CBIES AUTOMOTIVE|Después de aflojar el perno, ¿por qué falla?
CBIES CBIES AUTOMOTRIZse compromete a desarrollar más productos de fijación que ahorren energía, sean más seguros y más ligeros. Sus productos cubrenpernos, nueces, remaches, tornillos y otros sujetadores.
Las fallas por fatiga de los pernos son comunes en muchas industrias aeroespacial, automotriz y de maquinaria de construcción. Esta es también una de las principales causas de fallas mecánicas. El material no debe estresarse más allá de su máxima resistencia a la tracción, y la fatiga del perno puede someterlo a una tensión aún mayor, lo que puede provocar su falla.
Hay muchas razones para la falla de los pernos. Además de los problemas de calidad, la razón más común es que la fuerza de preapriete es insuficiente para causar aflojamiento. Para los pernos de alta resistencia de tipo fricción, la fuerza de preapriete tiene dos funciones: una es generar una fuerza de compresión interna, formar una fuerza de fricción, resistir la fuerza de corte entre las partes sujetas y evitar el deslizamiento; el otro es para mejorar la rigidez general de la conexión del perno. La carga de trabajo se comparte entre el perno y la parte sujeta.
Cuando la carga de trabajo se aplica a la junta, las partes sujetas se tiran axialmente en la dirección opuesta, la carga adicional del perno y la carga de trabajo se denominan coeficiente de carga, y la carga de trabajo externa es compartida por el perno y el sujetado. partes, a fin de evitar la falla del perno debido a una carga excesiva.
Dividiendo la carga adicional del perno por el diámetro efectivo del perno se obtiene la magnitud del esfuerzo, si la magnitud del esfuerzo (carga adicional del perno) no excede el límite de resistencia, en teoría, podemos decir que el perno no fallará, para un número infinito de cargas cíclicas.
Los diseños de pernos que tienen en cuenta magnitudes de tensión reducidas se consideran efectivos para prevenir fallas por fatiga. Por el contrario, si la fuerza de sujeción del perno es insuficiente y la importancia de la tensión supera el límite de resistencia, el perno se romperá después de un cierto número de ciclos.
La precarga insuficiente es común, principalmente en las siguientes situaciones:
A. Subestimación de la carga de trabajo
La carga de trabajo de la estructura de conexión atornillada se subestima, y la carga de trabajo real del equipo durante la operación excede la carga de diseño del diseño del perno, lo que da como resultado una fuerza de apriete menor que la demanda real.
Esto sucede ocasionalmente, especialmente para industrias como maquinaria especial o automóviles. Debido a la incertidumbre del entorno operativo del producto, es difícil que la carga de diseño cubra completamente las condiciones operativas reales.
Además, la carga de trabajo mencionada aquí es una carga de trabajo generalizada, que incluye no solo la carga axial sino también la tensión axial causada por la carga de flexión; no solo la carga mecánica, sino también los efectos de tracción inducidos por factores como los cambios de temperatura.
B. Precarga insuficiente durante el montaje
La fuerza de preapriete aplicada por el perno durante el montaje puede no alcanzar su valor de diseño. El error de la herramienta de apriete del perno y la diferencia del proceso de apriete hacen que la fuerza de preapriete del perno aplicada tenga una cierta dispersión.
En el caso de que se utilice el método de torsión para controlar el apriete previo, la dispersión del coeficiente de fricción del par de roscas y la parte inferior de la cabeza del perno también hará que la fuerza de apriete previo real del perno sea menor que la fuerza de preapriete de diseño.
C. Pérdida de la fuerza de preapriete del perno
La pérdida de precarga del perno es la causa más común de una fuerza de sujeción insuficiente. La pérdida de precarga del perno es inevitable. Incluso si no hay aflojamiento rotacional entre el perno y la tuerca, habrá una reducción en la precarga axial.
Hay muchos factores que provocan la pérdida de la fuerza de preapriete del perno, como el desgaste de la parte sujetada, la deformación plástica del perno después del apriete, el colapso plástico de la parte sujetada, la fluencia por tracción del perno, la fluencia por compresión de la parte sujetada. asiento, asentamiento de la superficie de contacto (aplastamiento plástico convexo microscópico), dilatación térmica de pernos y contracción térmica de piezas sujetas, etc., entre los que destacan el asentamiento y la deformación térmica de la superficie de contacto.
El asentamiento (incrustación) de las superficies de contacto es una deformación plástica localizada que ocurre debajo de la cara del perno, la cara de la junta y las roscas como resultado del aplanamiento plástico de la rugosidad de la superficie.
En cierto modo, esto sucede cuando dos superficies entran en contacto y se cargan. La mayor parte de la pérdida de empotramiento ocurre cuando las partes de la junta se comprimen por primera vez.
Bajo la acción de la fuerza de preapriete y la carga externa, las protuberancias microscópicas locales colapsan y se deforman, lo que hace que las superficies de contacto sean más apretadas y la longitud de sujeción se reduce ligeramente.
El ciclo de fractura del perno se puede predecir mediante la curva SN
Las conexiones atornilladas se evalúan mediante pruebas de fatiga de carga axial para comprender el grado de carga cíclica requerida para que falle la unión.
ISO3800:1993 especifica que los ciclos de prueba de fatiga 104~107 se repiten a una magnitud de tensión específica hasta que ocurre la falla por fatiga.
Esto luego se repite para muchas magnitudes de tensión diferentes para obtener una curva SN.
RBHT significa el proceso de laminación del hilo antes del tratamiento térmico; RAHT significa el proceso de laminación de hilos después del tratamiento térmico.
En la figura se puede ver que el punto de inflexión en el que la curva se convierte suavemente en una línea recta es el rango de tensión límite, es decir, no se producirán daños por fatiga dentro de este rango de tensión límite; cuando el ciclo de carga excede 1×106 veces, el límite de tensión ya no disminuirá.
La curva en la figura es para usar "B10" para calcular la vida (B10 es una tasa de falla del 10 por ciento), y la tensión límite de durabilidad del hilo RBHT (grado 10.9) es 90MPa.
Por lo tanto, cuando diseñe conexiones con pernos, mantenga el rango de tensión axial de los pernos por debajo de 90 MPa en aplicaciones estructurales.
Para mejorar el coeficiente de fatiga, los ingenieros de motores suelen utilizar 45 MPa como límite de la tensión cíclica de alta frecuencia, de modo que el factor de seguridad de fatiga (es decir, el coeficiente de fatiga) sea mayor o igual a 2.0.
Para el análisis de la causa de la fractura por fatiga del perno, es necesario no solo detectar y analizar la fractura, el material, el defecto, etc., sino también realizar un análisis mecánico en la conexión del perno, para detectar la carga externa, fuerza de sujeción del perno y rendimiento del perno, y para analizar el estado de trabajo del perno.
Resumen de la experiencia CBIES:
El aflojamiento de pernos y la falla en la competencia por fatiga es una dirección de investigación relativamente nueva. No solo se enfoca en el aflojamiento unilateral o la fatiga de los pernos, sino que considera el posible aflojamiento y la fatiga al mismo tiempo y estudia los dos bajo diferentes cargas. ¿Qué sucede primero? ¿Cuál desempeñó un papel principal en la falla de los pernos?
Durante el proceso de servicio de los pernos, estos están sujetos a cargas de corte transversal y cargas de tensión y compresión axiales al mismo tiempo. Los resultados de las pruebas obtenidos por una sola forma de carga no se pueden utilizar para la predicción de fallas de pernos en entornos complejos. Por lo tanto, los mecanismos de falla en competencia de aflojamiento y fatiga de los pernos La investigación tiene una mayor viabilidad y puede usarse como una nueva dirección de investigación de pernos en el futuro.