Краткое содержание

Саморезы представляют собой высокопрочные крепежные элементы, выполняющие как саморезную, так и крепежную функции.

Различные конфигурации резьбы по-разному влияют на характеристики крепления. При разработке тестов на затяжку и ослабление были подробно проанализированы выбор крутящего момента при установке, эффективность крутящего момента и характеристики ослабления двух типов саморезов, чтобы предоставить справочные данные для выбора металлических саморезов в инженерных приложениях.

Сравнение показывает, что:

Крутящий момент самонарезающего гвоздя «Тип I» ниже, чем у гвоздя «Тип II», а саморезный гвоздь «Тип I» имеет большее окно выбора крутящего момента и более высокий коэффициент безопасности при установке;

Саморезы типа II того же размера более эффективны по крутящему моменту, чем саморезы типа I, и потребляют меньший крутящий момент при том же увеличенном усилии зажима;

Следует отметить, что из-за преимущества низкого крутящего момента самонарезающих винтов «Типа I», самонарезающие винты «Типа I» требуют меньшего крутящего момента для установок с низким усилием зажима, а саморезы «Типа II» требуют меньшего крутящего момента для установок с высоким усилием зажима;

При использовании с гайками из алюминиевого сплава оба типа самонарезающих винтов обладают хорошей устойчивостью к отвинчиванию по сравнению с метрическими винтами, но самонарезающий гвоздь «Типа II» имеет лучшую устойчивость к отвинчиванию, чем самонарезающий гвоздь «Типа I» того же размера.

1

Фон

С быстрым развитием транспортных средств с новой энергией, легкий вес, безопасность, низкая стоимость, энергосбережение и защита окружающей среды стали тенденцией модернизации автомобилей.

Чтобы соответствовать этой тенденции, алюминиевое легирование автомобильных деталей совершило прорыв. Переход от стали к алюминию, от литья к ковке, от составных частей к интегрированной конструкции — эти изменения поставили перед технической разработкой крепежных изделий большие проблемы, требующие больших усилий для проектирования соединительных конструкций и оптимизации крепежных решений.

В последние годы металлические саморезные соединения показали отличные скрепляющие свойства в алюминиевых сплавах не только по прочности и возможности соединения различных конструкций, но и по нарезным и скрепляющим функциям.

Преимущества этой соединительной конструкции заключаются в том, что хорошая посадка снижает риск ослабления соединения и что ее можно демонтировать для повторного использования.

С развитием требований к применению и технологий на рынке стали доминировать различные типы саморезов. На практике размер самонарезающего гвоздя, тип резьбы, тип головки, тип хвостовика, отделка поверхности и характеристики крутящего момента оказывают существенное влияние на эффективность затяжки всей конструкции соединения. .

Авторы этой статьи фокусируются на двух различных конфигурациях резьбы металлических саморезов, анализируют и сравнивают крепежные свойства, обеспечиваемые этими двумя конфигурациями резьбы, чтобы дать рекомендации по выбору металлических саморезов для практического применения.

Первым типом металлических саморезов является «Тип I», который имеет следующие преимущества:

Низкий крутящий момент;

Высокий коэффициент отказа к крутящему моменту;

Отличное осевое позиционирование;

Более сильное отношение постукивания к проскальзыванию;

Предотвращение соскальзывания внутренней резьбы;

Предотвращает расшатывание из-за вибрации;

Сформированная резьба совместима с метрическими крепежными элементами.

Второй тип металлических саморезов — «Тип II», обладающий следующими преимуществами:

Коническая резьбонарезная лента облегчает нарезание резьбы и предотвращает проскальзывание;

Угол наклона 33° снижает крутящий момент;

Высокий крутящий момент против раскручивания;

Высокая прочность соединения за счет большой площади резьбы;

Более высокий пусковой момент;

Полученная резьба совместима с метрическими крепежными элементами.

Авторы проанализировали и проверили характеристики крепления двух конфигураций резьбы металлических самонарезающих гвоздей в одной и той же тестовой среде, что дает рекомендации по выбору и развитию крутящего момента металлических саморезов в инженерных приложениях.

2

Тестовый контент

2.1 Испытательные образцы и оборудование

Основные образцы и рабочие параметры, использованные в испытаниях, приведены в табл. 1.

Таблица 1 Образцы и рабочие параметры, использованные для эксплуатационных испытаний двух металлических саморезов

Основное оборудование, использованное во время испытаний, показано в таблице 2.

Таблица 2. Оборудование, использованное при проверке работоспособности двух металлических саморезов

2.2 Тестовая установка

Схематическая диаграмма оборудования, использованного во время испытаний, показана на рисунке 1 (а);

Устройство во время испытаний показано на рис. 1(б);

Схема аппарата во время вибрационных испытаний показана на рис. 1(с).

2.3 Программа испытаний

2.3.1 Затяжка до разрушения соединения

Как показано на рисунке 1 (a) (b), метрические винты, саморезы «Тип I» и саморезы «Тип II» были закреплены, и винты были затянуты с помощью оборудования для проверки крутящего момента до разрушения соединения.

Условия испытаний: скорость вращения 30 об/мин.

2.3.2 Затяжка с установочным моментом

Как показано на Рисунке 1(a)(b), закрепите метрические винты, саморезы «Тип I» и саморезы «Тип II» соответственно, затяните винты до установочного крутящего момента, используя оборудование для проверки крутящего момента, и запишите крутящий момент, угол поворота и усилие натяжения винтов с использованием оборудования для сбора данных.

Условия испытаний: частота вращения 30 об/мин, установочный момент выбран из статистики раздела 1.3.1.

2.3.3 Испытание на статическое затухание

Как показано на рис. 1 (a) (b), закрепите метрические винты, саморезы «Тип I» и саморезы «Тип II» соответственно, затяните винты с установочным крутящим моментом с помощью оборудования для проверки крутящего момента, запишите максимальное усилие зажима, а через 30 мин зафиксировать оставшееся усилие зажима.

Условия испытаний: скорость 30 об/мин.

2.3.4 Испытание на затухание вибрации

Как показано на рисунке 1(c), закрепите метрические винты, саморезы «Тип I» и саморезы «Тип II» соответственно, затяните винты с одинаковым усилием зажима с помощью зажимного устройства, запишите усилие зажима и количество циклов вибрации при вибрации.

Условия испытаний: амплитуда 0,8 мм, вибрационная нагрузка 1 кН, количество циклов 500.

В этом эксперименте сила после уменьшения силы зажима 50% используется в качестве силы разрыва сдвига.

3

Результаты и обсуждение

3.1 Анализ выбора момента затяжки

На рис. 2(а) показано сравнение крутящего момента и момента текучести двух металлических саморезов с разными характеристиками.

Видно, что разница в моменте нарезания резьбы для одной и той же резьбовой конструкции с разными характеристиками незначительна. 4,957 и 5,266 Нм для «Тип II» М5 и М6 соответственно;

Сравнивая производительность резьбы этих двух конфигураций резьбы, крутящий момент самонарезающего гвоздя «Типа I» значительно ниже, чем у «Типа II», с уменьшением примерно на 1,3 Нм.

Исследование показывает, что преимущество характеристик нарезания резьбы «Тип I» в основном связано с треугольной листовой структурой резьбы, которая имеет треугольное поперечное сечение для снижения крутящего момента нарезания резьбы и, таким образом, удовлетворения потребности в более низком крутящем моменте нарезания резьбы.

Эта структура резьбы также обеспечивает лучшее осевое позиционирование и снижает потребление крутящего момента при установке в других областях.

Что касается значений момента текучести для обеих конфигураций резьбы, разница между двумя типами самонарезающих винтов размера M5 с моментом текучести 13,111 и 13,186 Нм незначительна, в то время как самонарезающий гвоздь «Тип I» размера M6 имеет момент текучести 17,87 Нм, а гвоздь типа II имеет момент текучести 13,111 и 13,186 Нм соответственно. Момент текучести саморезов «Тип I» составляет 17,87 Нм, а момент текучести саморезов «Тип II» составляет 21,039 Нм.

По результатам испытаний на твердость твердость саморезов «Тип I» была значительно ниже, чем у саморезов «Тип II», в результате чего для «Типа I» требовалось меньшее усилие зажима, чем у «Тип II», поэтому момент текучести саморезов «Тип I» был меньше, чем у саморезов «Тип II».

На рис. 2(b) показано сравнение отношения крутящего момента к моменту текучести для двух различных размеров металлических саморезов.

Для винтов размера M5 отношение нарезания резьбы к крутящему моменту составляет 0,277 для саморезов «Тип I» и 0,378 для саморезов «Тип II».

Для винтов размера M6 отношение момента нарезания резьбы к крутящему моменту составляет 0,202 для винтов «типа I» и 0,250 для винтов «типа II».

Это преимущество в производительности нарезания резьбы связано с новизной конструкции резьбы.

Рис. 2. Результаты испытаний на крутящий момент для металлических саморезов двух разных размеров.

Структура нитей «Типа I» характеризуется:

Структура резьбы треугольной листовидной формы;

Радиусные резьбы;

Нарезание резьбы создает собственную и закаленную ответную резьбу, как показано на рис. 2(с).

Результатом этого является то, что диапазон крутящего момента самонарезающего гвоздя «Типа I» значительно больше, чем у самонарезающего гвоздя «Типа II», что обеспечивает безопасный выбор крутящего момента и увеличивает коэффициент безопасности установки, избегая риск отказа из-за небольших изменений крутящего момента.

Резюмируя: момент закручивания самонарезающего гвоздя «Тип I» того же размера ниже, чем у самонарезающего гвоздя «Тип II»; соотношение крутящего момента при нарезании и подаче у самонарезающего гвоздя «Тип I» ниже, диапазон выбора крутящего момента больше, а коэффициент безопасности установки выше.

3.2 Анализ эффективности крутящего момента

На рис. 3(а) показано сравнение соотношения крутящий момент/усилие зажима двух металлических саморезов разных размеров.

Видно, что:

Для винтов размера М5 отношение крутящего момента и зажимного усилия для саморезов «Тип I» составляет 0,818 Нм/кН, т. е. крутящий момент, необходимый для увеличения зажимного усилия на 1 кН, составляет 0,818 Нм, а отношение крутящего момента и зажимного усилия усилие для саморезов «Тип II» составляет 0,549 Нм. 0,549 Нм/кН;

Для винтов М6 отношение крутящего момента к усилию зажима составляет 1,02 Нм/кН для саморезов «Тип I» и 0,816 Нм/кН для саморезов «Тип II», т.е. на каждый дополнительный 1 кН, «Тип I Саморезы потребляют на 0,204 Нм больше крутящего момента, чем саморезы типа II.

Сравнение крутящего момента, необходимого для установки трех винтов разного размера с одинаковым усилием зажима, можно увидеть на рисунке (b):

Для винтов размера M5 крутящий момент, необходимый для установки с усилием зажима 5 кН, составляет 7,698, 7,704 и 7,559 Нм для винтов «Тип I», «Тип II» и метрических винтов соответственно, с небольшими различиями между тремя, но различия не значительный. Между этими тремя есть небольшие различия, но они несущественны, поскольку метрические винты относительно невелики.

Для винтов M6 крутящий момент, необходимый для установки усилия зажима 7 кН, составляет 11,047, 10,828 и 9,422 Нм для саморезов «Тип I», «Тип II» и метрических винтов соответственно. значительно выше, чем требуется для винтов «типа II» и метрических винтов, явление, которое является прямым показателем эффективности крутящего момента резьбовой конструкции.

Меньший крутящий момент метрических винтов можно понять, потому что крутящий момент не требуется для нарезания внутренней резьбы, поэтому крутящий момент, необходимый для создания той же силы зажима, ниже.

Причина, по которой крутящий момент, необходимый для создания одинаковой зажимной силы, выше для «Типа I», чем для «Типа II», заключается в том, что площадь фрикционного контакта резьбовой части самонарезающего гвоздя «Типа I» больше, чем у у самонарезающего гвоздя «типа II», чем больше площадь фрикционного контакта, тем больший крутящий момент потребляется, а крутящий момент, используемый для создания зажимного усилия, в это время значительно ниже.

В шарнирной системе потребление крутящего момента состоит из 3 основных частей:

Часть крутящего момента используется для создания зажимной силы,

Одна часть крутящего момента расходуется на контактное трение нитей, а оставшаяся часть - на контактное трение сжимающей поверхности,

Соотношение потребления крутящего момента для трех компонентов составляет примерно 1:4:5,

Как показано в уравнении (1).

Самонарезающий гвоздь «Тип II» имеет конфигурацию резьбы 33°, что позволяет системе соединения иметь меньшую площадь трения резьбы и, следовательно, требует меньшего крутящего момента на единицу увеличения силы зажима, как показано на рисунке 3(c).

Из кривых крутящего момента и силы зажима для металлических саморезов M5 и M6 на рис. 3(c) и (d) видно, что саморезы «I-типа» более предпочтительны в монтажных системах с более низкими требованиями к силе зажима. .

Для саморезов М5 с усилием зажима менее 4,87 кН «Тип I» предпочтительнее «Типа II», а для усилия зажима выше 4,87 кН «Тип II» предпочтительнее «Типа I». Если усилие зажима выше 4,87 кН, «Тип II» потребляет меньше крутящего момента, чем «Тип I»; для саморезов M6 с усилием зажима менее 5,37 кН «Тип I» потребляет меньший крутящий момент, чем «Тип II». «Тип I» потребляет меньший крутящий момент, чем «Тип II» для саморезов с усилием зажима менее 5,37 кН, и, наоборот, «Тип II» имеет преимущество перед «Типом I».

Причина преобладания «Типа I» над «Типом II» при низких требованиях к усилию зажима заключается в том, что «Тип I» имеет низкий крутящий момент нарезания резьбы, а при небольшом требовании к усилию зажима доступен больший крутящий момент. это связано с тем, что «Тип I» имеет низкий крутящий момент.

Причина, по которой для «Типа II» требуется меньшее усилие зажима, чем для «Типа I», заключается в том, что «Тип II» имеет более высокую эффективность крутящего момента, что приводит к увеличению того же усилия зажима. Причина этого в том, что «Тип II» имеет более высокую эффективность крутящего момента, что приводит к более низкому значению крутящего момента при том же увеличенном усилии зажима.

Таким образом, эффективность крутящего момента саморезов «Тип II» того же размера выше, чем у саморезов «Тип I»; в случае низких требований к усилию зажима «Тип I» занимает больше места, чем «Тип II». При малых усилиях зажима «Тип I» имеет преимущество перед «Типом II», так как «Тип I» потребляет меньший крутящий момент при одинаковом усилии зажима; при больших усилиях зажима «Тип II» имеет преимущество перед «Типом I». «Тип II» более предпочтителен, чем «Тип I», поскольку требует больших усилий зажима.

3.3 Анализ эффективности защиты от ослабления

3.3.1 Статический анализ скорости затухания

На рис. 4 показано сравнение скорости спада силы зажима трех типов винтов разного размера, установленных с одинаковым крутящим моментом и оставленных на 30 мин.

При моменте затяжки 9 Н·м усилие зажима винтов M5 «Тип I», «Тип II» и метрических винтов составляет 5,943, 5,833 и 6,249 кН соответственно. Статическая скорость затухания силы зажима для трех винтов составила 12,911ТР3Т, 12,881ТР3Т и 7,971ТР3Т соответственно.

При установке с требуемым крутящим моментом усилия зажима для винтов M6 «Тип I», «Тип II» и метрических винтов составили 8,104, 11,215 и 12,482 кН соответственно. Статические скорости затухания силы зажима трех винтов составили 9,461ТР3Т, 8,851ТР3Т и 5,201ТР3Т соответственно.

Сравнивая скорости затухания трех шурупов, видно, что затухание двух металлических саморезов значительно больше, чем у метрических шурупов.

Это связано с тем, что формирование резьбы самонарезающей резьбы приводит к большому количеству концентраций напряжений, а медленный процесс снятия напряжения в процессе отдыха приводит к определенной степени снижения усилия зажима, при этом концентрации напряжений в основном обнаруживаются у корня и кончика нити.

Причины большего статического затухания в «Типе I», чем в «Типе II», следующие:

(1) Из-за прочности и твердости самих двух типов саморезов твердость «Типа I» ниже, чем прочность «Типа II», низкая твердость и ударная вязкость, что приведет к определенной степени ползучести. расслабление, поэтому статическое затухание силы зажима больше.

(2) Конструкция самонарезающего гвоздя 33 ° «Тип II» имеет лучшую самоблокирующуюся защиту от ослабления, в определенной степени, чтобы уменьшить статическое затухание силы зажима.

Как показано на Рисунке 2(с), конструктивные преимущества «Типа II»:

конфигурация резьбы 33°;

Структура метрической резьбы;

Круглое сечение.

Рис. 4. Сравнение скоростей ослабления силы зажима трех винтов разного размера, затянутых с одинаковым крутящим моментом и оставленных на 3,0 мин.

3.3.2 Анализ скорости затухания вибрации

На рис. 5 показано сравнение остаточного усилия зажима после 500 поперечных колебаний для трех винтов размера М6, установленных с усилием зажима 4 кН.

Остаточное прижимное усилие после испытания на вибрацию для трех типов винтов: саморезы «Тип I», саморезы «Тип II» и метрические винты составили 2,137, 2,933 и 2,00 кН соответственно, а значения затухания прижима усилие составляло 1,863, 1,067 и 1,997 кН соответственно. 1,997 кН.

Интересно отметить, что метрический винт способен уменьшить усилие зажима до установленного целевого усилия зажима (50% исходного усилия зажима) после 100 циклов вибрации.

Сравнивая спад усилия зажима металлических саморезов «Тип I» и «Тип II» с метрическими винтами, можно увидеть, что сопротивление раскручиванию двух металлических саморезов значительно лучше, чем у метрических. винты, поскольку оба самореза имеют определенные особенности ослабления в конструктивной части конструкции резьбы:

(1) «I-образная» треугольная пластинчатая структура резьбы обеспечивает определенный эффект самоблокировки при постукивании по гайке.

(2) Радиусная структура резьбы «Тип I» обеспечивает большую площадь фрикционного контакта между резьбами и улучшает эффективность ослабления.

(3) Структура резьбы самонарезающего гвоздя «Тип II» под углом 33° увеличивает эффективную площадь зацепления между витками, что позволяет материалу внутренней резьбы поглощать больше энергии вибрации и обеспечивает хороший эффект предотвращения ослабления.

Сравнивая металлические саморезы «Тип I» и «Тип II», можно увидеть, что самонарезающий гвоздь «Тип II» имеет лучшее сопротивление отвинчиванию, чем «Тип I». При одинаковых условиях вибрации остаточное усилие зажима «Тип Саморезы II» значительно выше, чем у «Типа I».

Из сравнения данных: хотя радиусная структура резьбы «Типа I» может в определенной степени увеличить площадь зацепления резьбы, эффективная площадь зацепления «Типа II» все же лучше, чем у «Типа I». . «С точки зрения фрикционного контакта» «Тип II» менее склонен к провисанию.

Кроме того, уменьшение усилия зажима связано с ползучестью и релаксацией напряжения винта. По результатам испытаний на твердость прочность материала «Типа I» ниже, чем у «Типа II», поэтому при одинаковых условиях испытаний саморезы «Типа I» подвергаются большей степени ползучести и релаксации напряжений, чем « Тип II», что, по мнению авторов, является одной из причин различия в затухании прижимной силы двух типов саморезов.

Рис. 5. Сравнение остаточного усилия зажима после 500 поперечных колебаний для трех винтов с начальным усилием зажима 4 кН

Таким образом, самонарезающий гвоздь того же размера имеет очень хорошие характеристики защиты от ослабления по сравнению с метрическими винтами;

После того же числа поперечных колебаний остаточная сила предварительного натяга саморезов «Типа II» больше, чем у саморезов «Типа I», а саморезы «Типа II» имеют лучшее сопротивление отвинчиванию.

Окончательно

В данной работе авторы анализируют и сравнивают эффективность крепления металлических саморезов с двумя различными конфигурациями резьбы, разрабатывая различные схемы испытаний, и получают следующие выводы:

(1), та же спецификация крутящего момента для самонарезающего гвоздя «Тип I», чем у самонарезающего гвоздя «Тип II» ниже, из сравнения соотношения крутящего момента для нарезания резьбы / предела текучести можно увидеть, самонарезающий гвоздь «Тип I» Установка Сравнение соотношения крутящего момента при нарезании резьбы и податливости показывает, что самонарезающие винты «Типа I» имеют более широкий диапазон вариантов крутящего момента и более высокий коэффициент безопасности при установке. Это преимущество в основном связано с треугольной формой резьбового торца I-образного гвоздя для нарезки резьбы, что в значительной степени снижает крутящий момент при нарезании резьбы.

(2) Эффективность крутящего момента саморезов «Типа II» того же размера выше, чем у саморезов «Типа I», т. е. крутящий момент, необходимый для увеличения зажимного усилия на единицу, для саморезов «Типа II» выше, чем у саморезов «Типа II». для саморезов типа I. Для саморезов типа II требуется меньший крутящий момент на единицу зажимного усилия, чем для саморезов типа I. Это преимущество в основном связано с наклоном резьбы 33 ° самонарезающего гвоздя «Тип II», что эффективно снижает трение резьбовой части и, таким образом, увеличивает использование крутящего момента.

(3) При использовании с гайками из алюминиевого сплава саморезы как «Тип I», так и «Тип II» обладают превосходными свойствами против ослабления по сравнению с метрическими винтами; та же спецификация «Тип II» Саморезы «Тип II» имеют лучшие свойства ослабления, чем саморезы «Тип I». Преимущества самонарезающих винтов в отношении ослабления в основном связаны с их соответствующей конструкцией резьбы, препятствующей ослаблению. Самонарезающий гвоздь «Тип II» имеет структуру резьбы 33° и большую эффективную площадь зацепления резьбы.