CBIES AUTOMOTIVE|Depois que o parafuso fica solto, por que falha?

CBIES CBIES AUTOMOTIVOestá empenhada em desenvolver produtos de fixação mais econômicos, seguros e leves. Seus produtos cobremparafusos, nozes, rebites, parafusos e outros fixadores.

Falhas por fadiga de parafusos são comuns em muitas indústrias aeroespacial, automotiva e de maquinário de construção. Esta é também uma das principais causas de falha mecânica. O material não deve ser estressado além de sua resistência à tração, e a fadiga do parafuso pode submetê-lo a ainda mais tensão, levando à falha.

Existem muitas razões para a falha dos parafusos. Além dos problemas de qualidade, o motivo mais comum é que a força de pré-aperto é insuficiente para causar frouxidão. Para parafusos de alta resistência do tipo fricção, a força de pré-aperto tem duas funções: uma é gerar força de compressão interna, formar força de fricção, resistir à força de cisalhamento entre as partes fixadas e evitar deslizamento; a outra é aumentar a rigidez geral da conexão do parafuso. A carga de trabalho é compartilhada entre o parafuso e a parte fixada.

Quando a carga de trabalho é aplicada à junta, as partes fixadas são puxadas axialmente na direção oposta, a carga adicional do parafuso e a carga de trabalho são chamadas de coeficiente de carga, e a carga de trabalho externa é compartilhada pelo parafuso e pelo grampo peças, de modo a evitar a falha do parafuso devido à carga excessiva.

Dividindo a carga adicional do parafuso pelo diâmetro efetivo do parafuso dá a magnitude da tensão, se a magnitude da tensão (carga extra do parafuso) não exceder o limite de resistência, em teoria, podemos dizer que o parafuso não falhará, por um número infinito de cargas cíclicas.

Projetos de parafusos que levam em consideração magnitudes de tensão reduzidas são considerados eficazes na prevenção de falhas por fadiga. Por outro lado, se a força de aperto do parafuso for insuficiente e a importância da tensão exceder o limite de resistência, o parafuso quebrará após um certo número de ciclos.

A. Subestimação da carga de trabalho

A carga de trabalho da estrutura de conexão aparafusada é subestimada e a carga de trabalho real do equipamento durante a operação excede a carga de projeto do projeto do parafuso, resultando em uma força de aperto menor que a demanda real.

Isso acontece ocasionalmente, especialmente para indústrias como máquinas especiais ou automóveis. Devido à incerteza do ambiente operacional do produto, é difícil para a carga projetada cobrir totalmente as condições reais de operação.

Além disso, a carga de trabalho aqui mencionada é uma carga de trabalho generalizada, que inclui não apenas a carga axial, mas também a tensão axial causada pela carga de flexão; não apenas carga mecânica, mas também efeitos de tração induzidos por fatores como mudanças de temperatura.

B. Pré-carga insuficiente durante a montagem

A força de pré-aperto aplicada pelo parafuso durante a montagem pode não atingir seu valor de projeto. O erro da ferramenta de aperto do parafuso e a diferença do processo de aperto fazem com que a força de pré-aperto do parafuso aplicada tenha uma certa dispersão.

Para o caso em que o método de torque é usado para controlar o pré-aperto, a dispersão do coeficiente de atrito do par de roscas e a parte inferior da cabeça do parafuso também fará com que a força real de pré-aperto do parafuso seja menor do que a força de pré-aperto de projeto.

C. Perda da força de pré-aperto do parafuso

A perda da pré-carga do parafuso é a causa mais comum de força insuficiente de fixação do parafuso. A perda da pré-carga do parafuso é inevitável. Mesmo que não haja afrouxamento rotacional entre o parafuso e a porca, haverá redução da pré-carga axial.

Existem muitos fatores que causam a perda da força de pré-aperto do parafuso, como desgaste da peça fixada, deformação plástica do parafuso após o aperto, colapso plástico da peça fixada, fluência por tração do parafuso, fluência por compressão da peça fixada peça, superfície de contato Assentamento (esmagamento plástico convexo microscópico), expansão térmica de parafusos e encolhimento térmico de peças apertadas, etc., entre os quais o assentamento e a deformação térmica da superfície de contato são particularmente proeminentes.

O assentamento (incorporação) das superfícies de contato é uma deformação plástica localizada que ocorre sob a face do parafuso, face da junta e roscas como resultado do achatamento plástico da rugosidade da superfície.

De certa forma, isso acontece quando duas superfícies entram em contato e são carregadas. A maior parte da perda de incrustação ocorre quando as partes da junta são comprimidas pela primeira vez.

Sob a ação da força de pré-aperto e da carga externa, as saliências microscópicas locais colapsam e se deformam, tornando as superfícies de contato mais firmes e o comprimento de fixação é ligeiramente reduzido.

O ciclo de fratura do parafuso pode ser previsto pela curva SN

As conexões aparafusadas são avaliadas por testes de fadiga de carga axial para entender o grau de carga cíclica necessária para falhar na junta,

ISO3800:1993 especifica que os ciclos de teste de fadiga 104~107 são repetidos em uma magnitude de tensão especificada até que ocorra falha por fadiga.

Isso é então repetido para muitas magnitudes de tensão diferentes para obter uma curva SN.

O diagrama SN é um gráfico para testar a fratura do parafuso, que descreve a relação entre a faixa de tensão e o número de ciclos e prevê a vida à fadiga do parafuso. Deve-se notar que o eixo vertical no diagrama SN representa a faixa de tensão axial, não a tensão axial. Além disso, a fadiga está relacionada com a tensão do parafuso e um número de ciclos, mas não com a tensão total do parafuso. A imagem à direita mostra o diagrama SN de uma rosca de aço.

RBHT significa o processo de laminação do fio antes do tratamento térmico; RAHT significa o processo de laminação do fio após o tratamento térmico.

Pode ser visto na figura que o ponto de inflexão onde a curva se transforma suavemente em uma linha reta é a faixa de tensão limite, ou seja, nenhum dano por fadiga ocorrerá dentro desta faixa de tensão limite; quando o ciclo de carga exceder 1 × 106 vezes, o limite de tensão não diminuirá mais.

A curva na figura é usar "B10" para calcular a vida útil (B10 é uma taxa de falha de 10 por cento), e o limite de durabilidade da rosca RBHT (grau 10,9) é 90MPa.

Portanto, ao projetar conexões parafusadas, mantenha a faixa de tensão axial dos parafusos abaixo de 90MPa em aplicações estruturais.

Para melhorar o coeficiente de fadiga, os engenheiros de motores geralmente usam 45MPa como limite de estresse cíclico de alta frequência, de modo que o fator de segurança de fadiga (ou seja, coeficiente de fadiga) seja maior ou igual a 2.0.

Para a análise da causa da fratura por fadiga do parafuso, é necessário não apenas detectar e analisar a fratura, material, defeito, etc., mas também realizar análises mecânicas na conexão do parafuso, para detectar a carga externa, força de aperto do parafuso e desempenho do parafuso, e para analisar o estado de trabalho do parafuso.

Resumo da Experiência CBIES:

Afrouxamento de parafusos e falha de competição por fadiga é uma direção de pesquisa relativamente nova. Ele não se concentra apenas no afrouxamento unilateral ou fadiga de parafusos, mas considera o possível afrouxamento e fadiga ao mesmo tempo e estuda os dois sob cargas diferentes. O que acontece primeiro? Qual desempenhou um papel importante na falha do parafuso?

Durante o processo de serviço dos parafusos, eles são submetidos a cargas de cisalhamento transversal e cargas axiais de tração e compressão ao mesmo tempo. Os resultados do teste obtidos por uma única forma de carga não podem ser usados ​​para previsão de falha de parafuso em ambientes complexos. Portanto, os mecanismos de falha concorrentes de frouxidão e fadiga do parafuso A pesquisa tem maior praticidade e pode ser usada como uma nova direção de pesquisa de parafusos no futuro.