ผลิตภัณฑ์ทางวิศวกรรมเกือบทั้งหมดที่มีความซับซ้อนแตกต่างกันใช้เธรดรัด. เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเชื่อมต่ออื่นๆ ส่วนใหญ่ ข้อได้เปรียบที่สำคัญของตัวยึดแบบเกลียวก็คือสามารถถอดประกอบและนำกลับมาใช้ใหม่ได้
โดยปกติแล้ว คุณลักษณะนี้เป็นสาเหตุว่าทำไมจึงเลือกใช้ตัวยึดแบบเกลียวมากกว่าวิธีการเชื่อมต่ออื่นๆ และมักมีบทบาทสำคัญในการรักษาความสมบูรณ์ทางโครงสร้างของผลิตภัณฑ์
อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้ยังเป็นสาเหตุสำคัญของปัญหาในเครื่องจักรและส่วนประกอบอื่นๆ อีกด้วย สาเหตุของปัญหาเหล่านี้อยู่ที่-กลไกการคลายตัวเอง กลไกการคลายตัวเอง-นี้เป็นปัญหามานานแล้ว และในช่วง 150 ปีที่ผ่านมา นักออกแบบได้พัฒนาวิธีการเพื่อป้องกันเหตุการณ์นี้
วิธีการล็อคทั่วไปสำหรับตัวยึดแบบเกลียวหลายประเภทถูกคิดค้นขึ้นเมื่อกว่า 100 ปีที่แล้ว แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กลไกหลักที่นำไปสู่การคลายตัว-เท่านั้นที่เป็นที่เข้าใจกัน มีกลไกหลายอย่างที่อาจทำให้ตัวยึดเกลียวคลายออก ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นการคลายแบบหมุนและการคลายแบบไม่หมุน-
การคลายแบบหมุนและไม่หมุน-
ในการใช้งานส่วนใหญ่ ตัวยึดแบบเกลียวจะถูกขันให้แน่น และมีการใช้พรีโหลดกับการเชื่อมต่อ การคลายสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการสูญเสียพรีโหลดในภายหลังหลังจากกระบวนการกระชับเสร็จสิ้น สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้สองวิธี:
การคลายแบบหมุน โดยทั่วไปเรียกว่าการคลายตัวเอง- หมายถึงการหมุนของตัวยึดภายใต้การกระทำของโหลดภายนอก
การคลายแบบไม่-แบบหมุนหมายถึงการสูญเสียพรีโหลดโดยไม่มีการเคลื่อนไหวสัมพันธ์กันระหว่างเกลียวภายในและภายนอก
การคลายตัวของตัวยึดเกิดจากการไม่-การคลายแบบหมุน
การคลายแบบไม่-แบบหมุนอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการเสียรูปของตัวยึดหรือส่วนประกอบที่เชื่อมต่อหลังการประกอบ นี่เป็นผลมาจากการพังทลายของพลาสติกบางส่วนของอินเทอร์เฟซเหล่านี้
มุมมองขยายของการสัมผัสพื้นผิวขรุขระ
เมื่อพื้นผิวทั้งสองสัมผัสกัน แต่ละพื้นผิวจะรับภาระพื้นผิวของตลับลูกปืน เนื่องจากพื้นที่สัมผัสจริงมีขนาดเล็กกว่าพื้นที่ผิวมาก แม้จะอยู่ภายใต้แรงกดปานกลาง ความเค้นเฉพาะที่ที่สูงมากจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเกินกว่าความแข็งแรงครากของวัสดุ
สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การพังทลายของพื้นผิวบางส่วนหลังจากการดำเนินการขันให้แน่นเสร็จสิ้น การล่มสลายนี้มักเรียกว่าการฝัง
ปริมาณแรงจับยึดที่สูญเสียเนื่องจากการฝังขึ้นอยู่กับความแข็งของสลักเกลียวและส่วนประกอบที่เชื่อมต่อ จำนวนพื้นผิวสัมผัสที่มีอยู่ในการเชื่อมต่อ ความหยาบของพื้นผิว และความเค้นที่พื้นผิวแบริ่งที่ใช้
ภายใต้สภาวะความเค้นพื้นผิวระดับปานกลาง การฝังมักจะทำให้สูญเสียแรงจับยึดประมาณ 1% ถึง 5% ภายในไม่กี่วินาทีแรกหลังจากที่ข้อต่อถูกขันให้แน่น เมื่อข้อต่อได้รับแรงแบบไดนามิกในเวลาต่อมา แรงจับยึดอาจลดลงอีกเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความดันที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวสัมผัสของข้อต่อ
หากความเค้นแบริ่งของพื้นผิวถูกรักษาให้ต่ำกว่ากำลังรับแรงอัดของวัสดุส่วนประกอบที่เชื่อมต่อ จะสามารถคำนวณและชดเชยปริมาณการสูญเสียการฝังในการออกแบบการเชื่อมต่อได้
ทฤษฎีของจังเกอร์เรื่องการยึดตัวเอง-การคลายตัว
ในปี 1969 Gerhard Junker ใช้ผลการทดสอบทางวิศวกรรมเพื่อสนับสนุนทฤษฎีของเขาว่าทำไมเกลียวยึดจึงคลายโดยอัตโนมัติ การค้นพบที่สำคัญของเขาคือเมื่อการเคลื่อนไหวสัมพัทธ์เกิดขึ้นระหว่างเกลียวผสมพันธุ์และระหว่างพื้นผิวแบริ่งของตัวยึดกับวัสดุจับยึด ตัวยึดที่โหลดไว้ล่วงหน้าจะคลายตัวเนื่องจากการหมุน
นอกจากนี้ยังพบว่าโหลดไดนามิกตามขวางทำให้เกิดการคลายตัวที่รุนแรงกว่าโหลดไดนามิกตามแนวแกน เหตุผลก็คือการเคลื่อนที่ในแนวรัศมีภายใต้แรงตามแนวแกนนั้นมีขนาดเล็กกว่าการเคลื่อนที่ในแนวรัศมีภายใต้แรงตามแนวขวางอย่างมาก
การเคลื่อนที่ตามขวางของจุดต่อแบบเกลียว
Junker แสดงให้เห็นว่าตัวยึดที่โหลดไว้ล่วงหน้าจะคลายตัวเอง-เมื่อมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างเกลียวผสมพันธุ์กับพื้นผิวลูกปืนของตัวยึด สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อแรงตามขวางที่กระทำต่อข้อต่อมีค่ามากกว่าแรงเสียดทานที่เกิดจากพรีโหลดของโบลต์
สำหรับการเคลื่อนตัวตามขวางขนาดเล็ก อาจเกิดการเคลื่อนไหวสัมพัทธ์ระหว่างปีกเกลียวและพื้นผิวสัมผัสของตลับลูกปืน เมื่อผ่านระยะห่างของเกลียวแล้ว โบลต์จะต้องได้รับแรงดัดงอ และหากการเลื่อนตามขวางยังคงมีอยู่ การเลื่อนที่พื้นผิวลูกปืนใต้หัวโบลต์จะเกิดขึ้น
เมื่อสตาร์ทแล้ว จะไม่มีการเสียดสีที่เกลียวและใต้หัวโบลท์ชั่วคราว แรงบิดคลายตัวเอง-ที่เกิดจากพรีโหลดที่กระทำต่อมุมเกลียวเกลียวทำให้เกิดการหมุนที่สอดคล้องกันระหว่างน็อตและโบลต์ ภายใต้การเคลื่อนไหวตามขวางซ้ำ ๆ กลไกนี้อาจทำให้ตัวยึดคลายตัวโดยสมบูรณ์
เพื่อศึกษาสาเหตุของการคลายตัว Junker ได้พัฒนาเครื่องทดสอบดังแสดงในรูปด้านล่าง ซึ่งวัดปริมาณประสิทธิภาพการป้องกัน-การคลายตัวของการออกแบบตัวยึด
เครื่องทดสอบสปริง Junker
ตลับลูกปืนเม็ดกลมใช้เพื่อขจัดผลกระทบจากการเสียดสีระหว่างแผ่นเคลื่อนที่และแผ่นยึดอยู่กับที่ เมื่อมีการเคลื่อนที่ตามขวางจากแผ่นเคลื่อนที่ที่ยึดน็อต โหลดเซลล์จะตรวจสอบโหลดของโบลต์อย่างต่อเนื่อง
เมื่อเปรียบเทียบกับมาตรฐานการทดสอบการสั่นสะเทือนทั่วไป สามารถวัดการสูญเสียพรีโหลดได้ในระหว่างการทดสอบ และสามารถพล็อตกราฟของพรีโหลดเทียบกับจำนวนรอบได้
หลักการของเครื่อง Junker คือการที่การเคลื่อนที่ตามขวางที่เกิดจากลูกเบี้ยวจะทำให้ตัวยึดสั่น เพื่อเอาชนะแรงเสียดทานของตัวยึดทำให้เกิดการคลายตัว
ภาพหน้าจอของเครื่องทดสอบ Junker
เส้นโค้งการทดสอบการสั่นสะเทือนของ Junker
ผ่านการทดสอบ Junker แล้ว สามารถเปรียบเทียบประสิทธิภาพของการออกแบบป้องกันการคลาย-ของตัวยึดต่างๆ ได้ ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา มีการศึกษาจำนวนมากเกี่ยวกับการออกแบบป้องกันการคลายตัวของตัวยึด-ที่มีอยู่เพื่อเปรียบเทียบคุณสมบัติป้องกันการคลายตัวของพวกมัน-
เพื่อการเปรียบเทียบที่มีประสิทธิภาพ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนที่เท่ากัน เนื่องจากจะมีผลกระทบอย่างมากต่อผลลัพธ์ รูปด้านล่างแสดงผลการทดสอบโดยทั่วไปของแหวนรองสปริง
การทดสอบแสดงให้เห็นว่าการวางแหวนรองสปริงเกลียวไว้ใต้หัวโบลต์จะช่วยเร่งการคลายตัวได้จริง คนอื่นๆ ยังพิสูจน์ว่าการใช้แหวนรองดังกล่าวมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกับการใช้โบลท์โดยไม่มีอุปกรณ์ล็อคใดๆ
ผู้ผลิต OEM รายใหญ่หลายรายตระหนักถึงการค้นพบนี้ จึงไม่ได้ระบุแหวนรองดังกล่าวไว้ในมาตรฐานภายในของตนอีกต่อไป
อุปกรณ์ล็อคจำนวนมากที่ใช้สำหรับตัวยึดแบบเกลียวนั้นมีพื้นฐานมาจากการป้องกันการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างเกลียว (เช่น น็อตล็อคไนลอน) หรือการเคลื่อนสัมพัทธ์ระหว่างพื้นผิวตลับลูกปืนและส่วนประกอบที่เชื่อมต่อ (เช่น แหวนรอง "ล็อค" ประเภทต่างๆ)
อย่างไรก็ตาม ทั้ง Junker และนักวิจัยรุ่นต่อๆ มาได้ชี้ให้เห็นถึงความสำคัญของการป้องกันการเคลื่อนที่ตามขวางของข้อต่อ: การออกแบบการเชื่อมต่อด้วยสลักเกลียวที่เหมาะสมทำให้มั่นใจได้ว่าแรงจับยึดของสลักเกลียวนั้นเพียงพอที่จะป้องกันการเคลื่อนที่ตามขวางผ่านการเสียดสีของแผ่นเชื่อมต่อ จึงหลีกเลี่ยงการคลายตัว
ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ สามารถทำได้โดยการเลือกขนาดและความแข็งแรงของตัวยึดที่เหมาะสม เพื่อให้พรีโหลดสามารถสร้างแรงเสียดทานเพียงพอที่จะต้านทานการเคลื่อนไหวของข้อต่อที่เกิดจากแรงภายนอก
บทสรุปของสกรูจุน
สาเหตุพื้นฐานของการคลายเกลียวของตัวยึดคือการเคลื่อนไหวของข้อต่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเลื่อนตามขวางของเกลียวเกลียวและพื้นผิวลูกปืน หากได้รับพรีโหลดเพียงพอจากสลักเกลียวเพื่อป้องกันการเคลื่อนที่ของข้อต่อ ก็ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ล็อค เนื่องจากการเสียดสีจะยึดชิ้นส่วนไว้ด้วยกัน
ปัญหาหลักในการออกแบบตัวยึดแบบเกลียวคือ การทำให้พรีโหลดเพียงพอที่จะยึดชิ้นส่วนเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา เมื่อรวมการเปลี่ยนแปลงในสภาวะการเสียดสีเข้าด้วยกัน
กราฟนี้แสดงผลของการเปลี่ยนแปลงแรงเสียดทานต่อพรีโหลดของโบลต์
กุญแจสำคัญในการป้องกันการคลายตัวคือการจัดให้มีพรีโหลดโบลต์ที่เพียงพอ
โดยทั่วไป ข้อต่อควรได้รับการออกแบบตามค่าพรีโหลดขั้นต่ำที่สร้างขึ้นที่ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสูงสุด การออกแบบโดยใช้ค่าพรีโหลดเฉลี่ยจะนำไปสู่การคลายตัวของหลาย ๆสลักเกลียว.
ในเวลาเดียวกัน จำเป็นต้องพิจารณาการสูญเสียพรีโหลดที่เกิดจากการฝังด้วย เพื่อจำกัดปริมาณการฝัง จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าช่วงความเค้นสูงสุดที่วัสดุที่ยึดจับสามารถทนได้
ในกรณีที่ไม่สามารถป้องกันการเคลื่อนไหวของข้อต่อได้ เช่น เมื่อมีการขยายตัวเนื่องจากความร้อน ควรระบุอุปกรณ์ล็อคที่มีความสามารถที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว
