axellast måste lagerlocket hålla lagret på plats, man får dragkraft och dragspänning i lagerlocksskruvarna. Vid dragande axellast är det skölden som håller lagret på plats.