Vliv vůle na smykové vlastnosti svinutých pružných kolíků

Mezi spojované součásti se často přidává zahloubení nebo zkosení, aby bylo možné snadněji navést kolík z jednoho otvoru do druhého. Přestože je tento záměr pochopitelný, vzniklá mezera je často nežádoucí. Svinuté pružné kolíky SPIROL jsou navrženy s dostatečně velkým náběhovým zkosením, které usnadňuje jejich vyrovnání během montáže. Zahloubení ani dodatečné zkosení otvorů proto nejsou nutné (obrázek 1). Tyto konstrukční prvky, i když bývají často přehlíženy, mohou způsobovat vůli a ohyb kolíku, což snižuje jeho vlastnosti při zatížení ve smykové rovině. Nižší pevnost zároveň přispívá k únavě materiálu a může vést k předčasnému selhání celé sestavy. Ačkoli lze příčiny selhání poměrně snadno identifikovat, je důležité jejich dopad také kvantifikovat, aby bylo možné lépe porozumět tomu, jak výrazně mohou ovlivnit životnost a spolehlivost sestavy.

Svinutý pružný kolík SPIROL pro třídu nízkého zatížení byl testován s postupným zvyšováním vůle ve smykové rovině, aby bylo možné lépe pochopit rozsah změny vlastností. Byly vybrány kolíky pro třídu nízkého zatížení, protože se snadno montují a demontují. Vybraný kolík je standardní CLDP .250 x 2.500 LBK, tedy svinutý pružný kolík z oceli s vyšším obsahem uhlíku pro nízké zatížení s povrchovou úpravou olejem zabraňující korozi, která je „suchá na dotek“. Tento kolík má dostatečnou délku, která umožňuje testování s různými vůlemi.

Svinuté pružné kolíky jsou navrženy tak, aby se daly instalovat bez nutnosti dodatečného vedení pomocí válcového nebo kuželového zahloubení. Hladká, soustředná zkosení v kombinaci s kolmým, čistě řezaným zakončením zajišťují bezproblémovou instalaci.

Obrázek 3A Lomová plocha svinutého pružného kolíku po smyku vykazuje porušení v jedné rovině

Obrázek 3B Svinutý pružný kolík při ohybu vykazuje zakřivení na vnější vrstvě a destičkový povrch lomu

Vizuálně je výrazný rozdíl mezi kolíky, které selhávají při ohybu a kolíky, které selhávají při smyku. Jak je znázorněno na obrázku 3A, kolíky selhávající ve smyku vykazují lom v jedné rovině. Při deformaci se závity kolíku zplošťují a vnější část kolíku se zbortí jedním směrem. Obrázek 3B znázorňuje kolík testovaný s mezerou 0,120" (3,05 mm). Na snímku je zřetelně patrné, že došlo k ohybu, což je viditelné podle zakřivení vedoucího až k lomové ploše.

Kromě toho lomová plocha neprobíhá v jedné rovině; u jednotlivých závitů kolíku je patrný odlišný průběh porušení. Je proto nezbytné zkontrolovat nejen lomové plochy poškozených kolíků, ale také samotné nosné součásti, do kterých byly kolíky instalovány. Není neobvyklé, že hostitelské součásti obsahují prvky, které nejsou uvedeny na výkresu, ale v praxi vytvářejí vůli. Skutečnou příčinu lze přesně určit pouze tehdy, pokud jsou zkontrolovány všechny součásti dané aplikace.

Bylo testováno třicet vzorků pro každou podmínku a souhrn výsledků je uveden v tabulce 1. Data jsou v souladu s teorií, že vůle snižuje maximální sílu při lomu. Zajímavým zjištěním byla menší změna velikosti síly, ke které došlo v rozmezí od 0,072” (1,83 mm) do 0,120” (3,05 mm). Síla potřebná ke zlomení kolíku klesla o 18 %, to je přibližně o 800 lbs. (3,6 kN) při zvětšení vůle z 0,005” (0,13 mm) na 0,072” (1,83 mm), ale další zvětšení vůle na 0,120” (3,05 mm) vedlo k dalšímu snížení velikosti síly o přibližně 150 lbs. (0,7 kN), což představuje celkovou změnu o 22 %.

Rovnice pro ohybové napětí zní¹:

kde Ff je zatížení při lomu, R je poloměr kolíku a L je vzdálenost mezi podpěrami. Jak se symetricky přidává vůle za účelem zvětšení vzdálenosti mezi podpěrnými body, L se mění na L+2g, kde g je přidaná hodnota vůle na jedné straně. Na základě známých hodnot ukazuje obrázek 4 vliv veličiny g na sílu. Přechod ze smyku na ohyb nastává rychle, jakmile vůle překročí doporučenou maximální hodnotu 0,005" (0,13 mm). Údaje zároveň naznačují, že k největší změně pevnosti dochází při minimální odchylce od ideálních smykových podmínek. S rostoucí vůlí mezi sestavenými součástmi je pevnost i nadále negativně ovlivňována, avšak rozsah této změny není již tak výrazný. V tomto případě u CLDP 0,250 x 2,500 LBK bylo pozorováno snížení síly o 18 % při zvětšení vůle z 0,005” (0,13 mm) na 0,072” (1,83 mm).

Obecně panuje mylná představa, že zahloubení nebo zkosení usnadní zavedení kolíku a zároveň budou mít jen minimální vliv na pevnost kolíkového spoje. Zkosená hrana svinutého pružného kolíku však pomáhá navést kolík do navazujícího otvoru i v případě určité nesouososti mezi otvory. Tím se eliminuje potřeba dodatečného zahloubení nebo zkosení otvorů. Naměřená data ukazují výrazný pokles pevnosti kolíku již při vzniku malé mezery mezi smykovými rovinami. Z principů pevnosti v ohybu a tříbodového či čtyřbodového ohybu je zřejmé, že zvětšující se vůle má negativní vliv na zatížení potřebné k porušení součásti. Při návrhu nových aplikací nebo při přehodnocování stávajících konstrukcí je proto důležité minimalizovat mezeru mezi spojovanými součástmi. Tím lze optimalizovat smykové vlastnosti kolíku a maximalizovat životnost celé sestavy.

¹Callister, William D., „Stress-Strain Behavior“ v publikaci Materials science and Engineering: An Introduction, 7. vyd. New York: Wiley, 2007, s. 447–448