Ruoripotkurilaitteiden voimaliitosten mitoitus

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-06-08
Department
Major/Subject
Teknillinen mekaniikka
Mcode
K3006
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
107 + 12
Series
Abstract
Ruuviliitos on tyypillinen tapa toteuttaa kuormituksia siirtävä liitos ruoripotkurilaitteissa. Ruuviliitosten mitoitus on monia ilmiöitä huomioon ottava prosessi, jonka lopputuloksena saadaan määritettyä esimerkiksi liitoksessa tarvittavien ruuvien määrä ja tarvittava esijännitysaste. Mitoitusprosessi on kriittinen turvallisuuden ja kustannusten kannalta. Tämän diplomityön tavoite onkin määrittää mitoituksessa käytettävien parametrien arvoja. Työ on rajattu käsittelemään ruuviliitosten elinkaaren alkuvaihetta. Pitkän ajan kuluessa tapahtuvat ilmiöt, kuten väsyminen, on rajattu työn ulkopuolelle. Monet ruuviliitosten mitoituksessa käytettävät parametrit ovat luonteeltaan sellaisia, että jos niiden arvo arvioidaan väärin, jokin ruuviliitoksen varmuuksista kärsii aina, huolimatta virhearvion suunnasta. Tämä tekee mitoituksesta haastavaa. Tässä työssä mitoitusprosessi jaettiin kolmeen vaiheeseen: kuormanjakautumislaskenta, kitkalaskenta ja esikiristyslaskenta. Kutakin näistä vaiheesta tutkittiin kokeellisesti. Kuormanjakautumislaskentaa tutkittiin epäkeskovetokokeella, kitkalaskentaa lepokitkakokeella ja esikiristyslaskentaa vääntökiristyskokeella. Kokeilla tutkittiin ruuviliitoksen vasteen laskentamenetelmiä, kappaleiden välisiä lepokitkakertoimia sekä kitkakertoimia ruuvin kierteessä ja kannan alla. Epäkeskovetokokeen perusteella epäkeskisesti kuormitetun ruuviliitoksen vastetta voi analysoida elementtimenetelmällä, mutta esimerkiksi ruuvin lisäaksiaalivoimassa voi tarkallakin mallilla laskettaessa olla noin 10 % virhe. Analyyttisen laskennan tarkkuus epäideaalisilla kappaleilla riittää lähinnä epälineaarisen vasteen rajavoimien suuruusluokan arviointiin. Ruuvien kitkakertoimien hajonta on yleisesti melko suurta. Jos ruuveista tai niillä kokoonpantavasta rakenteesta on tarkempaa tietoa, voidaan hajonnan joissakin tapauksissa olettaa pienemmäksi. Lepokitkakokeen tulosten perusteella teräs-teräs-materiaaliparin lepokitkakertoimelle voidaan käyttää arvoa 0,20 ja teräs-valurauta-parille 0,18. Myös koehypoteesien perusteella valuraudalla kitkakerroin on pienempi kuin teräksellä. Yleisesti monet ruuviliitosten mitoituksessa käytettävät parametrit ovat luonteeltaan sellaisia, niiden arvon virheellinen arviointi tai arvojen hajonta johtaa joidenkin liitoksen varmuuksien paranemiseen ja joidenkin varmuuksien huononemiseen. Tämän takia liitos pitäisikin mitoittaa kaksi kertaa käyttäen parametrien arvioituja ääriarvoja. Kokeiden perusteella hajonta voidaan joissakin tapauksissa olettaa yleistä tapausta pienemmäksi. Tällöin kuitenkin tarvitaan melko tarkkaakin lisätietoa, mikä johtaa tarpeeseen sisällyttää lisää parametreja laskentaprosessiin.

A bolted joint is a typical way to execute a load-carrying joint in a podded propulsion unit. Dimensioning process of such joints takes into account many different phenomena and as outcome for example number of bolts needed and their preload level is acquired. The Dimensioning process is important for safety and costs. The aim of this master’s thesis is to determine values for parameters used throughout the dimensioning process. The scope of this thesis is limited to the beginning of life cycle of a bolted joint. Therefore phenomena occurring at longer time intervals, such as fatigue, are not included in this thesis. Many of the parameters used in the dimensioning of bolted joints are such that if one estimates their value incorrectly, some of the many safety values associated with bolted joints always suffers, no matter if the value is overestimated or underestimated. This makes dimensioning challenging. In this thesis, the dimensioning process was divided into three phases: load distribution calculation, friction calculation and pretension calculation. Each of these phases was studied by experiments. Load distribution calculation was studied using eccentric loading test, friction calculation was studied with static friction test and pretension calculation was studied with torque tightening test. The experiments focused on calculation methods of response of a bolted joint, static coefficients of friction between components and coefficients of friction in the thread of a bolt and under the bolt head. Based on the eccentric loading test the response of an eccentrically loaded bolted joint can be analysed by using finite element method. However, even when using relatively detailed model, the additional axial bolt load may contain an error of up to 10 %. When the geometry of the components is non-ideal the analytical calculations are only good for approximating threshold values for the nonlinear response. Generally, a relatively wide scatter was present in the measured thread and bolt head coefficients of friction. If there is additional information available about the bolts or the structure, the scatter could be assumed to be smaller in some cases. Based on the measurements the static coefficient of friction between connected parts was 0,20 for a steel-steel material pair and 0,18 for a steel-cast iron pair. Also, based on the hypothesis, the coefficient of friction of a cast iron is lower than that of steel. Generally speaking, miscalculation or scatter of many of the parameters used for dimensioning a bolted joint have positive effect on some safety values and negative effect on some other safety values. That is why the joint should be dimensioned twice using the estimated extreme values. Based on the experiments in some cases the scatter may be assumed to be smaller than in a general case, but this requires more information and therefore more input parameters to the overall dimensioning process of the bolted joint.
Description
Supervisor
Tuhkuri, Jukka
Thesis advisor
Kock, Juho
Keywords
ruuviliitos, kitkakerroin, kuormansiirtokerroin, epälineaarinen vaste
Other note
Citation