Wpływ luzu na właściwości ścinające sprężystych kołków zwijanych

Często między elementami wykonuje się pogłębienie lub wpust w celu poprowadzenia kołka z jednego otworu do drugiego. Chociaż intencja jest zrozumiała, powstała w ten sposób szczelina jest często niedopuszczalna. Sprężyste kołki zwijane firmy SPIROL są zaprojektowane z dużymi fazami, które mają ułatwić wyrównanie podczas montażu – dlatego pogłębienia i wpusty nie są konieczne (rysunek 1). Dodatkowo zmniejszona wytrzymałość kołka przyczynia się również do zmęczenia materiału, co może prowadzić do przedwczesnego uszkodzenia. Chociaż przyczyny uszkodzeń mogą być łatwe do zidentyfikowania, ważne jest ilościowe określenie skutków przedwczesnego uszkodzenia, aby zrozumieć ich wpływ.

Sprężysty kołek zwijany SPIROL klasy lekkiej został przetestowany przy stopniowym zwiększaniu luzu w płaszczyźnie ścinania, aby lepiej zrozumieć skalę zmian w wydajności. Wybrano kołki lekkie, ponieważ można je łatwo montować i demontować. Kołek standardowy CLDP .250 x 2.500 LBK, czyli sprężysty kołek zwijany do lekkich obciążeń, wykonany ze stali wysokowęglowej, pokryty „suchą w dotyku” powłoką olejową zapobiegającą korozji. Kołek ten ma wystarczającą długość, aby umożliwić przeprowadzanie testów przy różnych luzach.

Sprężyste kołki zwijane są zaprojektowane tak, aby można je było montować bez dodatkowego prowadzenia za pomocą pogłębień stożkowych lub otworów pogłębionych. Gładka, koncentryczna fazka w połączeniu z prostopadłymi, równo ściętymi końcami zapewnia bezproblemowy montaż.

Rysunek 3A Powierzchnia pęknięcia sprężystego kołka zwijanego poddanego ścinaniu wykazuje uszkodzenie w jednej płaszczyźnie

Rysunek 3B Sprężysty kołek zwijany poddany zginaniu wykazuje krzywiznę na warstwie zewnętrznej oraz wielopłaszczyznową powierzchnię pęknięcia

Wizualnie istnieje znacząca różnica między kołkami ulegającymi uszkodzeniu w wyniku zginania a tymi ulegającymi uszkodzeniu w wyniku ścinania. Jak pokazano na rysunku 3A, kołki ulegające uszkodzeniu w wyniku ścinania wykazują pęknięcie w jednej płaszczyźnie. Chociaż zwoje ulegają odkształceniu, wydają się płaskie, a ich zewnętrzna część zapada się w jednym kierunku. Rysunek 3B przedstawia kołek badany przy szczelinie o szerokości 0,120” (3,05 mm). Na tym zdjęciu wyraźnie widać, że doszło do zginania, co wynika z krzywizny prowadzącej do powierzchni pęknięcia.

Ponadto powierzchnia pęknięcia nie przebiega wzdłuż jednej płaszczyzny, lecz wykazuje różne cechy uszkodzenia w każdej z cewek. Konieczne jest przeanalizowanie zarówno powierzchni pęknięć uszkodzonych kołków, jak i samych elementów nośnych, w których kołki zostały zamontowane. Nierzadko zdarza się, że elementy nośne posiadają cechy nieokreślone na rysunku technicznym, które powodują powstanie luzu. Pierwotną przyczynę można dokładnie ustalić jedynie po przeanalizowaniu wszystkich elementów w danym zastosowaniu.

Przetestowano po trzydzieści próbek dla każdego warunku, a podsumowanie wyników przedstawiono w tabeli 1. Dane są zgodne z teorią, zgodnie z którą luz zmniejsza maksymalną siłę przy załamaniu. Ciekawą obserwacją była zmiana siły występującej w przedziale od 0,072” (1,83 mm) do 0,120” (3,05 mm). Siła wymagana do złamania kołka spadła o 18% lub około 800 funtów (3,6 kN) przy zwiększeniu luzu z 0,005” (0,13 mm) do 0,072” (1,83 mm), a dalsze zwiększenie luzu do 0,120” (3,05 mm) spowodowało dodatkowe zmniejszenie tej siły o około 150 funtów (0,7 kN), co łącznie daje zmianę o 22%.

Równanie naprężenia zginającego ma postać¹:

gdzie F_f to obciążenie w momencie pęknięcia, R to promień kołka, a L to odległość między podporami. W miarę symetrycznego zwiększania luzu w celu zwiększenia odległości między punktami podparcia, L zmienia się na L+2g, gdzie g oznacza dodaną odległość luzu po jednej stronie. Wykorzystując znane wartości, rysunek 4 pokazuje wpływ g na siłę. Przejście od ścinania do zginania następuje gwałtownie, gdy luz przekracza zalecaną maksymalną wartość 0,005" (0,13 mm). Proporcjonalnie do tego dane wskazują, że największa zmiana wytrzymałości występuje przy minimalnym odchyleniu od idealnych warunków ścinania. Wraz ze wzrostem luzu między zmontowanymi elementami wytrzymałość nadal ulega pogorszeniu, ale skala tej zmiany nie jest już tak znaczna. W tym przypadku, dla połączenia CLDP .250 x 2.500 LBK, zaobserwowano 18-procentowy spadek siły przy zwiększeniu luzu z .005” (0,13 mm) do .072” (1,83 mm).

Ogólnie, powszechnym błędnym przekonaniem jest, że pogłębienia lub wpusty ułatwiają wprowadzanie kołka i mają minimalny wpływ na wytrzymałość połączenia sworzniowego. Toczona fazka na sprężystym kołku zwijanym kieruje go do następnego otworu, nawet jeśli między otworami występuje pewne przesunięcie, co eliminuje potrzebę stosowania pogłębienia lub wpustu. Dane wskazują na znaczny spadek wytrzymałości kołka w przypadku pojawienia się niewielkiej szczeliny między płaszczyznami ścinania. Na podstawie wytrzymałości na zginanie oraz zasad zginania trzy- lub czteropunktowego jasno wynika, że zwiększenie luzu ma negatywny wpływ na obciążenie niezbędne do pęknięcia elementów. Podczas projektowania nowych lub ponownej oceny istniejących zastosowań ważne jest, aby zminimalizować przestrzeń między elementami w celu optymalizacji właściwości ścinających kołka i maksymalizacji żywotności złożenia.

¹Callister, William D., „Stress-Strain Behavior” w: Materials science and Engineering: An Introduction, wyd. 7. Nowy Jork: Wiley, 2007, s. 447–448