Print

Sättning - lång


Kort version

1 Definition

Efter avslutad åtdragning kommer klämkraften i ett skruvförband alltid att sjunka. Man brukar skilja på två olika begrepp för klämkraftförlust: 1. Statisk sättning som sker under och strax efter montering och innan yttre last har drabbat förbandet. 2. Dynamisk sättning som uppkommer då yttre last drabbar förbandet. Se Figur 1. En samlingsbenämning är sättning. Relaxation är mekanismen och sättning den resulterande förlusten i klämkraft.

Mekanismerna är:
1. Relaxation genom plastisk deformation av kontaktpunkter under och strax efter åtdragning. När förbandet utsätts för yttre last förändras spänningsfördelningen och förnyad plastisk deformation av kontaktpunkter uppkommer. Även förnyad elastisk deformation uppkommer här om spänningsförhållandena i förbandet förändras. Om förbandets olika delar rör sig i förhållande till varandra blir det mycket ny plastisk deformation av kontaktpunkter och förbandet tappar mycket i klämkraft.
2. Kryp som innebär att materialet omfördelas på grund av det pålagda trycket. Detta sker genom en diffusionsbaserad förändring av materialets kristallkorn och/eller genom korngränsglidning.

I modern fordonsteknik eftersträvar man underhållsfria skruvförband som efter åtdragning ska fungera under hela den tänkta livslängden. Förbanden måste därför utformas så att relaxation och sättning minimeras och eventuell krypning undviks. Då relaxation och sättning aldrig kan undvikas helt måste beräkningar av kraftbehovet även innefatta en marginal för relaxation och sättning . Om förbandet är högt påkänt eller kritiskt bör det även provas m a p funktion och klämkraftsförluster.

Statisk sättning är den första, snabba anpassningen till klämkraften som de klämda ytorna genomgår. Statisk sättning uppkommer alltså genom skruvens klämkraft och inte genom yttre belastning.

Dynamisk sättning uppkommer däremot genom inverkan av yttre belastning när förbandet tas i bruk. Typiskt för dynamisk sättning är att den avtar med tiden och förlusten i klämkraft kommer att begränsas.

Krypning uppkommer genom inre deformationer i skruv eller komponenter under tidens inverkan och kan påskyndas av t ex förhöjd temperatur. Typiskt för krypning är att den inte avtar och därigenom orsakar en fortgående minskning av klämkraften.

 

Figur 1. Definitioner på sättning.


2 Sättningar i förbandet

Sättningar kan uppstå på olika ställen i förbandet :

  • I kontaktytorna
  • I gängorna
  • I brickor, låsbleck och dylikt
  • I de hopfogade delarna
  • I mjuka material

 

Figur 2. Exempel på sättningar i förband:
a. i kontaktyta,   b. i gängorna,  c. i packning,    d. i färgskikt.

Sättning i kontaktytorna

Vid sammanpressning av två ytor har dessa till en början endast kontakt i ett fåtal punkter, beroende på ytojämnheter. Kontakttrycket i dessa punkter blir därigenom så stort att plastisk deformation inträder lokalt i kontaktpunkterna varvid den reella kontaktarean ökar till dess att den är stor nog att bära lasten, dvs kläm-kraften i skruven. När sedan en yttre last anbringas i förbandet ökar belastningen och ytorna deformeras ytterligare. Grova ytor, form- och geometriska fel som planhet, vinkelräthet, kantanligg, klippskägg och dylikt orsakar större okontrollerade sättningar. Mjukare material t ex lättmetaller ger större sättningar än hårda material t ex stål. Den totala sättningen i kontaktytorna beror även av antalet kontaktytor samt hur krafterna verkar från den yttre lasten

Sättning i gängorna

Gängorna kan betraktas som en kontaktyta. Sättningen beror därför av ytojämnheter, material och klämkraft. Även spån och partiklar i gängan förorsakar sättning. På grund av snedbelastning på de olika gängvarven föreligger det dessutom alltid risk för att gängornas skjuvhållfasthetsgräns överskrids så att plastisk deformation erhålls.

Sättning i brickor, låsbleck och dylikt

Planbrickor, låsbleck i tunnplåt och dylikt medför ökat antal kontaktytor och då de oftast är tillverkade i mjuk plåt riskerar de att deformeras.

Tandbrickor, fjäderbrickor och andra liknande låsartiklar medför också flera kontaktytor samt komprimering och nedätning i godset.

Sättning i de hopfogade delarna

Sättning kan även inträffa i de hopfogade delarna. Det beror på hur eftergivet materialet i delarna är samt delarnas utformning dvs styvhet. I karossförband där flera plåtar monteras ihop kan ibland stora sättningar uppstå. På grund av formtoleranser uppstår gärna spalter mellan plåtarna. Att komprimera spalterna kräver en hel del klämkraft vid monteringen. Då plåtarna ofta är relativt mjuka genomgår de lätt ytterligare plastisk deformation under drift vilket leder till att en del av klämkraften som användes till att komprimera spalterna går förlorad.

För högt hålplanstryck under skruvskalle och eventuell mutter ger också sättning, se kapitel Hålplantryck.

Sättning i mjuka material

Mjuka material t ex packningar, plastmaterial och färgskikt ger oftast stora sättningsförluster och risk för krypning. Stor försiktighet anbefalles vid konstruktion med polymera material samt lackerade artiklar där bibehållen klämkraft är kritisk.

Vad gäller packningar, se kapitel Tätande förband och gällande lackerade artiklar, se avsnitt Sättning i färgskikt nedan.

Beräkningar

Närmare information återfinns i ref.nr 1-5 i avsnitt 5 Referenser.

3 Sättning i färgskikt

Det finns idag flera typer av färger med olika egenskaper. Våtfärger har fortfarande en viss användning dock ej i skruvförband. Elektrodopp- samt pulverfärg är nya färgtyper som har visat sig användbara även i påkända men inte kritiska förband.

Varning!
I kritiska skruvförband kan färgskikt överhuvudtaget inte accepteras pga stor sättning eller krypning. Exempel är förband i förbränningsmotorer och växellådor.

Våtfärg, dvs färg som är flytande när den appliceras, har efter härdning begränsade mekaniska egenskaper. Det innebär att den inte får finnas på anliggningsytor i skruvförband. Anliggningsytor måste därför maskeras vilket ger extra kostnader och ofta problem med korrosionsskydd. Våtfärg kräver dock, till skillnad från pulverfärg, inte samma uppvärmning för att härda ut färgskiktet och kan därför användas på det yttre av stora och tunga komponenter som annars skulle ge orimliga energikostnader. Våtfärg användes även på det yttre av komponenter som innehåller värmekänsliga detaljer.

Elektrodoppfärg (ED) är en typ av våtfärg (grundfärg) som appliceras genom doppning av hela artikeln i ett färgbad under det att artikeln är ansluten till en elektrisk spänning. Genom den efterföljande härdningen vid ca 180°C uppnås god mekanisk stabilitet och därmed begränsad sättning som gör att ED kan accepteras i vissa skruvförband. Förfarandet ger ett tunt och väldefinierat skikt på 20-30 µm och dessutom god inträngning. Det har visat sig möjligt att tillåta ED i gängor om bara gängtoleranserna kompenseras för lacktjockleken. Färgen ger dock begränsat korrosionsskydd och bör inte användas i svårare miljöer.

Pulverfärg är en färg som i pulverform appliceras med pulverspruta under det att artikeln är ansluten till en elektrisk spänning. Genom den efterföljande härdningen vid ca 180°C kan för en del pulvertyper uppnås mycket god mekanisk stabilitet och begränsad sättning som gör att de väl kan accepteras i vissa skruvförband.

Det beror på bildandet av inre bindningar, för vissa pulverfärger så starka att färgskiktet t o m tål höga hålplantryck. En begränsning är att pulverfärg mjuknar vid högre temperatur och det finns för närvarande inga pulverfärger som kan användas i skruvförband som utsätts för temperaturer över 70°C och som dessutom har krav på miljögodkännande. Detta motsvaras av kravet på lägst 75°C glastransitionstemperatur (Tg) som beskriver vid vilken temperatur färgen börjar mjukna. Temperaturtåligheten kan skilja kraftigt mellan olika pulverfärger.

Krav på själva pulvertypen är bl a:

  • Termiskt härdande
  • Hög förtätningsgrad
  • Hög glastransitionstemperatur
  • Duktil ej av spröd typ

För acceptabelt slutresultat sätts dessutom krav på förbehandlingen för att uppnå bl a vidhäftning och beständighet. Om färgskiktet börjar släppa från ytan eller förbandet börjar glida nöts skiktet snabbt ner och förspänningen minskar motsvarande hela skiktets tjocklek (ref. 6). Pulverfärg ger ett mycket gott korrosionskydd.

Pulverfärgens sättning, eller egentligen krypning, är både tid-, last- och temperatur-beroende. Efter åtdragning av förbandet sker först en momentan relaxation av färgskiktet. Därefter består sättningen både av en elastisk och en plastisk del och kan beroende på vald pulverfärg motsvara ca 10 % av totala skikttjockleken.

För att begränsa sättningens storlek bör därför skikttjockleken begränsas. Det som nämnts tidigare har berört sättningen vid statisk belastning. Dynamisk belastning ska ge ett försumbart tillskott till sättningen om färgen är rätt uthärdad.

Nedanstående figur visar hur klämkraften i ett pulvermålat förband principiellt minskar med tiden för olika temperaturer. För valet av pulverfärgtyp gäller dels att för temperaturer upp till Tg ska förlusten i klämkraft vara ytterst begränsad dels att vid en högre temperatur som förbandet tillfälligt kan tillåtas bli utsatt för måste det fortfarande finnas en viss återstående klämkraft för att förbandet inte ska lossna. Temperaturer därutöver kan inte accepteras pga för stora klämkraftförluster.

 

Figur 3. Klämkraft som funktion av tid och temperatur
            i förband med pulverfärg.

4 Tumregler och åtgärder

Allmänna åtgärder

  • Minimera sättningen enligt nedanstående tumregler.
  • Den i särklass vanligaste åtgärden är att välja en klämlängd som kompenserar för den beräknade återstående sättningen.
  • Föreskriv segdragande åtdragning eller tvåstegsdragning.
  • I svåra fall föreskriv efterdragning alt. kontrolldragning i serviceinstruktioner.
  • Högt påkända förband bör alltid verifieras i prov varvid provningen bör vara så verklighetstrogen som möjligt.

Sättning i komponenter

  • Åtgärda grova formfel, planhet, klippskägg mm.
  • Ju finare ytjämnhet desto mindre sättning.
  • Minimera antalet kontaktytor.
  • Utforma de hopfogade delarna att omfatta klämlängden, undvik lösa distanser.
  • Hårdare material ger mindre sättning.
  • Verifiera ingående delars styvhet.
  • Kontrollräkna hålplanstrycket.
  • Undvik flerplåtförband.
  • Verifiera materialvalet för gängade delar.
  • Föreskriv krav på renhet i gängade delar.
  • Undvik brickor, låsbleck och deformerande låsartiklar.
  • Måste hålplantrycket minskas använd helst flänsskruv, undvik bricka.
  • Om bricka införas t ex för att minska hålplantrycket måste den ha lämplig hårdhet och tjocklek.
  • Undvik mjuka packningar välj andra alternativ.

Sättning i elektrodopp (ED)- och pulverfärg

  • Allmänt gäller att dessa färger ej bör användas i kritiska skruvförband!
  • Dock har elektrodopp- och viss pulverfärg visat sig kunna användas även i högt påkända förband på t ex hytter och chassin med olika fästen på lastbilar.
  • Ingen pulverfärg på anliggningsytan om temperaturen överstiger glastransitions-temperaturen, Tg. Dock kan eventuellt en högre temperatur tillfälligt accepteras om den återstående klämkraften anses tillräcklig för förbandet.
  • Sättningen beror på vald ED- eller pulverfärg och kan som ett exempel motsvara ca 10 % av färgskiktet tjocklek.
  • Sätt därför krav på max tillåten skikttjocklek per kontaktyta.
  • Elektrodoppfärg kan användas i gängor men bör alltid testas först.
  • Försök styra färgskiktets friktionskoefficient (yt- och bulkfriktion) mot specifika krav om sådana finns, alternativt att efterlikna den rena metallytan, d v s friktionstal mellan 0.10 och 0.15.
  • Diskutera med ansvarig inköpare att använda ytbehandlare som är bedömda att ha god kompetens i målning. Om förbandet bedöms vara högt belastat ska ytbehandlaren använda sig av färg som är bedömd eller utprovad av beställaren alternativt av leverantören av artikeln. I det senare fallet efter beställarens godkännande. I dagsläget finns inga allmänna standarder på detta område.

Sättning i plastmaterial

  • För enbart hopfogning finns bl a gängformande skruvar och de ska då dras med begränsat moment.
  • Använd ansatsskruvar vilket dock kräver toleranssatt plasttjocklek.
  • Använd metalliska insatser för själva skruvförbandet vid mer påkända förband eller om förbandet ofta ska lossas för serviceåtgärder.

5 Referenser

  1. VDI 2230 Part1 Systematic calculation of high duty bolted joints, 2003, distribuerad av SIS förlag AB på licens av DIN
  2. Kubler, K.H. und Mages, W. : Handbuch der hochfesten Schrauben. 1. Auflage, Giradet Buchverlag 1986
  3. Handbok om Skruvförband, Colly Company regnr MSK TU 9501135A ISBN 91-630-3882-X
  4. Teknisk information 5 , Beräkning av skruvförband, Bulten
  5. "Ordning ur kaos" Bultens Teknikhandbok, 1999
  6. Daniel Ståhlberg : Thermoset Polymers and Coatings Subjected to High Compressive Loads, Doktorsavhandling KTH, 2006, ISBN 91-7178-425-X

Uppdaterad 2020-05-12

Website administered by Jan Skogsmo, RISE IVF AB, Box 104, 431 22 Mölndal.
Tel. 010-228 46 98. E-mail jan.skogsmo@ri.se