Analys av friktionskoefficient och sättningsgrad i gummipackningar

(1)

Examensarbetet i

Analys av friktionskoefficient och

sättningsgrad i gummipackningar

Analysis of the friction coefficient and setting ratio of

rubber gaskets

Författare: Christopher Holmqvist, Ida Svedberg Handledare företag: Hans Hansson, SwePart

Transmission AB

Handledare, LNU: Izudin Dugic Examinator, LNU: Izudin Dugic Termin: VT12 15 hp

(2)

(3)

II

Sammanfattning

Examensarbetet har varit förlagt på SwePart Transmission AB i Liatorp. Företaget tillverkar kugghjul och kan även ge helhetslösningar för

växellådor. SwePart Transmission AB har uppmärksammat problem i form av läckage vid delningsplanet i sina växellådor. Företaget har föraningar om att konstruktionen utsätts för glidning i delningsplanet där packningen är placerad. För att glidning inte ska förekomma krävs att packningens friktionskoefficient och fästelementens förspänningsförluster är kända vid konstruktionsstadiet.

Packningens friktionskoefficient är idag osäker och har kontrollerats. Detta har gjorts genom tester där vi placerade packningarna i ett friktionsförband och gjorde mätningar i ett dragprov. Med erhållna mätvärden kunde vi på matematisk väg erhålla en ny friktionskoefficient. Testerna utfördes med tre olika ytjämnheter i förbandet för att se om det hade någon inverkan på friktionskoefficienten. Efter testerna kunde vi påvisa en skillnad i friktionskoefficient mellan olika ytjämnheter på anliggningsytorna mot packningen. Vi kunde även se skillnad på friktionskoefficienten för oljad respektive torr yta. Förbandets förmåga att glida bestäms av förspänningen i skruven som minskar radikalt om stora sättningar förkommer.

Sättningar kommer att förekomma och det vet man, men utsträckningen är okänd. Då packningen är förbandets mjukaste del kommer den att dominera förbandets sättningsbeteende. I våra tester har vi mätt hur stora sättningar packningen gav upphov till som funktion av tiden. Testet gjordes genom att klämma en packning med känd förspänningskraft. Därefter mättes

förbandtjockleksförändringen under de första 25 minuterna. Sättningstestet gjordes för att anmärkningar ifrån kunder kommit på att skruvarna som håller ihop växellådshusen tappar sin förspänning efter en okänd tid i drift, vilket kan härledas till sättningar. Enligt mätvärdena från testet förekommer det inte några större sättningar i vårt testförband vilket kan bero på att vår anliggningsarea skiljer sig ifrån den verkliga.

(4)

III

Summary

This degree project was located at SwePart Transmission AB in Liatorp. The company manufactures gears and do also provide total solutions for gearing. SwePart Transmission AB has noticed problems with leakage in the division plane in their gearboxes. The company has premonitions that the structure is subject to sliding in the division plane where the gasket is placed. To

prevent sliding it’s required that the friction coefficient between the gasket and division plane and the preload of the fasteners is known at the design stage.

The gaskets friction coefficient is currently uncertain and has been checked. This was done by tests in which we placed the gasket in a friction joint and then made measurements in a tensile testing machine. With the obtained measurement values we could mathematically obtain a new coefficient of friction. The tests were performed with three different surface finishes in the joint to see if it had any effect on the friction coefficient. After the tests, we could see a difference in coefficient of friction between different surface finishes on the contact surfaces to the gasket. We could also see a difference in coefficient of friction of oiled and dry surface. The joints capability of sliding is determined by the preload in the screws that is dramatically reduced if large settings occur.

It’s known that settings will occur, but the extent is unknown. Since the gasket is the softest part in the bolted joint, it will dominate the joints setting behavior. In our tests we have measured the amount of settings caused by the gasket as a function of time. The test was made by sandwiching a gasket with a certain load. After that the change in thickness was measured during 25 minutes. This test was performed because the company had received complains from customers concerning preload losses in the screws after an unknown time in use. The preload losses can be traced to settings in the gasket. According the measurements from the test, there are no major settings in our test joint, which can be explained by the difference in contact area between our test and the “real” design.

(5)

IV

Abstract

Examensarbetet grundar sig på att SwePart Transmission AB har

uppmärksammat problem i skruvförbanden till sina växellådor varpå läckage uppkommit. Fördjupningen fokuserar därför på tätade skruvförband

innehållande tester för sättningsgrad och friktionskoefficienter med tillhörande bakgrundsteorier.

(6)

V

Förord

Rapporten presenterar ett examensarbete som omfattar de sista 15

högskolepoängen av utbildningen till högskoleingenjör i maskinteknik vid Linnéuniversitetet.

Examensarbetet är baserat på SwePart Transmissions AB:s problematik kring läckage i deras växellådor. Läckaget tros bero på sättningar i packningen. Vi fick därför i uppgift att undersöka om detta kunde vara orsaken till läckaget samt att ta reda på vilken inverkan ytjämnheten i delningsplanet hade på friktionskoefficienten.

Under arbetets gång har vi kommit i kontakt med flera personer som på ett eller annat sätt har gjort det möjligt för oss att kunna genomföra projektet. Vi vill rikta ett stort tack till:

Hans Hansson, SwePart Transmission AB, för handledning.

Samir Khoshaba, Jonas Persson, Leif Petersson och Andreas Linderholt för expertis och vägledning när våra kunskaper inte räckte till.

Per Fredriksson och elever på Kungsmadskolans industritekniska program för hjälp med framtagning av testmaterial.

Företaget Nolato AB för deras bidrag av packningsmaterial.

Arne Linqvist som hjälpt oss i verkstaden vid framtagning av testmaterial. Bertil Enquist som gjorde det möjligt för oss att utföra dragprovstester. Willo AB för att vi fick komma dit om använda deras mätutrustning.

(7)

(8)

VII 4.1.2 Historik _______________________________________________ 16! 4.1.3 Konstruktion ___________________________________________ 17! 4.1.4 Kvalitet _______________________________________________ 18! 4.2 Uppstart __________________________________________________ 18! 4.3 Litteraturstudie _____________________________________________ 18! 4.4 Expertis __________________________________________________ 19! 4.4.1 Henkel Norden AB ______________________________________ 19! 4.4.2 Beräkningsexpert vid Linnéuniversitetet _____________________ 20! 4.5 Tillverkning av testmaterial ___________________________________ 24! 4.5.1 Friktionstest ____________________________________________ 25! 4.5.2 Sättningstest ___________________________________________ 26! 4.6 Utförande av tester __________________________________________ 28! 4.6.1 Friktionstest ____________________________________________ 29! 4.6.2 Sättningstest ___________________________________________ 30! 5. Resultat och analys _________________________________________ 32!

5.1 Friktionstest _______________________________________________ 32! 5.2 Sättningstest _______________________________________________ 34! 6. Diskussion och slutsatser _____________________________________ 36!

(9)

1

Christopher Holmqvist & Ida Svedberg

1. Introduktion

1.1 Bakgrund

SwePart Transmission AB är ett företag med verksamhet i Liatorp och Sibbhult med fokus på tillverkning av bland annat kugghjul, axlar och montering av växellådor och kraftuttag. Företaget har en historia som

sträcker sig tillbaka till 1945 då bröderna Axel och Bertil Bengtsson startade en mekanisk verkstad i norra Skåne. Idag är företaget en stor leverantör till bland annat Atlas Copco och Scania. År 2008 hade företaget en omsättning på 385 Mkr och 230 anställda.

Idag tillverkar SwePart Transmission AB fyra olika storlekar på växellådor. Sedan en tid tillbaka har företaget haft problem med de två mellersta

storlekarna, där förspänningen i skruvförbandet mellan hus och lock minskar. Delningsplanet mellan hus och lock tätas med en planpackning i polymer.

Problemet kring förspänningsförlusterna har uppmärksammats av kunderna efter okänt antal drifttimmar och har en okänd spridning. Växellådorna är ogynnsamt placerade och kräver en mer omfattade demontering av närstående komponenter för att en ny åtdragning av hushalvorna ska vara möjlig. SwePart Transmission AB väljer därför att försöka finna en lösning på problemet för att tillfredsställa kunden. Produktåterkallning har inte gjorts.

1.2 Syfte

Syftet med detta arbete är att genom tester ta fram värden på sättningsgrad i packning och friktionskoefficient mellan växelhus och packning. Utifrån detta ska sedan förbättringsförslag presenteras.

1.3 Mål

Målet med arbetet är att plocka fram värden på friktionstal och sättningsgrad som ska komplettera deras befintliga beräkningsmodell för skruvförband. Om de värden vi får fram på friktionstal och sättningsgrad ej är gynnsamma, kommer även förslag på förbättringar att presenteras.

1.3.1 Huvudmål

(10)

2

Christopher Holmqvist & Ida Svedberg 1.3.1.1 Delmål 1

Samla befintlig information om problemet och komplettera med ytterligare användbar information.

1.3.1.2 Delmål 2

Ta reda på hur mycket packningen bidrar till skruvförbandets totala sättning. 1.3.1.3 Delmål 3

Undersöka vilken inverkan olja, ytjämnhet etc. har på friktionskoefficienten i delningsplanet mellan packning och hus genom olika tester.

1.3.1.4 Delmål 4

Ta fram förbättringsförslag för att förbättra förbandet.

1.4 Avgränsningar

Arbetet är begränsat till en tioveckorsperiod. Detta innebär att vi inte kommer att kunna gå så pass djupt på de berörda områdena som vi önskar. På grund av begränsad tillgång på testutrustning kommer vi använda den utrustning som finns att tillgå, vilket kan bidra till att testresultaten endast bör ses som riktvärden.

Allmänna förbandsberäkningar kommer ej att redovisas utan endast

beräkningar som krävs för konstruktion av testmaterial. Detta innebär även att beräkning och dimensionering av skruv till växellåda ej kommer att tas upp. Vid testerna kommer befintliga skruvar att användas som har

(11)

3

2. Teori

2.1 Skruvförband

Ett skruvförband består av en skruv eller skruv och mutter och är idag den vanligaste och troligen viktigaste fästmetoden. Av alla möjliga

skruvförbandstyper kan dessa delas upp tre kategorier; höghållfasta-, låghållfasta- och tätningsförband. Ett förband anses som höghållfast när skruvar i 8.8 klassen eller högre används. Till låghållfasta förband räknas bland annat pressade gängor i plast. Tätade förband är de förband som kräver att ingen vätska kan tränga förbi gängan.1

Fortsättningsvis kan skruvförbanden delas in beroende på sin funktion: • Dynamisk klämkraftkritisk – Ett förband med påkänningar av yttre

laster som motsvarar minst 5 % av den förväntade klämkraften och där den yttre lasten påverkar förbandet mer än en gång per minut. • Statisk klämkraftkritisk – Ett förband med yttre laster som är mindre

än 5 % av den förväntade klämkraften där lasten påverkar förbandet mindre än en gång per minut.

• Positionskritisk - Samma som ”statisk klämkraftkritisk” fast med okänd belastningscykel.

Utöver dessa kategoriseringar av skruvförband finns ytterligare ett antal kategoriseringsmöjligheter där risk för personskada tas i anspråk.1 Analys av ett skruvförband är relativt komplext då spänningarna som uppkommer vid åtdragning i skruven kommer att skapa en klämkraft mellan komponenterna. Klämkraften ger i sin tur upphov till deformation i

anliggningsytorna. Deformationen som uppstår är väldigt svår att bestämma storleken på, vilket är en av faktorerna som gör skruvförbandsberäkningen så komplex.2

När handberäkningsmodellerna framställts inom skruvförbandsämnet har fallen till viss del förenklats men är tillräckligt sanningsenliga för att kunna optimera skruvförbandet. Särskilt drabbat är spänningsfördelningen i förbandet som endast ska avläsas översiktligt.2

2.1.1 Vridspänning

Vid inspänning av en skruv krävs ett vridande moment. På grund av

(12)

4

skruvhuvud och gänga och introducera spänningar i materialet orsakade av det vridande momentet i form av vridspänningar och dragspänningar.1 Vridspänningar har sitt maximumvärde vid gängroten och avtar

exponentiellt till noll vid skruvens centrum, se bild 1. Friktionen mellan anläggningsytorna har en tydlig koppling till uppkomna vridspänningar, ju högre friktion desto mer vridspänningar. Vridspänningarna är som störst vid åtdragning och minskar tydligt så fort det vridande momentet avlägsnas från skruvhuvudet.

Bild 1. Drag och skjuvspänningar i en skruv.1

Vridmomentet orsakar en vridning av skruvstammen som efter avlägsning kommer att få skruvhuvudet att vridas tillbaks tills jämvikt mellan

friktionskrafterna mellan skruvhuvudets anläggningsyta och momentet från skruvstammen har uppnåtts. När jämviktsfallet är i balans kommer

relaxation att initiera.

Vid dragning där spänningarna i skruven kommer att överstiga dess elastiska gräns kommer spänningsfördelningen att uppträda annorlunda. Detta

eftersom materialet utanför gängroten kommer att flyta innan de dras in i dess plastiska område.1

2.1.2 Friktion

I ett skruvförband är friktionen en mycket viktig parameter för att framställa ett väl fungerande förband. Förhållandet mellan kraft – moment – friktion kommer att avgöra hur förbandet skall monteras och demonteras. Den största delen, 90 %, av åtdragningsmomentet kommer att gå åt till att just övervinna friktionskrafterna medan de resterande 10 % kommer ge

användbar klämkraft. Friktionen kan delas upp i skallfriktion som är 50 % och gängfriktionen som svarar för de sista 40 % av de 90 %. Att

(13)

5

Det gemensamma kravet inom bilindustrin är en friktionskoefficient mellan 0.10 – 0.16 mellan skruv och gänga, just för att inte skruven ska börja backa i sina gängor vid vibrationer. Efter analys av friktionen kan beslut göras om gängan ska smörjas vid inspänning och vilket moment som fodras för att uppnå önskad klämkraft vilket också är materialberoende.1

2.1.3 Monteringsmetoder

För att få ett skruvförband med hög kvalitet krävs en korrekt

åtdragningsprocess. Det kan till exempel innebära en fördragning av skruvarna med ett lägre moment för sedan efterdra skruvarna till önskat moment. En viktig sak att tänka på är att alltid korsdra skruvarna för att undvika att skruvförbandet slår sig under åtdragningen, se bild 2. Som tidigare nämndes krävs ett vridande moment för att dra åt en skruv. Detta moment kan åstadkommas på ett antal olika sätt. Nedan följer en kort beskrivning av de vanligaste åtdragningsmetoderna.1

Bild 2. Korsvis dragning av skruvar.3

2.1.3.1 Momentdragning

Den mest klassiska åtdragningsmetoden är momentdragning. Metoden bygger på förhållandet mellan den pålagda kraften och hävarmens längd.1 Momentdragning har en spridning i klämkraft på ±25 % men kan i värsta fall uppgå till ±60 %. Anledningen till detta är att svårkontrollerade faktorer som friktionsförhållande under skruvskalle och i gängor påverkar relationen mellan moment och klämkraft. Om förbandet hade varit helt friktionsfritt hade relationen mellan moment och klämkraft endast styrts av de

geometriska faktorerna.1

En annan nackdel med metoden är att skruvens hållfasthet sällan nyttjas maximalt, nyttjandegraden brukar uppgå till maximalt 60 %.

(14)

6

Christopher Holmqvist & Ida Svedberg 2.1.3.2 Momentvinkeldragning

Momentvinkeldragning är en kombinerad metod som sker i två steg. Det första steget av åtdragningen utförs med ett moment som ska motsvara 75 % av den önskade klämkraften. I steg två kommer skruven/muttern

vinkelvridas till angiven vinkel som varierar med klämlängden. Det är viktigt att göra en uppmärkning på skruven innan vinkeldragningen och att se till att muttern inte roterar under åtdragningen då det kommer resultera i en felaktig åtdragning av förbandet.4

2.1.3.2.1 Momentvinkeldragning in i elastiska området

Metoden går ut på att utnyttja det faktum att klämkraftens tillväxt som funktion av åtdragningsvinkeln inte förändras nämnvärt, endast 5-10 %, samtidigt som friktionsförhållandena kan variera.1

Fördelar med metoden är att den ger en betydligt mindre spridning i klämkraft och att en högre nyttjandegrad av skruvens hållfasthet erhålls. Metoden kräver någon form av undersökning för att fastställa

tröskelmoment och åtdragningsvinkel, vilket kan anses vara en nackdel.1

2.1.3.2.2 Momentvinkeldragning in i plastiska området

Till skillnad från momentvinkeldragning i elastiska området måste här en vinkel väljas så stor att skruvarna med säkerhet sträckts. Om så inte är fallet blir sridningen i klämkraft avsevärd.1

Metodens fördelar är att maximal klämkraft ges för den givna skruvdimensionen och kvaliteten.

En nackdel är att plasticeringen kan bli så stor att möjligheten för återanvändning av skruven begränsas.1

2.1.4 Hålplantryck

Vid åtdragning av en skruv kommer muttern och skruvskallen i kontakt med materialet och i relation med klämkraften skapa ett hålplantryck. Om

hålplantrycket överskrider anliggningsmaterialets sträckgräns kommer plastisering med sättningar som påföljd. Om gränsen för hålplantryck

(15)

7

jämförelse mot dragkrafter och därför kan ett generellt högre hålplantryck tillåtas, cirka 750 MPa.1,5

2.1.5 Klämlängd

Klämlängden kallas den längd som efter montering mäts från skallens underkant till första gängvarvet, se bild 3. Längden har en stor inverkan på förbandets beständighet mot sättningar och dynamiska hållfasthet. Att en lång klämlängd har positiv inverkan på förbandet handlar om styvheten i förbandet där de klämda komponenterna kan ses som fjädrar med

individuella fjäderkonstanter som ger upphov till sättningar i förbandet. I normalfallet brukar klämkraften sjunka mellan 20 – 50 % genom sättningar efter montering. För att minska klämkraftsförlusten orsakade av sättningar kan klämlängden förlängas. En tumregel för klämlängd är att den ska vara minst två gånger skruvdiametern.1

Bild 3. Illustration av klämlängden.

2.1.6 Beräkning av skruvförband med packning

I beräkningsmodellerna för skruvförband ses hela förbandet som ett antal samverkande fjädrar med olika fjäderkonstanter som adderas för att få förbandets totala fjäderkonstant, se bild 4. Packningens fjäderkonstant kan utvinnas ur en last – nedböjningskurva. I packningssammanhang sätts inte last mot nedböjning utan kompressionsspänning mot nedböjning.6

Uppmätningen görs genom att en packningsbit trycks ihop där kraft, area och nedböjning är kända. Något som kommer försvåra fallet är att

packningens fjäderkonstant inte är konstant eftersom varierar av en rad anledningar:6

• I förbandet kommer packningen troligtvis äga den lägsta

(16)

8

• Fjäderkonstanten för packningen är ickelinjär vilket medföra nya fjäderkonstanter vid olika laster.

• Den termiska utvidgningskoefficienten kommer alltid att skilja sig från de andra ingående komponenterna vilket kommer att förändra packningens tillstånd.

• Packningen är inte någon fullt elastisk fjäder utan kommer förr eller senare att sätta sig.6

Bild 4. Tolkning av skruvförband med packning.6

2.2 Packningar

En packning är en typ av maskinelement som placeras mellan två komponenter, som hålls samman av ett fästelement, för att förhindra läckage. För att läckage inte ska uppstå krävs att tätningen fyller ut hela utrymmet mellan de ytor som önskas tätas.Dock bör det nämnas att ett helt tätt förband aldrig kan åstadkommas. Det finns alltid ett visst, om än försumbart, läckage.6-8

Vid val av packningsmaterial måste hänsyn tas till ett antal faktorer som kan påverka packningens tätningsförmåga:

• Tryck – En packning kan inte belastas med hur stort tryck som helst. Vid för högt tryck deformeras packningsmaterialet och vid för lågt tryck tätar den inte som den ska.

• Drifttemperatur – Packningsmaterialet har ett rekommenderat drifttemperatursområde som bör respekteras för att bevara tätningsförmågan.

• Relativa rörelser mellan delarna – Packningens egenskaper kommer att förändras då packningen kommer att utsättas för bland annat skjuvning.

(17)

9

2.2.1 Krypning och relaxation

När ett förband monteras kommer klämkraften från skruven att komprimera packningen som gör att den blir tunnare och med tiden även bredare. Så länge det finns klämkraft kvar kommer packningen att fortsätta att bli tunnare. Att packningen blir tunnare med tiden medför att klämkraften successivt minskas. Hur mycket packningen kommer att komprimeras finns som ett procentuellt värde i produktspecifikationen som kallas

kompressabilitet. Fenomenet beror på antingen krypningar eller relaxation eller en kombination av båda! Både krypning och relaxation återfinns i de flesta fall endast i polymera material.6

2.2.1.1 Krypning

Ett material sägs krypa om det rör sig vid konstant spänning. I ett skruvförband kommer inte packningen utsättas för konstant spänning då klämkraften från skruvarna kommer att minska då packningen komprimeras. Krypningen sker inte linjärt över tiden utan kommer i etapper. Vid

krypmätningar under en längre period används en logaritmisk tidsskala. Notera att spänningsförlust utan rörelse inte är krypning. En viss krypning är önskvärt i packningar för att kunna anpassa sig efter ojämnheter i

anliggningsytorna.6 2.2.1.2 Relaxation

Om ett prov utsätts för konstant töjning där spänningarna med tiden minskar har materialet blivit utsatt för relaxation. Man kan säga att materialet har anpassat sig efter omständigheterna. Fullständig relaxation är när materialet relaxerar tills spänningarna bli noll. Detta förekommer i gummimaterial och i icke-tvärbundna polymerer, i de fallen kommer materialet ha uppnått fullständig relaxation oftast inom ett dygn vid rumstemperatur.

Idealelastiska tvärbundna material, som gummipackningar och lister är gjorda av, ska i teorin inte uppvisa någon relaxationsbenägenhet. Men i praktiken kommer en viss relaxation att äga rum om så ej fullständig relaxation så kommer det att ge sättningar.6

2.2.1.3 Kryprelaxation

Kryprelaxation är en kombination av ren krypning och ren relaxation i förhållande till varandra, vilket förekommer i praktiken. Kryprelaxationens omfattning bestäms av; konstruktion, material, packningstjocklek, tid, temperatur och laster. Vissa material är mer kryprelaxationsbenägna än andra beroende på dess kemiska sammansättning.9

Packningens ursprungstjocklek är den mest avgörande faktorn för sättningsgraden i förbandet, då krypning är graderat i procentuell tjockleksförändring kommer en tjockare packning ge ett högre

(18)

10

krypning är proportionella mot varandra. Därför bör packningstjockleken väljas enligt följande: ”så tjock som nödvändigt men så tunn som möjligt”.6 Kryprelaxation är en relativt snabb process, den våldsammaste förändringen har i regel skett efter 20 minuter eller 20-25 lastcyklerna. Mätbara

förändringar kommer att äga rum fram tills några timmar efteråt. Vidare kryprelaxation kommer först vid temperaturökning, men om detta skulle förorsaka problem visar det sig också inom kort. Temperaturen ska inte utlämnas vid val av packning då en högre temperatur kan öka

krypbenägenheten tiofaldigt. Som tidigare nämndes kommer krypningen att fortskrida så länge det finns klämkraft, men nu i en betydlig mindre

utsträckning och kan därför ej ses som ett hot mot klämkraftsförlust. I förband utsatta för kraftig kryprelaxation rekommenderas en efterdragning av förbandet ett dygn efter montering för att återskapa den förlorade klämkraften i förbandet.6

Monteringsmoment och yttre laster påverkar också krypbenägenheten i packningsmaterialet. I regel gäller att ju högre klämkraft desto mer krypningar, men paradoxalt nog så ger ibland en högre klämkraft mindre krypning.

Om kryprelaxationen är stor kan detta orsaka läckage eller uttryckt packning vilket kan vara mycket farligt. Att välja skruvar med lägre styvhet kommer att hjälpa till att behålla klämkraften av det skälet att de får en längre förlängning när de uppnått samma klämkraft som den styvare skruven. Av dessa skäl vill man kunna förutspå hur mycket kryprelaxation som kommer att förekomma i förbandet redan i konstruktionsstadiet.6

2.2.2 Krossningsstyrka

Trots att packningar är tänkta att utsättas för ett högt tryck finns det gränser. I regel gäller att ju högre tryck på packningen desto bättre tätar packningen. Detta gäller dock inte om packningens krossningsstyrka överskrids, då kommer packningsmaterialet att gå sönder vilket leder till motsatt effekt. Vid vilket tryck packningen kommer att deformeras avgörs som funktion av packningstjocklek och temperatur. En ökad packningstjocklek respektive temperatur gör packningen känsligare för höga tryck. Olyckligtvis presenteras inte krossningsgränsen i packningsspecifikationen och bör kontrolleras om minsta osäkerhet råder.6

2.2.3 Kompressabilitet och återhämtning

(19)

11

anger en föraning om packningsstyvheten. Att veta parametern för hur packningen återhämtar sig är däremot av större nytta.6

Återhämtningen betecknar hur mycket packningen ”fjädrar tillbaks” när trycket reduceras eller avlägsnas. God återhämtningsförmåga är speciellt önskvärd när cykliska laster förekommer för att packningen skall expandera och täta innan det isolerade mediet slipper ut. Parametern anger procentuell återhämtning jämfört mot kompressionen. Tabellvärdet för återhämtning avläses när kryprelaxationen upphört efter avlastningen.6

2.2.4 Packningstyper

Packningar delas in i två huvudgrupper: • Traditionella kompressionspackningar • Flytande packningar

De traditionella kompressionspackningarna kännetecknas av att de är tillverkade i elastiska eller komprimerbara material. Packningarna ska uppfylla sin funktion när en yttre sammanfogningskraft appliceras.

Packningsmaterialet ska då fylla ut toleransavvikelserna i tätningsplanet för att skapa ett tätt förband. Yttrycket på packningen är av stor vikt då det påverkar packningens tätningsförmåga. De traditionella packningarna är begränsade då de inte kan fylla ut alltför små ytdeformationer som

verktygsspår och att det krävs ett grundtryck för att packningen skall hålla förbandet tätt.8

Indelningen av de traditionella packningarna är strukturerad utifrån

metalliska och ickemetalliska, enligt bild 5, där de metalliska har en mängd olika formutförande.8

(20)

12

De flytande packningarna använder sig av adhesion, molekylär vidhäftning av två närstående kroppar, för att åstadkomma ett tätt förband. Packningarna appliceras i flytande form och fyller ut samtliga ojämnheter när flänsarna monteras ihop, varpå den härdar till en hållfast tätning som fäster på båda flänsarna. Till de flexibla förbanden, där viss mån av rörelse förekommer, används silikonpackningar och till de stumma väljs en anaerob, en

packningsmassa som torkar när syret försvinner.8

Då flytande packningar är irrelevanta för projekten kommer därför ingen vidare genomgång av denna packningstyp att ges.

2.3 Härdning

Härdning är en typ av värmebehandling som används för att ge stål en lämplig hårdhet. Härdningen kan antingen gå till ett visst djup under ytan eller helt igenom materialet. Efter att materialet värmts till det är rödglödgat ska det snabbt kylas i vatten, olja eller luft. Kylmediet som används beror på vilka legeringsämnen stålet innehåller och i vilka mängder.5

För att erhålla martensitisk struktur krävs att materialet värms upp till en temperatur där materialet till huvudsak består av austenit. Det som händer under uppvärmningen är att dislokationer uppkommer i stålet som bidrar till att materialet byter struktur. Kyls sedan materialet snabbt kommer strukturen inte att hinna återgå till ursprunget utan stelnar till en martensitisk struktur, som är betydligt hårdare än stålets ursprungsstruktur.9,10

Vilken hårdhet som kan uppnås beror på kolhalten i stålet. Ju mer kol desto högre hårdhet. Bild 6 visar hur hårdheten varierar hos kolstål i olika

tillstånd.5

(21)

13

3. Metod

För att på bästa sätt uppnå syftet med projektet kommer gruppen göra litteraturstudier, intervjuer, framtagning av testmaterial och tester samt enklare beräkningar.

3.1 Faktasökning

En avgörande faktor för att uppnå syftet är att se till att vara väl insatt i problemet och skapa sig en uppfattning om hur olika parametrar inverkar på problemet. Detta väljer vi att kalla faktasökning. Vi väljer även att ta hjälp av teknikinstitutionens bibliotekarie för att lättare hitta den information vi är ute efter. Detta gör vi genom ett personligt möte där vi går igenom de centrala begreppen, sökmotorer med mera.

3.1.1 Litteraturstudie

Nästa steg blir en litteraturstudie där vi söker relevanta skrifter som berör vårt område, med hjälp av faktasökningen. Metoden används för att söka information om berört område. Denna metod används för att få en bättre förståelse om vilken inverkan packningar har på skruvförband. Studien kan göras både med hjälp av böcker och Internet.

Böcker är ett bra sätt att söka information på då källan kan anses som säker. Att hitta sökt information i böcker kan många gånger vara svårt och

tidskrävande.

Då Internet används som informationskälla bör innehållet granskas kritiskt eftersom det många gånger inte sker en granskning innan publicering. Här går det att jämföra Internet med litteratur för att få pålitliga källor.

3.1.2 Expertis

(22)

14

3.2 Handledning

Under projektets gång kommer handledning att ske regelbundet för att se till att projektet fortskrider i rätt riktning. Handledaren kommer även att fungera som bollplank när det gäller idégenerering och tillvägagångssätt.

Handledningen är dock inte bunden till den tilldelade handledaren, utan kan även ske med andra handledare, såsom lärare och företagskontakter, om behov finns.

3.3 Brainstorming

Ett bra sätt att hitta problemteorier och förslag på lösningar är att använda brainstorming. Metoden går ut på att tänka utanför ramarna och låta alla idéer, bra som dåliga, presenteras och antecknas för att sedan interpoleras till en eller flera möjliga lösningskoncept.

3.4 Val av material och testmetoder

Testmetoderna kommer att tas fram i samspråk med lärare på

Linnéuniversitetet och personal på SwePart Transmission AB med hänsyn till resurstillgång. För att testerna ska bli så korrekta som möjligt kommer gruppen att försöka få fram ett material som är jämförbart med det material SwePart Transmission AB använder idag. Gruppen kommer även vilja efterlikna tillvägagångssättet av monteringen med rätt åtdragningsmoment, skruv, packning etc.

3.5 Bearbetning av material

Olika bearbetningsmetoder kommer att användas för att ta fram testmaterial med rätt utformning. Troligtvis kommer gruppen behöva använda sig av skärande bearbetningsmetoder. Detta kommer om möjligt att ske med de maskiner som finns på skolan. Om resultatet inte blir tillfredsställande kommer hjälp sökas på annat håll. De problem som kan uppstå är att maskinerna inte klarar av att bearbeta materialet till önskat resultat. Detta kan bero på instabila maskiner, dåliga skär, svårigheter att hitta rätt inställningar etc.

För att kunna se om resultatet är tillfredsställande krävs tillförlitlig mätutrustning som kan verifiera att vi fått fram önskat resultat.

3.6 Beräkningar

(23)

15

3.7 Kritisk metoddiskussion

Vi kommer att testa oss fram med olika metoder och vet därför inte vilka vi kommer att använda oss av. Därför diskuterar vi djupare kring resultat och valda metoder i slutdiskussionen. Faktorer som kommer att spela stor roll är resurstillgångar och hur pass mycket tid det finns till förfogande. De

resurstillgångar som finns tillgängliga på skolan när det gäller skärande bearbetning i metall är:

(24)

16

4. Genomförande

4.1 Företagspresentation

Med sina automatiserade produktionsceller och maskiner som klarar de flesta typer av bearbetning är SwePart Transmission AB ett modernt och konkurrenskraftigt företag med inriktning på tillverkning av bland annat:

• Kundspecifika växellådor • Precisionstillverkade kugghjul • Axlar

• Knut och differentialkors

Företaget är beläget på två orter i södra Sverige; Liatorp och Sibbhult. Båda anläggningarna är certifierade enligt ISO/TS 16949 (Kvalitet) och ISO 14001 (Miljö).11

I samarbete med sina kunder tar företaget fullt ansvar för utveckling, konstruktion och tillverkning av både komponenter och

transmissionslösningar.11

4.1.1 Affärsidé

SwePart Transmission AB jobbar efter en affärsidé som lyder: SwePart Transmission AB skall med hög kompetens och kostnadseffektivitet vara en ledande tillverkare av transmissionsprodukter med specialitet på:11

• Konstruktion och produktion av tekniskt

avancerade kugghjul, drivaxlar och kundanpassade växlar. Detta till en marknad inom den

serietillverkande industrin, från prototyp till serieleverans och eftermarknad.

4.1.2 Historik

(25)

17

Med åren expanderar verksamheten och år 1956 flyttar företaget till Liatorp där det än idag har delar av sin verksamhet. Efter Bertils bortgång 1955 väljer Bertil och Axels bror Torsten Bengtsson att efterträda den bortgångna brodern. Torsten som tidigare arbetat med bland annat konstruktion av kuggbearbetningsmaskiner väljer att leda in verksamheten på

kugghjulstillverkning.11

I början av 1960-talet ökar efterfrågan på kugghjul stadigt, därför väljer företaget att köpa in nya moderna svarv- och kuggbearbetningsmaskiner och inom kort blir de en stabil leverantör av transmissionsdetaljer.

Under 1980-talet börjar företaget i samarbete med kunder utveckla sina första egna produkter, ett exempel är en drivaxel till gaffeltruckar.

Ca 10 år senare har företagets utveckling nått ytterligare en milstolpe, denna gång gäller det deras transmissionsprodukter. Nu ansvarar företaget för hela kedjan vid framtagning av transmissionsprodukter, det vill säga företaget ansvarar för utveckling, konstruktion, tillverkning och montering.11

År 2000-talet går företaget för första gången med förlust och efter ett par år med negativa resultat börjar ledningen ifrågasätta företagets framtid. En noggrann analys av verksamheten görs och företaget bedöms ha en stor utvecklingspotential. Hexagon, som förvärvade SwePart-koncernen 1996, beslutar att göra omfattande investeringar och strukturera om verksamheten. I mitten av 2000-talet ökar omsättningen med ca 40 % efter att de

marknadsfört företaget till fordonsindustrin. Detta leder till att företaget expanderar och investerar i ny utrustning för att kunna möta orderingången. Man väljer även att satsa på konstruktion och utveckling genom att utföra många intressanta konstruktionsuppdrag till kunder.

För att bredda verksamheten ytterligare köps 2007 Scanias växellådefabrik och dess tillverkning av komponenter i Sibbhult.11

4.1.3 Konstruktion

SwePart Transmission AB har en egen konstruktions- och

utvecklingsavdelning där de i samarbete med kunderna helt utifrån deras önskemål och krav utvecklar och konstruerar olika transmissionslösningar.11 För att kunna konstruera detaljer på bästa sätt använder företaget ett antal datoriserade verktyg som ska underlätta arbetet. Idag jobbar de i följande program:11

(26)

18

Christopher Holmqvist & Ida Svedberg • FEM-beräkningsprogram

• Beräkningsprogram som gör hållfasthetsberäkning av kugg enlig ISO 3990.

• Simuleringsprogram för kuggfräsning och kuggslipning.11

4.1.4 Kvalitet

SwePart Transmission AB jobbar efter fordonsindustrins högt ställda kvalitetskrav som återfinns i ISO/TS 16949. För att uppnå en kvalitetsnivå som överträffar kundens förväntningar måste företaget arbeta med ständiga förbättringar. Detta uppnås genom att:11

• Kartlägga och ha en förståelse för både interna och externa krav från kunder.

• Ständigt jobba med att utveckla och förbättra företagets processer. • På ett effektivt sätt ta vara på såväl sina egna som kundernas och

leverantörernas idéer för att uppnå en högre kvalitetsnivå. • Uppfylla rådande lagar och förordningar.

SwePart Transmission AB anser att ”Den som slutar att bli bättre slutar att bli bra.”11

4.2 Uppstart

Efter ett första möte med handledarna från skolan och SwePart Transmission AB kom vi överens om projektets mål och omfattning. Vår handledare på SwePart Transmission AB, Hans Hansson, hade innan mötet tagit fram sju punkter med önskade fördjupningsområden som berörde skruvförband. Under mötet diskuterades i huvudsak upplägget på arbetet, det vill säga huruvida det fungerar med sekretess, möjlighet att sitta på företaget och arbeta, etc. Efter mötet valde vi att inleda arbetet med en litteraturstudie.

4.3 Litteraturstudie

(27)

19

begränsat. Litteratursökningen resulterade i två handböcker, varav den ena fick beställas från Kungliga Tekniska Högskolan och ett antal Internetsidor med relevant fakta. Internet blev därför en viktig informationskälla för gruppen.

Under litteraturstudien fick gruppen upp ögonen för Henkel Norden AB och blev nyfikna på deras tankegångar kring varför förspänningen minskar i skruvförband. Gruppen valde att boka ett möte med handledaren på skolan för att diskutera huruvida Henkel Norden AB kunde ha en alternativ lösning på packningsproblemet eller ej. Det visade sig då att en säljare från företaget skulle komma och föreläsa om sina produkter dagen därpå, vilket gav gruppen möjlighet att ställa lite frågor till honom.

4.4 Expertis

4.4.1 Henkel Norden AB

Henkel är ett globalt företag som grundades 1876 och är verksam inom följande affärsområden:8

• Tvätt och rengöringsmedel • Kosmetik och hygienartiklar • Lim, tätning och ytbehandling

Sedan 1923 har företaget tillverkat lim, tätnings- och ytbehandlingsmedel för såväl konsumenter som industri och hantverkare. Företag är idag marknadsledande inom denna kategori.8

En av företagets experter, Jonas Persson, gav oss inga klara besked utan gav oss istället riktlinjer och möjliga orsaker till förspänningsförlusten. Han nämnde bland annat att följande punkter borde ses över:

• Klämkrafter – En ökad klämkraft kommer att absorbera större sättningar.

• Bultmönster – Ett ogynnsamt bultmönster kommer att ge stora klämkraftsförluster som funktion av avstånd till bult, se bild 7. • Sättningstid – Hur lång tid det tar för sättningarna att yttra sig.

Räcker det med att skruvförbandet får vila x antal timmar eller krävs det att det utsätts för yttrelast, temperaturskillnader och eventuella vätskor.

(28)

20

• Byte av packningstyp – Sättningar varierar med materialtyp och tjocklek på packningen.

5LVN]RQI|UNOlPNUDIWVI|UOXVWHU

6ROLG:RUNV6WXGHQW(GLWLRQ )RU$FDGHPLF8VH2QO\

Bild 7. Optimering av bultmönster.

4.4.2 Beräkningsexpert vid Linnéuniversitetet

Önskemål från företaget hade framkommit angående förfining av deras beräkningsmodell för skruvförband. Förfiningen skulle innebära en komplettering av modellen där hänsyn tas till den korrekta

friktionskoefficienten mellan växelhus och packning samt sättningsgrad i packningen.

Då gruppens erfarenheter av skruvförband är begränsad bokades ett möte in med Samir Khoshaba, beräkningsexpert på området. Under mötet

diskuterades möjliga testmetoder för att plocka fram friktionskoefficienten och hur sättningen i packningen varierar över tid. Eftersom gruppen hade svårigheter att få fram provbitar i gråjärn som är det material som företaget använder i sina växellådor idag, diskuterades även vilken roll materialvalet hade på friktionskoefficienten. Efter en snabb analys av tabellvärden för friktionstal, se tabell 1, kunde vi se att den inte skiljde på olika metalltyper vid kontakt med gummi. I samspråk med Samir valde vi därför att använda stål 1312 som testmaterial till friktionstesterna.

Tabell 1. Friktionstalet µ för olika kombinationer.12

µ

vila

µ

rörelse Materialkombination _{Torr yta} _{Smord yta} _{Torr yta} _{Smord yta}

Stål mot stål 0,18 0,1 0,14 0,05 Stål mot gjutjärn eller brons 0,2 0,1 0,16 0,05 Metall mot trä 0,5 0,1 0,3 0,06 Gummi mot trä eller metall 0,5 0,2 0,3 0,1

Läder mot metall 0,6 0,25 0,25 0,12

(29)

21

Tillsammans med Samir och Bertil Enquist, forskningsingenjör vid Linnéuniversitetet, arbetade vi fram en testmetod som skulle kunna genomföras med skolans dragprovmaskin. Testet går ut på att skapa ett skruvförband med packning där klämkraften är känd.

4.4.2.1 Utformning av friktionstest

För att kunna utforma något som vi ska kunna använda som friktionstest var vi tvungna att studera ekvationer som använder friktionskoefficienter. För att kunna bryta ut friktionskoefficienten måste vi veta samtliga andra faktorer. I bild 8 visas sambandet mellan friktionskoefficienten (µ), normalkraften (N) och friktionskraften (Ff). Kraften (F) är den kraft som krävs för att övervinna friktionskraften (Ff).

Bild 8. Samband mellan friktionskraft och normalkraft. Detta samband utgick vi från när friktionstestet utvecklades. I vårt fall kommer normalkraften (N) motsvara klämkraften (Fc) från skruven. Denna kommer att beräknas utifrån följande ekvation:

T = 0, 2 ! Fi! d ! Fi= T 0, 2 " d [N], Ekv. (1) 13 där: T = Vridmoment [Nm] Fi = Förspänningskraft [N] d = Skruvdiameter [m]

Fi = Fc = N, då inga yttre laster kommer att inverka på skruvförbandet. För att kunna beräkna friktionskoefficienten kommer Coulombs friktionslag att användas:

Ff =µ ! N !µ=

Ff

N , Ekv. (2)

(30)

22

Christopher Holmqvist & Ida Svedberg µ = Friktionskoefficient

N = Normalkraft [N] Insättning av ekv (1) i ekv (2) ger:

µ= Ff ! 0, 2 ! d

T Ekv. (3)

Eftersom moment och diameter är givna (136 Nm respektive 12 mm) behöver vi endast ta fram kraften som krävs för att övervinna

friktionskraften. Denna tas fram genom att utsätta skruvförbandet för ett dragprov där kraften utläses precis innan glidning mellan planen uppstår. Därför måste vi konstruera ett skruvförband med möjlighet att glida mellan planen utan att deformation sker i andra delar än i förbandets kontaktytor. Vi kom då fram till att en konstruktion enligt Bilaga 1 bör kunna uppfylla dessa krav. En sprängskiss av konstruktionen kan ses i bild 9.

Då företaget vill veta om den ytjämnhet de använder idag är ett korrekt val kommer testerna att utföras på flera ytjämnheter. Detta för att se om vi kan hitta något värde som ger en högre friktionskoefficient samtidigt som den behåller sin tätningsförmåga.

Bild 9. Sprängskiss av skruvförband.

En viktig sak att tänka på vid framtagningen av testmaterialet är att försöka hålla låg spridning på ytjämnheten över anliggningsytan under packningen. För att kontrollera ytjämnheten kommer en ytjämnhetsmätare att användas. 4.4.2.2 Utformning av sättningstest

Genom det här testet vill vi kontrollera hur stora sättningar packningen kommer skapa beroende på monteringsmomentet. För att kunna testa detta krävs någon form av kompression av packningen. Kompressionen kan åstadkommas genom att klämma packningen mellan två metallstycken med hjälp av skruvar, se konstruktion i Bilaga 2. Metallstyckena som ska

(31)

23

Bild 10. Sprängskiss av sättningstest.

För att testet skall vara rättvisande måste klämkraften åstadkommen av skruven vara rimligt väl känd, vilket kan åstadkommas genom de metoder som presenterades i teoridelen.

Att kontrollera förspänningskraften i skruven genom att endast använda en momentnyckel kan skapa en relativt stor felmarginal. Att felmarginalen blir stor kan förklaras av att större delen av det pålagda momentet kommer gå åt till att övervinna friktionskrafterna i förbandet.Trots att metoden ger en relativt stor felmarginal kommer vi att använda den till båda våra tester. Metoden valdes av två skäl:

1. Metoden används av företaget.

2. Anses som tillräckligt noggrann för ändamålet.

För att sedan kontrollera hur mycket förspänning som gått förlorad i skruven kommer vi att mäta klämlängden efter olika tidpunkter.

Vår testmodell kommer skilja sig ifrån originalutförandet då vår anliggningsyta kommer vara betydligt större samt att godstjockleken kommer vara förändrad.

4.4.2.3 Testmaterial

I tidigare avsnitt har vi beskrivit varför vi valt att ersätta gråjärn med stål, men när det gäller övriga skruvar och packningar som ska ingå i

testkonstruktionerna kommer vi använda samma material som SwePart Transmission AB använder idag.

För att få tag på rätt material tog vi kontakt med vår handledare på företaget så att han kunde kontakta packningsleverantören. Efter överenskommelse kunde vi själva ringa leverantören och beställa de antal ark av

(32)

24

Skruvarna kunde tillhandahållas direkt från monteringen på företaget. Muttrar i samma hållfasthetsklass fick köpas till då företaget inte använder det i sin verksamhet.

4.5 Tillverkning av testmaterial

När testmetoderna väl var utformade och konstruktionsritningarna

färdigställda boka vi tid med vår verkstadstekniker Arne Lindqvist för hjälp med tillverkningen av detaljerna.

Innan vi började tillverkningen diskuterade vi igenom de moment som skulle genomföras. Det mest kritiska momentet var hur vi skulle kunna åstadkomma olika ytjämnheter genom fräsning, vilket troligtvis skulle provas fram genom en kombination av matningshastighet och

spindelvarvtal.

Nedan följer beskrivningar över hur vi steg för steg gick tillväga vid framtagningen av vårt testmaterial.

De inledande stegen vid framtagningen av materialet var desamma för båda testerna.

Först kapades alla detaljer till given längd genom sågning, se bild 11. Därefter skulle alla hål borras. Detta gjorde vi genom att först förborra alla hål med ett mindre borr för att minska materialdeformation vid användning av större borrstorlek, se bild 12. För att materialdeformationen ska bli så liten som möjligt krävs att det lilla borret har en diameter som är större än kärntjockleken på det större borret.

De resterande momenten redovisas separat för varje test under de två kommande rubrikerna.

(33)

25

4.5.1 Friktionstest

För att skapa det avlånga hålet i det ena plattjärnetanvände vi en pinnfräs, se bild 13, som vi handmatade. När väl hålen var färdiga kunde vi börja fräsa anliggningsytorna på detaljerna. Detta gjordes med en planfräsmed konstant matning. Ett antal provkörningar gjordes där ytjämnheten mättes mellan varje fräsinställning. Här upptäckte vi att ytjämnhetsvärdet hade stor

spridning över ytan vilket gjorde att resultatet ej var tillfredställande för oss. Efter tips från institutionen kontaktades Kungsmadskolans industritekniska program i Växjö för att se om de kunde hjälpa oss. Ett möte bokades med två lärare från programmet där vi presenterade våra önskemål och

problematik. Vi fick därefter ett positivt besked att de borde kunna hjälpa oss.

Bild 13. Pinnfräs.

4.5.1.1 Samarbete med Kungsmadskolan

Eleverna vid industritekniska programmet hade en vecka senare lyckats få en jämn ytjämnhet över biten, vilket var mer än vi lyckats åstadkomma. Resultatet kan beskådas i bild 14. Dock hade de svårigheter att förutsäga vilken ytjämnhet skärdatan skulle resultera i. Detta gjorde att vi fick ta beslut om att använda oss av de ytjämnheter de lyckade få fram.

För att de skulle ha möjlighet att mäta ytjämnheten på bitarna skickade vi med en ytjämnhetsmätare. Dock visade det sig att mätaren hade svårigheter att mäta grövre ytjämnheter och var därför oanvändbar. Per Fredriksson, lärare på industritekniska programmet, kunde via kontakt med Willo AB mäta bitarna med deras ytjämnhetsmätare, se bild 15. Inför sista

uppmätningen fick vi möjlighet att åka med till Willo AB för att

(34)

26

Bild 14. Bearbetat testmaterial. Bild 15. Ytjämnhetsmätning på Willo. Tabell 2. Ra-värden för uppmätta detaljer

Detaljnummer ₁ Förband ₂ ₃ 1 0,3605 9,3757 12,1700 2 0,6960 8,4121 12,0291 3 0,2187 8,6810 12,0143 4 0,2661 7,9586 9,9190 Snitt 0,3853 8,6068 11,5331

Problematiken som nu uppstod var att vi inte skulle kunna ge SwePart Transmission AB ett exakt värde på den friktionskoefficient som råder i deras växellådor. Det vi istället kan utreda är huruvida de kan använda sig av en grövre ytjämnhet eller inte i tätningsplanet och i så fall hur det kan

motverka skjuvning.

4.5.2 Sättningstest

Då vi testmonterade friktionstestet uppmärksammade vi att hålplantrycket överskred materialytans hårdhet. Detta visade sig genom att skruvhuvudet tryckte sönder ytan och gick ner i materialet. Efter denna iakttagelse utförde vi beräkningar på hålplantrycket för att se vilket tryck förbandet orsakade. Vid beräkningarna använde vi oss av följande ekvationer:

(35)

27

Christopher Holmqvist & Ida Svedberg Fi=

136

0, 2 ! 0, 012 ! Fi= 56666, 67![N ]

Hålplantrycket kan beräknas med hjälp av följande ekvation:

P = 4 ! Fi ! (D0" dh) [N/m2_], _{Ekv. (4)}1 där Fi = 56 666,67 N D0 = Tryckytans ytterdiameter [m] = 0,018 [m] Dh = Tryckytans innerdiameter [m] = 0,012 [m] P = Hålplantryck [N/m2] P = 4 ! 56666, 67 ! (0, 0182 " 0, 0122) ! P = 400834671, 5![N m 2 ] ! P = 400.83![N mm2]

Stål 1213 (S235 enligt EN-standard) som vi använder klarar ett hålplantryck på 280 N/mm2, enligt tabell 3. Beräkningar ovan verifierade därför våra misstankar om att hålplantrycket i förbandet överskrider det hålplantryck materialet klarar av.

(36)

28

Vid undersökning av hålplantryck beroende på hållfasthetsklass av bult fick vi fram riktvärden för det klämda godsets hårdhet. En bult i hållfasthetsklass 12.9 kräver ett underlag med hårdhet 380 HB för att bevara klämkraften.1 Efter att ha studerat hur hårdheten varierar hos kolstål i olika tillstånd, se bild 6, kunde vi konstatera att en härdning skulle öka materialets hårdhet. Med rätt temperatur och tid borde materialet komma upp i en hårdhet på ca 400 HB.

4.5.2.1 Härdning

Härdningen utfördes i en av skolans härdugnar, se bild 16. Enligt svensk standard för kolstål14 ska kolstål härdas i 850°C i 30 minuter för att uppnå en hårdhet på ca 380 HB. Då materialet kommit upp i rätt temperatur togs den ut ur ugnen för att snabbt kylas i vatten. Under hela kylprocessen höll vi materialet i rörelse. Detta för att avisa luftbubblor samt se till att vattnet höll en så jämn temperatur som möjligt.

För att kontrollera att materialet uppnått en högre hårdhet utfördes en snabbkontroll. Med hjälp av en dorn gjorde vi en försänkning i en härdad och en ohärdad bit och jämförde dess storlek.

Bild 16. Härdning i härdugn.

4.6 Utförande av tester

För att minimal relaxation och krypning skulle påverka resultatet på våra tester valde vi att montera skruvförbanden strax innan testerna skulle utföras. Då vi sedan tidigare visste vilket åtdragningsmoment (136 Nm) företaget använde valde vi att använda samma. Momentet har dessutom visat sig vara det rekommenderade åtdragningsmomentet för optimalt utnyttjande av skruven.

(37)

29

4.6.1 Friktionstest

Då testkonstruktionen är tillverkad i tre olika utföranden och vi ville se hur stor påverkan olja har på friktionskoefficienten gjordes testet i tre omgångar:

1. Torr yta.

2. Ett par droppar olja på anliggningsytorna mellan metallstycke och packning.

3. Rikligt med olja på anliggningsytorna mellan metallstycke och packning.

Mellan varje omgång krävdes därför en demontering och byte av packning i de tre skruvförbanden. Anledningen till packningsbytet är att packningar anses förbrukade då packningen förlorat sin anpassningsförmåga efter första monteringen.

Vid andra demonteringen uppmärksammades materialdeformation orsakad av för högt hålplantryck. Eftersom vi endast hade en uppsättning av varje utförande hade vi ingen möjlighet att byta ut de deformerade detaljerna. Trots detta valde vi att slutföra testerna.

För att få ett jämnt tryck över packningen valde vi att endast lägga på ett moment vid packningssidan. Hade ett moment lagts på andra sidan också hade packningen utsatt för snedbelastning eftersom det blir ett spel mellan metallstyckena, se bild 17.

Bild 17. Spel mellan metallstyckena.

(38)

30

Bild 18. Skruvförband monterat i dragprovsmaskin.

Under testets gång kunde vi med hjälp av en uppmärkt linje se en tydlig förflyttning av den urfrästa dragplattan och packningen.

Varje test genererade en realtidsplot med kraften som funktion av

förflyttningen samt en Excelfil med mätdata. Ur mätdatan kunde vi sedan utläsa vilken kraft som krävdes för att övervinna friktionskraften, vilken var vår enda okända faktor för att kunna beräkna friktionskoefficienten.

4.6.2 Sättningstest

Som tidigare nämnts applicerades ett moment på 136 Nm. För att kunna mäta hur mycket packningen skulle komprimeras under

momentappliceringen gjordes en första mätning vid en förspänning på 40 Nm.

För att kunna göra mätningarna valde vi att använda en stativmonterad mätklocka med förbandet vilandes på två passbitar, se bild 19. Vi placerade klockans mätspets på ovansidan av förbandet vid förspänningsmomentet 40 Nm. Mätpunkten markerades då en avlägsning av förbandet krävdes för att kunna dra skruven med ett moment på 136 Nm.

Direkt efter åtdragning gjordes en mätning innan förbandet hunnit

(39)

31

Trots att den största förändringen sker under de första 20 minuterna valde vi att låta mätningen pågå ytterligare 19 timmar för att se om någon större förändring kunde avläsas.

Efter att testet hade avslutats demonterades förbandet för att se om

sättningar hade uppkommit på grund av för högt hålplantryck. Vi kunde då konstatera att härdningen hade gett en tillräckligt hård yta för att motstå hålplantrycket, se bild 20.

Bild 19. Utförande av sättningstest.

Bild 20. Demonterat sättningstest.

(40)

32

5. Resultat och analys

5.1 Friktionstest

Efter dragprovet var våra okända faktorer kända och friktionskoefficienten kunde utvinnas ur ekvation 3. I formeln använde vi det uppmätta

kraftmaximum, den kraft som krävdes för att övervinna den statiska friktionen i förbandet. Den uträknade friktionskoefficienten för varje

ytjämnhet och omständighet finns i tabell 4. För att underlätta jämförelse av oljans inverkan på krävd kraft innan glidning har alla tre linjerna införts i samma diagram, se diagram 1-3.

Beräkning av friktionskoefficient:

µ= Ff ! 0, 2 ! d

T _, _{Ekv. 3}

(41)

33

Christopher Holmqvist & Ida Svedberg Ra 0,4 [µm]: µ0.4,torr = 19322 ! 0, 2 ! 0, 012 136 !µ0.4,torr = 0, 3410 µ0.4,olja1= 7988! 0, 2 ! 0, 012 136 !µ0.4,olja1= 0,1410 µ0.4,olja2 = 9909 ! 0, 2 ! 0, 012 136 !µ0.4,olja2 = 0,1747

Diagram 1. Kraft som funktion av förflyttningen för ytjämnhet 12 [µm].

(42)

34

Diagram 3. Kraft som funktion av förflyttningen för ytjämnhet 0,4 [µm]. Tabell 4. Friktionskoefficient beroende på behandling och ytjämnhet.

Ytjämnhet

Behandling

Torr Olja 1* Olja 2**

Ra 12 0,4743 0,3131 0,2997

Ra 8 0,4441 0,2684 0,2301

Ra 0,4 0,3410 0,1410 0,1747

Anliggningsytorna mellan packning och metallstycke har behandlats enligt följande:

* Ett par droppar olja

** Hela ytan har smorts in rikligt med olja

Av diagrammen och beräkningarna att utläsa finns ett samband mellan friktionskoefficient och ytjämnhet, där den grövre ytan är mer gynnsam för en högre friktionskoefficient. Vidare är det en anmärkningsvärd skillnad mellan oljad respektive torr yta. Oberoende på ytjämnhet ger en oljad yta en mycket lägre friktionskoefficient.

5.2 Sättningstest

(43)

35

millimeter i förbandstjockleksförändring registreras. Ännu en kontroll gjordes 19 timmar senare då ännu en tusendels millimeters förändring kunde påvisas. Sättningsförloppet antas stämma med teorin där sättningsförloppet sker logaritmiskt över tiden.

Då förbandet på nytt drogs uppnåddes monteringsmomentet utan

skruvrörelse vilket tyder på minimal klämkraftsförlust. Dock kan detta vara missvisande då den statiska friktionen måste övervinna den, som nu är större än vid monteringen, för att skruven ska rotera. I diagram 4 visas

tjockleksförändringen av förbandet som funktion av tiden.

(44)

36

6. Diskussion och slutsatser

Under testutförandena har ett antal val gjorts som inte svarar uppriktigt mot de verkliga förhållandena. Här ska vi diskutera hur våra val kunde gjorts annorlunda för att få ett mer pålitligt resultat som kan återspeglar

verkligheten mer korrekt.

Fastställningen angående erhållen klämkraft, förspänning,

materialdeformationer och andra bakomliggande faktorvärden är svåra att verifiera och har en stor spridning. Detta i samband med att inget av våra tester är gjorda i tillräckligt stor kvantitet gör att värdena inte bör användas som referensvärden vid beräkning utan mer som riktlinjer.

6.1 Friktionstest

Som tidigare nämnts uppmärksammades ett för högt hålplantryck vilket ledde till formförändringar, dessa förändringar kan ha påverkat klämkraften i förbandet. Vilket i sin tur kan ha bidragit till missvisande värden för

friktionskoefficienten.

Att ytjämnheten i förbandet inte är helt jämn över ytan och skiljer sig åt mellan de ingående detaljerna kan också ha bidragit till missvisande värden. Kraften som krävs för att orsaka en första glidning mellan planen kan skilja beroende på draghastighet. Under vårt test använde vi oss av en förflyttning på 2 mm per minut. Hade vi halverat draghastigheten kanske packningen hunnit anpassa sig mer och kunnat hålla emot en högre förflyttningskraft. Vid dragproverna med oljad yta för ytjämnhet 0,4 µm kunde vi se att testet med mycket olja hade en större friktionskoefficient än testet med lite olja. Detta kan bero på att mängden olja inte mättes och att två olika personer oljade in ytorna. Hade en och samma person oljat in ytorna kanske ett annat resultat hade erhållits. Andra faktorer som kan ha orsakat missvisande resultat kan vara spridningen på momentnyckeln och väntetiden mellan testerna. Förbanden har med stor sannolikhet haft olika klämkraft vid testerna orsakad av spridningen i momentnyckeln. Väntetiden syftar till den tid förband två och tre fick ligga och ”vila” innan de drogs i dragprovmaskinen. Anledningen till väntetiden berodde på att tre förband monterades samtidigt och att endast ett förband kunde dras i taget. Väntetiden kunde eliminerats genom montering av ett förband i taget.

(45)

37

6.2 Sättningstest

Under testet för packningens sättningsbenägenhet fann vi att

sättningsbenägenheten i packningen var knappt påtaglig. Detta resultat stämmer inte överens med företagets hypotes. Företaget anser att

läckageuppkomsten beror på sättningar i packningen som bidrar till kraftig klämkraftsförlust. Trots att våra tester motstrider deras hypotes är vi överens med företaget på den punkten. I de applikationer där packningen

förekommer utsätts packningen för temperaturförändringar, yttre belastning och skjuvning. Våra tester har utförts under enkla omständigheter och endast tagit hänsyn till tryck i rumstemperatur. Enligt teorin är de faktorer som vi inte tagit hänsyn till i testerna, såsom mediet som ska tätas, temperatur, yttre laster, etc, mycket kritiska och mest avgörande för sättningarna.

En annan faktor som kan ha påverkat resultatet är yttrycket, då kontaktarean skiljer sig åt i utformning och storlek ifrån den verkliga produkten. Enligt teori har momentnycklar en stor spridning i resulterad klämkraft. Även detta kan ha varit en bidragande faktor till vår låga sättningsgrad.

En faktor som vi tror kan ligga till grund för läckage är avståndet mellan skruvarna. En minskad förspänning i skruven, orsakade av sättningar, kommer resultera i en minskad klämkraft mellan skruvarna. Klämkraften kommer att minska som funktion av avståndet till skruven och vara som minst mitt emellan skruvarna. Anledningen till detta är att man inte har ett styvt förband.

(46)

38

7. Rekommendationer

Efter att ha gjort litteraturstudie och tester på skruvförband med packningar har vi kunnat komma fram till ett antal förbättringsförslag som kanske kan lösa SwePart Transmission AB:s problem med läckande växellådor.

Efter utförda tester kunde vi konstatera att en grövre ytjämnhet ger en högre friktionskoefficient. Dock kunde vi inte avgöra hur pass grov ytan kan vara för att förbandet fortfarande ska vara tätt. En grövre ytjämnhet skulle alltså kunna minska problemen med glidning mellan packning och växelhus. En andra åtgärd kan vara att minska packningens tjocklek. En packning ska vara ”så tjock som nödvändigt men så tunn som möjlig”. En tjock packning ger upphov till större sättningar. Ett tips kan vara att titta på hur ett topplock är konstruerat. Där används ofta en tunn papperspackning och en väldigt lång klämlängd för att kunna absorbera sättningarna.

(47)

39

8. Referenser

1. Svenska nätverket för Skruvförband.

http://handbok.sfnskruv.se/template.asp 2012-05-07, Kl. 14.03

2. Handbok om skruvförband.. 2. utg., omarb. och utvecklad (1995). Kista: Division maskinelement, Colly Co.

3. Aesseal. http://www.aesseal.se/indexSwe.html 2012-05-14, Kl. 20.12 4. Stålbyggnadsinstitutet.

http://www.sbi.se/omraden/o_dokument.asp?mId=3&kId=72&subKId=0 &mgrp=&dId=144 2012-05-14, Kl. 19.37

5. Karlebo handbok. 15., [rev.] utg. (2000). Stockholm: Liber

6. Bickford, John H. (1990). An introduction to the design and behavior of bolted joints. 2. ed., rev. and expanded New York: Dekker

7. Seal-mart. ”Gasket type & material overview” http://www.seal-mart.com/brochure.php 2012-04-19, Kl. 16.25 8. Henkel Loctite.

http://www.loctitesolutions.com/index.php?FOLDERID=29844&PHPS ESSID=k70e365nq808m43dpt3faifpj6 2012-05-01, Kl. 20.40

9. Ullman, Erik & Bengtson, Ulf (2003). Materiallära. 14., [rev.] utg. Stockholm: Liber

10. Salahärdarna. http://www.salahardarna.se/tjanster/hardning 2012-05-15, Kl. 13.05

11. SwePart Transmission AB.

http://www.swepart.se/Svenska/Hem/tabid/324/language/sv-SE/Default.aspx 2012-04-03, Kl. 10.42

12. Björk, Karl (1991). Formel- och tabellsamling för teknologi och konstruktion M. 3. uppl. Märsta: K. Björk

(48)

40

9. Bilagor

(49)

5 sidor

Bilaga 1

(50)

0877(50 ,16(;6.5890 3$&.1,1* */,'3/$77$ 6$00$1)2*1,1*63/$77$ '5$*3/$77$ ( ' & % $ ( ' & % $ bJDUH /,11e81,9(56,7(7(7 3RVQU .RQVWUXHUDGDY

,6&+ *UDQVNDGDY *RGNlQGDYGDWXP *HQHUHOOWROHUDQV66,62

P *HQHUHOO\W MlPQKHW5D 9\SODFHULQJ 6NDOD 8WJnYD %ODG 7LWHO%HQlPQLQJ 6$00$167b//1,1* 5LWQLQJVQXPPHU

$QWDO 7LWHO%HQlPQLQJEHWHFNQLQJPDWHULDOGLPHQVLRQRG $UWLNHOQU5HIHUHQV

(51)

Godkänd av - datum Generell tolerans -Vyplacering Skala 1 Blad Titel/Benämning 001

Antal Titel/Benämning, beteckning, material, dimension o d Artikel nr / Referens

E D Granskad av SS-ISO 2768-1 jämnhet, Ra C B A 4 1:2 IS, CH _m Utgåva 3 2 1 DRAGPLATTA LINNÉUNIVERSITETET E D Pos nr Konstruerad av C B A Ägare Generell yt-Ritningsnummer 12 200 40 20 50 2 (5) 1 STÅL EN 10025-S235JR 001 5

(52)

8 C

tabell för aktuell grupp

3 (5) Ytjämnheten avläses i 0,4 GRUPP YTJÄMNHETSVÄRDE (X) A 12 B 1 STÅL EN 10025-S235JR 002

Antal Titel/Benämning, beteckning, material, dimension o d Artikel nr / Referens

E D C B A 4 3 2 1 E 002 jämnhet, Ra 1:2 D C B A Utgåva Titel/Benämning m GLIDPLATTA Ägare IS, CH Granskad av LINNÉUNIVERSITETET Pos nr

Godkänd av - datum Generell tolerans

-Konstruerad av

SS-ISO 2768-1 Vyplacering Skala

1 Blad Generell yt-Ritningsnummer 52 200 40 2x R6 12 Ra X Ra X 5

(53)

4 (5)

STÅL EN 10025-S235JR

1 003

tabell för aktuell grupp Ytjämnheten avläses i GRUPP YTJÄMNHETSVÄRDE (X) A 12 B 8 C 0,4 Artikel nr / Referens E D C B A 4 3 2 1 E D C

Titel/Benämning, beteckning, material, dimension o d

Utgåva SAMMANFOGNINGSPLATTA B A Ägare IS, CH LINNÉUNIVERSITETET Antal m Pos nr

Granskad av Godkänd av - datum Generell tolerans Konstruerad av SS-ISO 2768-1 -Vyplacering Skala jämnhet, Ra 1:2 1 Blad Titel/Benämning 003 Generell yt-Ritningsnummer 20 50 50 40 200 20 Ra x 5

(54)

5 (5) 2 N-8092 004 Artikel nr / Referens E D C B A 4 3 2 1 E D C

Titel/Benämning, beteckning, material, dimension o d

Utgåva PACKNING B A Ägare IS, CH LINNÉUNIVERSITETET Antal m Pos nr

Granskad av Godkänd av - datum Generell tolerans Konstruerad av SS-ISO 2768-1 -Vyplacering Skala jämnhet, Ra 1:1 1 Blad Titel/Benämning 004 Generell yt-Ritningsnummer 12 20 40 100 R6 20 40 R6 0,800

(55)

3 sidor

Bilaga 2

(56)

6b773$&.1,1* 00877(5 06(;.$1766.589 ./266 ( ' & % $ ( ' & % $ bJDUH /,11e81,9(56,7(7(7 3RVQU .RQVWUXHUDGDY

P *HQHUHOO\W MlPQKHW5D 9\SODFHULQJ 6NDOD 8WJnYD %ODG 7LWHO%HQlPQLQJ 6b771,1*67(67 5LWQLQJVQXPPHU

(57)

67c/(16-5 ( ' & % $ ( ' & % $ bJDUH /,11e81,9(56,7(7(7 3RVQU .RQVWUXHUDGDY

P *HQHUHOO\W MlPQKHW5D 9\SODFHULQJ 6NDOD 8WJnYD %ODG 7LWHO%HQlPQLQJ ./266 5LWQLQJVQXPPHU