Provningsmetoder - lång
Kort
version
1 Inledning
Detta kapitel ger:
- Generella kommentarer om typ av prov och val av provningsnivå.
- Några exempel på vanliga provmetoder för att mäta klämkraft.
Provning av skruvförband kan generellt delas in i:
- Monteringsprovning – för att ta fram monteringsparametrar och kontrollera
monteringsegenskaper. Nyckelegenskaper är klämkraft och
processtabilitet.
- Funktionsprovning – för att säkerställa funktionen hos monterade
förband.
Nyckelegenskap är tillförlitlighet mot haveri.
Provningarna kan utföras på olika nivåer:
- Provning på enskild komponent.
- Montering/provning av modellförband.
- Montering/riggprovning av sammanfogade komponenter.
- Montering i fabrik/provning av hela applikationen (Fältprov).
Exempel på ovanstående återfinns i Tabell 1.
Även simulering kan användas, både för framtagning av monteringsparametrar
och för funktionsegenskaper. Med allt bättre simuleringsverktyg och bättre data
på friktions- och sättningsegenskaper kommer simulering att i allt högre grad
ersätta traditionell provning. Simulering behandlas dock inte vidare i detta
kapitel.
|
Monteringsprov Klämkraft och
processstabilitet
|
Funktionsprov Tillförlitlighet mot
haveri
|
Nivå 1 Enskilda komponenter
|
- |
Drag- eller tryckprov samt hårdhetsmätningar utförs för
att kontrollera komponenters hållfasthet. |
Nivå 2 Modellfärband
|
Klämkraftgivare eller speciella skruvriggar används för att
mäta klämkraft som funktion av monteringsmoment. |
Riggprov på modellförband urförs i provriggar med dynamisk
belastning.
|
Nivå 3 Sammanfogade
komponenter
|
Produktionslik monteringsutrustning. Momentet registreras och
klämkraften uppskattas t ex med ultraljud eller mha mekanisk mätning av
skruvförlängning. |
Större skakriggar och testriggar används (t ex växellåds- och
motorriggar). Utvärdering sker ofta mha mätningar av
restmoment.
|
Nivå 4 Komplett
applikation
|
Montering sker i fabrik och utvärderas map åtkomlighet,
äntring, ergonomi, moment- och utrustningsbehov, plats på monteringslinan mm.
För sträckgränsdragna förband studeras ofta moment/ vinkelkurvor. |
Hela fordon eller motorer provas för att se att förbanden
håller. skruvpositionen märks ut med färgpenna för att se om de rör sig.
Utvärdering sker ofta mha mätningar av
restmoment.
|
Tabell 1. Exempel på
provmetoder. 2 Val av provnivå
Val av provnivå är inte enkelt då det alltid innebär en kompromiss. Den
antagna fördelen med att prova på en hög nivå är ju att få svar på om förbandet
verkligen fungerar som det är tänkt i den givna applikationen. Emellertid är
provning på en högre nivå ofta betydligt dyrare och mer tidskrävande – vilket
innebär att färre förband kan provas och osäkerheten om funktionen kan kvarstå.
Vid provning av enkla modellförband kan ofta många prover utföras till en rimlig
kostnad, men det blir svårare att vara säker på att provresultaten direkt kan
användas på hela applikationen. Vid provning av modellförband kan det ibland
löna sig att sprida ut provparametrarna något och därigenom få en bättre bild av
trender om något, t.ex. klämkraften eller belastningen, ändras mer än vad som
normalt förväntas.
Kontrollera gärna om ett liknande förband som det du tänkt prova redan
används och om slutsatser kan dras därifrån vad gäller monteringsmoment och
provlaster. Det kan även vara bra att ta med något känt förband som referens i
provningen för att kunna avgöra om en ändring medför en märkbar
förbättring/försämring.
Provningen på respektive nivå kan göras mer eller mindre utförlig. Antalet
varianter blir till slut närmast oändligt många och kan inte alla beskrivas här.
Några exempel på monteringsprovning och funktionsprovning ges dock i styckena
nedan.
Exempel på monteringsprovning
Nivå 1 – Monteringsprov på enskilda
komponenter Denna nivå faller i princip bort då
monteringsegenskaperna för ett förband inte beror av en enskild komponent (t.ex.
enbart skruven, enbart packningen eller enbart godsgängan) utan alltid är en
systemegenskap.
Nivå 2 – Monteringsprov på
modellförband Provningen utförs vanligtvis på laboratorium och
provbitarna anpassas till befintlig testutrustning.
Ett typexempel är när man vill verifiera monteringsfriktionen för en viss
ytbehandling på skruvarna i förband vars komponenter kan ha olika ytor, t.ex.
mot lackerat underlag, mot aluminium eller stål. Provningen utförs i en speciell
testrigg (det finns kommersiellt tillgängliga provriggar för detta ändamål).
Enkla provbitar används som underlag under skruvskallen och skruven monteras i
antingen mutter (med önskad ytbehandling) eller i en godsgänga bearbetad på
önskat sätt i önskat material. Då provbitarna kan tillverkas relativt enkelt
(t.ex. långa linjaler med hål) så kan många skruvar provas till en rimlig
kostnad och spridningen i monteringsfriktion mellan olika material- och
ytbehandlingskombinationer kan undersökas, se Figur 1 och Figur 2.
Figur 1. Provmaterial för
monteringsprovning av modellförband. Åtdragning på skruv. Vänster: M14
standardprov mot obehandlad stål och i obehandlad (stål)mutter. Mitten: M8
provad mot ED-lackerad stålremsa i ED-lackerad svetsmutter. Höger: M12 provad
mot aluminiumunderlag och i aluminiumgodsgänga.
Figur 2. Kraft-momentkurvor
från monteringsprov. Vanligtvis är det momentet som avläses vid en given
kraftnivå (Enligt ISO 16047 avläses momentet, om inget annat anges, vid 75% av
skruvens proof load enl. ISO 898-1).
Moment och klämkraft mäts kontinuerligt och kraftutbytet/friktionen kan
därmed följas under hela åtdragningen. Ofta kan dessa utrustningar även
särskilja på gäng- och underlagsmoment vilket ytterligare bidrar till kunskapen
om monteringsegenskaperna.
För mer om friktionsberäkningar, se kapitlet om Monteringsfriktion.
Inverkan av t.ex. monteringshastighet och upprepad montering kan också enkelt
undersökas. Det är snarare regel än undantag att kraftutbytet i ett förband
varierar med monteringshastigheten och även varierar med upprepad
montering. Ett annat exempel är där man designar modellförbandet för åtkomst
av skruvens båda sidor för att på så sätt mekaniskt kunna mäta skruvförlängning,
se Figur 3. Man kan beräkna klämkraften under förutsättning att styvheten
för skruvstammen är känd, genom mätning eller beräkning, se kapitel
Fjäderkonstanter. Åtdragningen görs med någon utrustning där momentet
registreras eller som ger ett känt moment.
Figur
3. Uppskattning av klämkraft mha mekanisk mätning av
skruvförlängning.
Noggrannheten i klämkraft/friktion med denna metod blir inte lika hög som i
en speciell testrigg pga osäkerheten i skruvstyvhet, men man kan utvärdera
inverkan av olika parametrar med relativt enkel utrustning.
Den här provmetoden kan också utnyttjas för att kvalitativt studera
sättningsegenskaper i olika packningskoncept då den mekaniska längdmätningen kan
utföras med stor noggrannhet om körnslagna skruvar används, se Figur 3.
Det bör dock nämnas att packningar ofta ingår i flerskruvförband där
monteringsordning, yttre belastningar och temperaturväxlingar kan orsaka en
situation med läckage trots att sättningen i packningen är låg (och packningen i
övrigt är fri från defekter). Nivå 3- Monteringsprov
på hela komponenter Det här är ett vanligt sätt att utvärdera
kraftutbytet i ett särskilt förband. Provningen utförs oftast på laboratorium
för att inte störa i produktion. Monteringen sker på riktiga komponenter men med
så produktionslik utrustning/monteringsstrategi som möjligt. Om det är möjligt
att prova direkt i produktion är givetvis detta en fördel. Den enklaste
formen av monteringsprovning på komponentnivå är att dra ett antal förband till
brott m.h.a. en elektrisk skruvdragare som registrerar moment-vinkelkurvor. Om
förbandet skall momentmonteras brukar, lite beroende på kurvornas utseende, ett
lämpligt monteringsmoment ligga på ca 65 - 70% av det genomsnittliga
brottmomentet, se Figur 4. Notera att man inte mäter själva klämkraften (den
beror ju av monteringsfriktionen, se kapitel Monteringsfriktion) men den här
typen av provning kan ändå ge en hel del information om man vet lite mer om
förbandet, se Figur 10.
Figur 4. Montering till brott
för att ansätta lämpligt monteringsmoment.
Observera att många företag använder s.k. standardmoment för sina
monteringsmoment, dvs. varje skruvdimension monteras med ett visst bestämt
moment. Om möjligt bör då monteringsmomentet väljas som ett standardmoment.
(T.ex. använder Volvo Lastvagnar 24 Nm resp. 48 Nm för M8 resp. M10 skruv i
klass 8.8 medan Volvo Personvagnar använder 25 Nm resp. 50 Nm för samma
dimensioner). Standardmoment kan bara användas om man känner till förbandens
monteringsfriktion – de är alltså ej generellt tillämpbara på andra fästelement
med andra ytbehandlingar. Om man faktiskt vill veta klämkrafterna är oftast
det enklaste sättet att montera in en klämkraftgivare direkt i förbandet, se
Figur 5. Ofta behövs då en längre skruv än normalt, men om skruven har samma
ytbehandling som den riktiga skruven kan man ändå utföra
friktions/kraftutbytesmätningen med tillfredställande noggrannhet. Åtdragningen
görs med någon utrustning där momentet registreras, eller som ger ett känt
moment.
Figur 5. Klämkraftgivare
monterad direkt i förbandet. Åtdragning sker normalt på skruvskallen och i det
här fallet användes en digital momentnyckel.
Notera att en extra lång skruv används för att få plats med klämkraftgivaren.
Skruven har ”normal ytbehandling” och i och med att åtdragning sker på skallen
fås också rörelsen i de normala kontaktytorna och kraftutbytet blir det samma
som för en kortare skruv. Åtdragningsvinkeln ökar dock med längre skruv p.g.a.
lägre styvhet i förbandet.
Allmänt gäller att utrustning som kontinuerligt mäter moment som funktion av
åtdragningsvinkel är mycket användbar för att studera
monteringsegenskaperna.
Moment-vinkelkurvor ger mycket information om förbandets allmänna
monteringsegenskaper. Stora spridningar i maxmoment (brottmoment) tyder på stora
spridningar i monteringsfriktion. Stora spridningar i det moment som behövs för
att ”ta bort luft ur förbandet” kan tyda på geometrifel, som t.ex. att
komponenterna inte är plana, se Figur 6.
För flerskruvförband kan monteringsordningen vara betydelsefull och man
måste kanske överväga en montering i flera steg för att få jämna
klämkrafter.
Figur 6. Moment+vinkelkurvor för ett ”besvärligt”
respektive ”snällt” förband.
Om förbandet skall monteras till sträckgräns (Se även kapitlet
Monteringsmetoder) så används moment-vinkelkurvorna som utgångspunkt för val av
förmoment + slutvinkel, se Figur 7. Ytterligare några prov där även
skruvförlängning kontrolleras brukar även behövas, se Figur 8.
Arbetsgång:
- Dra några skruvar till brott.
- Ansätt ett förmoment och en vinkel, se Figur 7.
- Mät ursprungslängd på ett antal skruvar och montera med
förmomentet +
några vinklar nära den ansatta vinkeln.
- Mät permanent skruvförlängning för några olika åtdragningsvinklar, se Figur
8.
- Välj lämplig kombination av moment och vinkel.
- Verifiera valda parametrar i produktion.
Figur 7. Moment+vinkelkurvor
för ansats av sträckgränsmontering mha ett förmoment plus en vinkel. Även
lämpliga övervakningsvärden för slutmomentet kan ansättas från
moment-vinkelkurvorna.
Figur 8. Permanent
skruvförlängning uppmätt på skruvar dragna med ett bestämt förmoment + några
olika vinklar. OBS! den permanenta förlängningen mäts på lossade
skruvar.
Normalt så försöker man få en permanent skruvförlängning som motsvarar ca 0,2
% av klämlängden (se även kapitlet Monteringsmetoder). Vanligtvis rör sig detta
om ca 0,1-0,3 mm permanent skruvförlängning.
OBS 1! Mätningar för att fram moment+vinkelparametrar
för sträckgränsdragna förband måste utföras på riktiga komponenter för att ha
rätt förbandsstyvhet. Enklare modellförband och provriggar har oftast inte rätt
styvhet.
OBS 2! För att underlätta vinkeldragningen vid service
bör vinklarna väljas så att de enkelt kan utföras även med enklare handverktyg.
Detta innebär att vinklarna 45°, 60°, 90°, 120° och 180° bör prioriteras. Det
här innebär också att förmomentet kan behöva justeras för att en lämplig vinkel
skall kunna användas. Notera att olika företag kan ha lite olika strategier för
val av förmoment och slutvinklar – kontrollera vad som gäller på ditt
företag!
Sträckgränsmontering kan även användas för att uppskatta
kraftutbyte/monteringsfriktion i ett förband där det inte är möjligt att mäta
klämkraft på andra sätt. Om man känner till skruvens sträckgräns och
gängfriktion kan man utgå från en monteringskurva förbi sträckgräns och sedan
beräkna klämkraften vid sträckgränsen, se Figur 9 och Figur 10.
Figur 9. Reduktion av axiell
kraft vid montering jämfört med dragprov.
Klämkraften vid sträckgräns kan uppskattas m.h.a. nedanstående ekvation:
Det vi behöver veta är sträckgräns och gängfriktion. Ju
bättre vi känner dessa värden desto bättre blir uppskattningen.
Exempel för en M14 skruv av klass 8.8. Se även Figur 10.
Fu = 92 kN (nominellt värde för 8.8) → Nominell sträckgräns, Fy = 0,80 x
92 kN = 73,6 kN P = 2 mm dAs = 12,1 mm d2 = 12,7 mm µth ≈ 0,15
→ Formeln ovan ger en nominell klämkraft vid sträckgräns på ≈ 61,5 kN Med
sträckgränsmomentet 190Nm fås ett nominellt kraftutbyte på 0,32 kN/Nm
Här bör nämnas att skruvar normalt har en genomsnittlig hållfasthet som
ligger 10-15 % över det nominella kravet. Detta för att ha en viss marginal
för variationer i dimension, material och värmebehandling som resulterar i en
spridning i hållfasthet. I praktiken innebär det att den extra vridspänningen
p.g.a. gängfriktionen delvis kompenseras med överstark skruv. För en
gängfriktion runt 0,10-0,15 får vi alltså ungefär samma klämkraft i skruven vid
sträckgräns som sträckgränsen vid ett rent dragprov på en skruv med nominell
styrka. I ovanstående exempel får vi en klämkraft på ca 73 kN.
Det här kan vara bra att veta för överslagsberäkningar men observera att man
alltid dimensionerar mot nominell hållfasthet.
Figur 10. Kraftutbyte för en
M14-skruv (8.8) uppskattat ur en moment-vinkelkurva.
Om man vill mäta klämkraften, men inte kan få in en klämkraftgivare och inte
har åtkomst till båda ändar av skruven för mekanisk mätning, kan man använda sig
av ultraljud. Denna metod kräver endast åtkomst av en sida av skruven och
baseras på att skruvlängden uppskattas genom att mäta tiden det tar för
ultraljudspulsen att röra sig fram och tillbaka genom skruven, se Figur 11.
Ultraljudsmetoden kan vara mycket användbar och det finns flera tekniker att
tillgå. Gemensamt för samtliga är att det krävs skruvar med planparallella ytor
på skalle och skruvspets. Metoden beskrivs utförligare i kapitlen "Introduktion
till ultraljud", ”Ultraljud i laboratoriet” och ”Ultraljud i produktionen”.
Figur 11. Princip för
ultraljudsmätning. Längden på skruven uppskattas mha av den tid det tar för
ultraljudspulsen att gå fram och tillbaka.
För att kunna översätta skruvens töjning till klämkraft måste men känna till
skruvstammens styvhet. Denna kan antingen beräknas (se kapitel Fjäderkonstanter)
eller mätas i en dragprovrigg. I det senare fallet monteras skruven så att den
får samma klämlängd som i det riktiga förbandet. Godsgängan bör av styvhetsskäl
också vara i samma material som i det riktiga förbandet. Därefter drar man i
skruven och noterar förlängningen mätt med ultraljud som funktion av pålagd
kraft. Fördelen med kraftkalibreringsmetoden är att den eliminerar relativa fel
i ultraljudsmätningen, dvs. om den uppmätta förlängningen inte är rätt i
absoluta värden.
Nivå 4 – Monteringsprov i
fabrik Monteringsprov i fabrik görs i huvudsak för att
säkerställa själva processen, mindre ofta för att mäta klämkrafter. Saker som
utvärderas är bl.a. lämplig monteringsstation, val av
monteringsutrustning/kapabilitet, åtkomst, passform, äntringsegenskaper,
monteringsordning i flerskruvförband, att inga delar skadas, ergonomi, etc. Vid
momentmontering kontrolleras momentspridning och om några gängor eller skruvar
skadas.
Vid sträckgränsmontering (oftast mha moment-vinkeldragning) utvärderas
skruvförlängning och slutmoment. Övervakningsvärden för moment- och vinklar
behöver fastställas för att ge en balans mellan förbandskvalitet och
monteringsstabilitet, dvs att processen skall fånga upp felaktigt monterade
förband men inte drabbas av för många avbrott pga att toleransgränsen under-
eller överskrids även för bra monterade förband.
Även andra parametrar som kan påverka monteringen utvärderas som t ex
förekomst av spånor från tidigare bearbetning, smuts eller rester av
skärvätskor/olja som påverkar friktionen mm. Också metoder för senare kontroller
(sk audit) behöver fastställas. Då det oftast rör sig om någon form av
momentkontroll behöver lämpliga restmomentvärden bestämmas, se kapitel
Momentkontrollmetoder.
Om klämkraften behöver kontrolleras används oftast ultraljudsmetoder då dessa
bara kräver ensidig åtkomst av skruven. Ultraljudsmetoderna behöver vanligtvis
planbearbetad skruv, vilken betyder att skruven måste bytas ut mot en normal
skruv efter prov. Det finns dock skruv som är specialanpassad för
ultraljudsmätning redan från tillverkaren och dessa kan då sitta kvar i
förbandet.
3 Exempel på funktionsprovning
Nivå 1 – Funktionsprov på enskilda
komponenter Ex.1. Dragprovning av skruv för att kontrollera att
den uppfyller hållfasthetskraven. Ex.2. Utdragsprov med olika gängingrepp för
att säkerställa hållfasthet i godsgänga. Ex.3. Hårdhetsprovning på underlag
för att uppskatta om det klarar hålplantrycket. Ex.4. Magnet för att avgöra
om rostfri/värmetålig skruv verkligen används i applikationen då dessa skruvar
har helaustenitisk struktur - vilken är icke magnetisk.
Nivå 2 – Funktionsprovning på
modellförband Enkla modellförband har både fördelar och
nackdelar. Till de största fördelarna är att de kan anpassas till befintlig
provutrustning (olika typer av dragprovnings- och utmattningsriggar) och att
lastnivåer kan kontrolleras med hög noggrannhet. Detta innebär att flera prover
kan utföras till rimlig kostnad och att mindre skillnader också kan upplösas.
Framförallt vid jämförande provning kan modellförband vara mycket
kostnadseffektiva och det kan också vara ett sätt att få ingångsdata till
simuleringar av mer komplicerade förband. Till nackdelarna hör att
belastningarna i det verkliga förbandet kan vara svåra att efterlikna i enkla
riggförsök, detta gäller särskilt flerskruvförband och termiskt belastade
förband. I det senare fallet finns det ofta en dynamik i
uppvärmnings/avkylningsförloppet som är svår att efterlikna vid enklare
provning.
En relativt välkänd, men även omdiskuterad, provmetod för att mäta
uppglappningskänslighet är det sk Junkers-testet, se Figur 12.
Figur 12. Principen för ett Junkers-test för
mätning av uppglappningskänslighet.
Många leverantörer av olika låsanordningar brukar hänvisa till Junkers-test
för att bevisa förträffligheten med just deras produkt. Kritikerna menar att
beroende på inställning av förskjutning, frekvenser, val av skruvlängd (styvhet)
och underlag kan man bevisa nästan vad som helst. Det bör dock poängteras att
det är i skjuvbelastade förband som uppglappningsrisken är som störst.
Junkers-testet är utformat just för detta lastfall och andra, någorlunda
standardiserade provmetoder, saknas.
Nivå 3 – Funktionsprovning på komponentnivå i
provriggar Nu handlar det om bl.a. större skakriggar och
motorprov. Fördelarna med prov på den här skalan är att man kan komma mycket
nära den verkliga applikationen i belastning. Man kan även prova särskilt svåra
belastningsfall och därigenom snabba upp provningen jämfört med fältprov.
Lasterna är välkontrollerade och det är lätt att ändra belastningsnivå.
Provningen sker ofta inomhus vilket medför mindre känslighet för väder mm, se
Figur 13.
Figur
13. Funktionsprovning av länkarm och dess skruvförband.
Sättningsstudier (t ex med ultraljudsmätning av skruvarna) kan med fördel
utföras på den här nivån, se exempel i Tabell 2 och Figur 14.
Tabell 2. Exempel på
sättningsstudie (fingerade värden).
Figur 14. Sättningsstudie
i diagramform. Notera att skruv 3 måste kompenseras för den plastiska
deformation som uppstått vid åtdragning då den plastiska förlängningen inte
bidrar till klämkraften.
Nackdelarna med denna typ av prov är att det är dyrare än modellförband och
att det krävs att lämpliga riggar är tillgängliga. Komplexiteten hos provningen
ökar och det finns fler saker som kan störa provningen, t ex att någon annan
komponent går sönder eller att någon del av riggen krånglar.
Nivå 4 – Funktionsprov/verifieringsprov på hela applikationen
(Fältprov) Provning på den här nivån är det som ger svar på om det
verkligen fungerar. Till nackdelarna hör att dessa prov oftast är mycket tids-
och kostnadskrävande. Detta leder normalt till att endast få prov utförs och
därigenom blir underlaget för ev. statistiska beräkningar ofta uselt.
Fler parametrar påverkar även förbandet och något annat som går
sönder/behöver bytas/justeras kan påverka förbandet/förbanden och göra provet
svårtolkat.
Typiskt märks skruvpositionerna ut med färgpenna för att se om förbanden rört
på sig. Proven avslutas normalt med en restmomentmätning. Svaren på denna typ av
prov är normalt av typen ja eller nej, dvs. man vet om det fungerar eller ej,
men oftast inte med vilken marginal.
För mer information om hur man utför restmomentkontroller hänvisas till
kapitlet Momentkontrollmetoder.
Uppdaterad 2020-01-02
|