Print

Låsning och säkring - lång


Kort version

1 Inledning

Då skruvförband utgör en demonterbar förbindning kan förbandet separera också mellan servicetillfällen. Detta som en funktion av sättning och/eller uppglappning. För dynamiskt höghållfasta förband kan båda mekanismerna ge skruvutmattning.

För en konstruktör är förbandets tillförlitlighet mot haveri av avgörande betydelse. Denna åstadkommes i första hand med en bra konstruktion men kan ibland kräva en extra åtgärd. Denna åtgärd kallas låselement och kan indelas i två undergrupper:
1) Friktionsgivande element och 2) Låsmedel.

Viktigt att komma ihåg är att ett rätt konstruerat förband ej behöver låselement. För dynamiskt höghållfasta förband kan separation ske på två sätt:

  1. Fästelementen vibrerar isär.
  2. Efter en sättning orsakad av t ex ett för mjukt underlag utmattas skruven, går av och skruvförbandet separerar.

Låselement kan således försena en separation på undermåligt konstruerat dynamiskt höghållfast förband, men sällan förhindra det helt. I många fall kan dock en försening vara tillräckligt då t ex länkarmar eller dylikt i ett chassi ger kraftiga vibrationer och mycket oljud efter uppglappning men innan utmattning har etablerats.

Funktionen hos olika låselement varierar mycket starkt. Vissa låsbrickor t ex. borde snarare kallas lossbrickor. Det är därför mycket viktigt att inte ha en överdriven tro på dem utan noga utvärdera funktionen. För utvärdering av funktionen för några låselement med se Kap. Vibrationsprovning.

För statiskt höghållfasta förband kan ett låselement fylla en vettig funktion då dessa ej utsätts för konstant yttre belastning. Här brukar det emellertid räcka med ett friktionsgivande element.

Förband med friktionsgivande element eller låsmedel monteras med samma moment som förband utan dessa medel eftersom smörjning tillser att monteringsfriktionen är i stort densamma.

2 Friktionsgivande element

Till gruppen Friktionsgivande element räknas plastiskt deformation av muttrars översta gängvarv såsom föreligger i så kallad klämd mutter, ofta också refererad till som "låsmutter". Det upptäcktes tidigt att jack i skruvgängorna medförde motstånd vid sammansättningen. Klämda gängor i skruvar och muttrar har använts sedan 1940-talet. Efter endast ett par gångers användning öppnar sig klämda gängor och förändrar sin ursprungliga form, varvid även låsningsförmågan går förlorad. Skruven eller muttern kan låsas genom att den deformeras efter montering genom t ex körnslagning. Låsning kan också får genom att en svets läggs på.

Ett annat element på muttern som ger låsning är så kallad Nylock ring, en nylonring instukad i mutterns överkant och som har en innerdiameter något mindre än skruvgängans ytterdiameter.

För båda dessa typer av låsmuttrar erhålls ett extra nedgängningsmotstånd om ca 5 % av monteringsmomentet och detta förhindrar att uppglappat förband inte separerar snabbt på grund av att muttern vibrerar av skruven. Om förbandet är dynamiskt höghållfast kan emellertid en uppglappning på sikt resultera i skruvutmattning men om förbandet är statiskt höghållfast förblir gängingreppet intakt och förbandet kan trots en viss uppglappning (tapp av klämkraft) behålla sin statiska hållfasthet.

3 Icke-metalliska låselement

De första icke-metalliska låselementen bestod av kulor och remsor som infogades i skruvgängorna. Detta ger utmärkt vibrationsmotstånd men är komplicerat att montera. Muttrar med nylonhylsa är en populär låsmetod. Hylsan hålls kvar vid toppskiktet genom att formas eller smidas över den yttersta kanten av muttern. Detta ger ett jämnt vridmoment och vibrationsmotstånd samtidigt som det reducerar verktygsskakningar vid monteringen. Nackdelar är att det är en kostsam flerdelad konstruktion och mutterns ökade höjd och massa gör att användningsområdena är begränsade. Av tillverkningsmässiga skäl är muttern i allmänhet tillverkad i mjukt stål varför höghållfasta förband inte kan tillverkas.


                          
Figur 1. Låsmutter med nylonhylsa.

Skruvar eller muttrar vars låselement är permanent sammansmält i skruvgängorna kan ses som en efterföljare till infogade plastdelar eller nylonhylsa. På detta sätt kan samma fördelar som infogade plastdelar uppnås, men till en betydligt lägre kostnad. Beroende på hur mycket vridmoment som behövs och om det är behov av tätningsfunktion kan beläggningen täcka hela eller delar av omkretsen. Beläggningen fungerar som en kil genom att tvinga gängorna mot gängorna på motstående sida. Genom att nylonbeläggningen strävar efter att återta sin ursprungliga form ökar friktionsmotståndet ytterligare för att förhindra att komponenterna lossnar. Återanvändningsmöjligheterna är mycket goda och komponenter kan justeras efter montering.

 

Figur 2. Skruv och mutter med plastbeläggning på gängan.

Beläggningen kan anpassas efter olika behov. Som standard täcker den 180 ºC. Muttrar tillverkade med 360 ºC beläggning och fungerar som muttrar med nylonhylsa men utan de negativa kostnadsaspekterna och med möjlighet att tillverka även i höghållfast material. Icke-metalliska låselement har en övre användningstemperatur (för Tuflok 121 ºC och för Nytemp 232 ºC). Produktnamn: Eslok, Tuflok, Nytemp,,,.

4 Metalliska låssäkringssystem

En grupp av låselement roterar fritt vid installationen och håller sedan fast förbandet i dess åtdragna position. Typiska exempel är elastisk kronmutter, konformade eller kupade brickor, tandade flänsar, olika gängformsmodifikationer som pressar samman gängflankerna samt olika tvåkomponentdetaljer som motroterar och låser fast delarna. Denna typ klarar inte att stå emot vibrationslossning och om förspänningen försvinner kan de falla isär. 

Låsmutter
Helmetalliska låsmuttrar är ofta av typ klämd mutter. De översta gängvarven är deformerade. Detta kommer att klämma om gängorna och ge en extra låsning. Låsfunktionen försvinner efter några användningar.

Det finns också helmetalliska låsmuttrar med speciellt utformad gängprofil som låser först vid åtdragning och fördelar förspänningen utmed hela muttergängan. Muttern är därmed frispinnande till den kommer i kontakt med underlaget.

 

Figur 3. Helmetallisk låsmutter (Bumax Lock) i ingrepp.

Kronmutter
Elastisk kronmutter klämmer runt skruven med den stukade delen. Den kan låsas med en saxpinne som monteras genom spåren och genom ett borrat hål i skruven. Saxpinne genom spåren i kronmuttern ger en betydligt bättre låsning än om saxpinnen skulle monteras utanför en vanlig mutter utan spår.

 

Figur 4. Kronmutter.

Saxpinne
Saxpinnar av olika typ kan användas för låsning av skruvar med förborrade hål eller hål som borras efter monteringen.

 

Figur 5.  Saxpinne. 

Tandad fläns
Tandningen är avsedd att greppa och ge högre friktion mot underlaget. Tandning kan användas både på skruv och på mutter.

 

Figur 6.   Skruv med tandad fläns.

5 Brickor
Brickor i olika utförande förekommer men är i de flesta fall avsedda som stöd eller skydd mot underlaget bl a då fläns saknas på skruv eller då skruvskallens monteringsfriktion sprider mycket mot underlaget. Normalt försöker man konstruera utan lösa brickor då dessa kan tappas bort eller glömmas bort.

I många fall ger så kallade låsbrickor ett sämre uppglappningsmotstånd då de tillför ytterligare två ytor som kan sätta sig, se Kap. Vibrationsprovning. Undantaget är Nord-Lock brickan beskriven nedan.

Fjäderbrickor
Fjäderbrickor kan ha flera olika utseende, från konformade och kupade till kurvade eller vågformiga. De kan också vara uppklippta.

  
 
Figur 7.  Uppklippta fjäderbrickor.

Kurvade eller böjda fjäderbrickor används främst i skruvförband med lägre behov av låskraft. De kan också användas för att eliminera axiellt glapp. Det finns flera typer av böjning anpassade för olika skruvskallar och tillämpningar. Typ A nedan rekommenderas för runda skruvskallar och Typ B för sexkantiga.

 
 
Figur 8.  Kurvade fjäderbrickor.

Vågade eller skevade fjäderbrickor har en begränsad fjädringsförmåga och används i första hand för att eliminera axiellt spel, exempelvis mot ett kullager.

Spännbrickor
Spännbrickor är konformade och kan beroende på dimensionering användas även i högt belastade skruvförband. Den höga fjäderkraften ger ett effektivt stöd mot relaxation när förbandet utsätts för höga påkänningar och rörelser genom t ex termisk expansion eller kontraktion. Spännbrickan ersätter då konventionella låsbrickor. Spännbrickan kan likt tallriksfjädern staplas parallellt för ökad fjäderkraft och i serie för ökad fjäderväg. Idealisk sammanpressning ligger nära helt platt läge.


 
Figur 9.  Spännbricka.

Tandad låsbricka
Tandade låsbrickor finns av olika typer, invändigt eller utvändigt tandade samt försänkta.

 
 
Figur 10.  Tandade låsbrickor.

6  Nord-Locks säkerhetsbrickor

Nord-Locks säkerhetsbrickor utnyttjar killåsning istället för att utnyttja friktionen för att säkra skruvförbandet. Systemet består av två brickor med snedställda kammar på ena sidan där kamvinkeln α är större än vinkeln på gängstigningen β samt radiella tänder på motstående sida enligt Figur 11. Brickorna levereras parvis förmonterade kamsida mot kamsida.


     
Figur 11.  Nord-Lock systemet. Förmonterade och isärtagna brickor till vänster och skiss på monterat förband till höger.

Då förbandet dras åt, griper Nord-Lock brickorna in i motstående ytor och tillåter därefter endast rörelse längs kamsidorna. Lossning av förbandet blockeras effektivt av den killåsning som uppstår. Vid lossdragning är det en tydlig ökning av klämkraften. Systemet ger en effektiv säkring av skruvförband som är utsatta för dynamiska belastningar och det visar endast en begränsad förlust av förspänning på grund av normala sättningar mellan kontaktytorna (Nord-Locks jämförande vibrationstest). Nord-Lock säkrar även mot lackade ytor förutsatt att brickorna griper tag i det lackerade underlaget. Standard ytbehandling är Zink flake av typ DeltaProtekt vilket ger ett mycket bra korrosionsskydd och goda mekaniska egenskaper.

7 Låsmedel

Blandningar av lim som låselement är idag utformade som tvåkomponentsystem som hålls åtskilda genom att den ena eller båda komponenterna är inneslutna i små kapslar av mikrometerstorlek i en bärande massa, s.k. mikrokapslad låsvätska. När fästelementen monteras krossas kapslarna och härdningsprocessen börjar. När limmet är applicerat i mutterns gängor är det skyddat från slag och sitter på rätt plats.
Limmade muttrar har låga påskruvningsmoment beroende på att limblandningen är mycket mjuk. Limmet är ca 60 % härdat efter en timma och fullt uthärdat inom 24 timmar. Muttrarnas lossbrytningsmoment kan vara lika starka som brottgränsen för mjukt stål och kan justeras för att möta användarnas behov. Vid grövre dimensioner (>M16) kan komponenterna bli mycket svåra att ta isär. Eftersom limmet stelnar snabbt måste eventuella justeringar ske inom fem minuter från att fästelementet installerats.

Olika limsammansättning kan användas beroende på krav och extrema miljöförhållanden som t ex hög temperatur eller hög luftfuktighet. Vid lagring ska de limmade fästelementen skyddas mot värme och fukt då det kan medföra för tidig stelning av limmet.


      
Figur 12.  Skruvar med olika typer av mikrokapslad låsvätska.

Långa gängmonteringar är inte att rekommendera då limmet är mjukt och fyller gängornas inre utrymmen. För normala konstruktioner bör inte fler än 1 – 2 gängor vara synliga utanför muttern. Vid 4 utstickande gängor kan sammanfogningens styrka minska med upp till 90 %. Detta beror på att skruven skruvar av limmet vid monteringen och det lim som hamnar utanför muttern bidrar inte till förbandets styrka. Insmorda ytor och ytbehandlingar på fästelementen reducerar förbandets styrka. Väldigt blanka ytbehandlingar, t ex elektrolytiska beläggningar, är svåra att låsa med lim då den blanka ytan inte ger bra vidhäftning. Andra ytor, som t ex fosfaterade ytor, kan ge mycket bra vidhäftning och fördubbla låskraften. Blanka ytor ska därför fosfateras. 

Även flytande lim som appliceras löpande används men av praktiska skäl vid hantering och applicering och med beaktande av hälso- och miljöaspekter har förbelagda låselement kommit att dominera marknaden.

8 Mutter med integrerat låselement i fjäderstål

En typ av låsmutter består av en mutterkopp i stål med ett eller flera integrerade låselement i rostfritt fjäderstål. Fjädern ger upphov till en kraft P som i sin tur medför att mutterns och axelns gängor pressas mot varandra varvid ett friktionsmoment uppstår som låser förbandet, se figur nedan (i detta exempel ett lager). Med dubbla fjäderringar säkerställs att en jämn kontaktkraft fås runt hela kontaktytan.

 
 
Figur 13.  Principskiss på mutter med integrerat låselement (Fuji Twin FU-nut).

Denna typ av låsmutter är fullständigt justerbar och återanvändningsbar och kräver inget speciellt av detaljernas konstruktion eller vid montering.
Produktnamn: Fuji Seimitsu Co., Fine U-Nut and Twin FU-Nut.

En annan typ består av muttern plus en gänginsats av en polygonalformad tråd, se figur 14. Gänginsatsen ger en fjädrande friktionslåsning av skruvförbandet. Lasten fördelas jämnt över gängan och funktionen påverkas inte av upprepad användning. Monteringsfriktionen kan bli hög och variera för muttrar med gänginsatser. 
Produktnamn: Helicoil, Spiralock.

Figur 14. Låsmutter med fjädrande gänginsats, Helicoil. 

9 Permanent låsning

Den i praktiken vanligaste permanenta låsningen är rost. Alla som har försökt att demontera ett avgassystem vet hur effektivt det kan vara. Om rostangreppet fortsätter kommer skruvförbandet dock så småningom att försvagas. Rost är också missprydande och kan ge omfattande missfärgningar av omgivningen. Det är sällan önskvärt med rostangripna skruvförband.

Som praktiska metoder används ibland körnslagning eller annan deformation av skruv eller mutter efter montering. En svetsloppa mellan skruv och mutter gör samma tjänst. Dessa passar inte för serieproduktion.

Vid montering med hög monteringshastighet och långa gänglängder kan skruvens och mutterns gängor svetsas fast mot varandra genom friktionsvärmen som alstras. Detta är inte acceptabelt om förbandet ska vara demonterbart.

10 Referenser

  1. Ordning ur kaos, Bultens Teknikhandbok, 1999, Bulten AB
  2. Handbok Låselement, NFC, 1998, Nylok Scandinavia AB
  3. Produktblad: Fuji Seimitsu Co; Nord-Lock; Nylok; Helicoil; 

Uppdaterad 2020-01-02

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