Standarder: På jakt efter en enhetlig norm

Gängstandarder hör till världens äldsta standarder – alla kategorier. I dag har DIN, ISO och UTS trätt fram som dominerande standarder bland otaliga andra – och skapat ett potentiellt minfält där fel val kan leda till dyrköpta skruvbrott. Bolted undersöker historien, utvecklingen och framtiden för dessa kritiska, men ofta förbisedda standarder.

Det kan verka motsägelsefullt att något som egentligen bara har några få funktioner har utmynnat i så många standarder. På det hela taget har skruvgängan två huvudfunktioner: att omvandla roterande rörelse till linjär rörelse (ledarskruvar), och att hålla samman olika delar utan att klämdelarna glider isär (gängade fästelement).

Standardisering av skruvgängor har pågått sedan början av 1800-talet med syftet att underlätta kompatibilitet mellan olika tillverkare och användare. I slutet av 1800-talet och början av 1900-talet upptäckte ingenjörer att det var en utmanande och mångfasetterad uppgift att ta fram en tillförlitlig lösning för skruvgängornas kompatibilitet – och att det krävdes mer än bara en standardisering av ytterdiameter och stigning. Det var under den här perioden man utifrån avancerade analyser förstod hur viktiga olika variabler som stigningsdiameter och ytjämnhet var.

Metriska gängor gjordes i stort sett enhetliga 1898 av International Congress for the Standardization of Screw Threads, men i Frankrike, Tyskland och Japan hade man egna metriska gängstandarder, och i Schweiz användes andra gängor för klockor.

Standardiseringsprocessen pågår alltjämt, och konkurrerande metriska och tumbaserade gängstandarder har fortfarande stor spridning. Standardgängor kan identifieras med korta bokstavskoder som även innehåller prefixet på standardbeteckningen för individuella gängor.

Andra produktstandarder identifierar skruvens och mutterns geometri baserat på gängstandarder. De används i synnerhet för att uppfylla speciella användningskrav, men även för att underlätta kompatibilitet med olika åtdragningsverktyg.

Enligt Hendrik Hubbertz på AFS (Advanced Fastening Solutions GmbH), ett spinoff-företag från universitetet i tyska Siegen, har olika standarder utvecklats med tiden. Det beror på behovet av att uppfylla krav på exempelvis enkel hantering, belastningskapacitet och hastigheten eller tiden för åtdragningen, som går snabbare ju högre stigningen är.

– Det finns otroligt många olika gängstandarder för ledarskruvar och gängade fäst­element, men bara ett fåtal av dem används för gängade fästen, säger Hendrik Hubbertz.

De viktigaste standardgängorna är ISO och UTS, och de används huvudsakligen inom maskin­teknik.

– Det finns också standarder för självgängande och gängformande skruvar, och dessa används alltmer inom maskinteknik med metaller och plast, fortsätter han.

Det finns också standarder för gängor i rör och specialprofiler. För ledarskruvar finns det olika standarder som kulskruv (kulmutter med spindel) och trapetsgänga.

– Nackdelen med att ha många standarder är att det blir så krångligt. Fördelen med standarderna är att det blir lättare att byta ut skruvar och att kostnaderna för omfattande serieproduktion minskar – och det är egentligen syftet med standar­diseringen från första början, säger Hendrik Hubbertz.

De flesta triangulära gängformer är baserade på en triangulär flank och kallas för V-gängor eftersom de liknar bokstaven V. För V-gängor med 60-gradig vinkel är den likbenta triangeln närmare bestämt liksidig. För buttressgängor är triangeln oliksidig.

Den mest använda gängformen för fästelement är 60-gradig. Den metriska ISO-gängan och gängor i UN-serien har denna gängform. Andra gängstandarder används ibland för special­tillämpningar, exempelvis i medicinteknik, flygteknik och astronautik.

I stora serieproduktioner görs skruvgängor inte helt spetsiga av kostnadsskäl. Förutom att rotdiametern måste vara tillräckligt stor måste också en väldefinierad gängbottenradie användas för hög belastningskapacitet gentemot vibrations­belastning. Detta för att utmattningsbrott ska kunna undvikas. Gängor måste alltid ha en snäv diametertolerans. Är den inte snäv kan det påverka passdelen. Gängans diametertolerans är också viktig för att förhindra att skruvgängan deformeras när den används.

De två viktigaste sakerna att tänka på när man väljer gänga för en applikation är enligt Hendrik Hubbertz funktion (belastningskapacitet över livslängd) och hantering (logistik, montering och montörens kunskap).

– Väljer man fel standard kan det orsaka tillverkningsproblem med ökade produktionskostnader till följd av driftstopp. Fel standard kan också leda till funktionsfel och en felaktig produkt som är dyr att återkalla, säger han.

Andra gängprofiler än ISO-metriska används vanligen i specialtillämpningar och inom vissa geografiska områden. Det görs oftast för att de ska vara bakåtkompatibla. Än i dag, mer än ett halvt sekel sedan UTS trängde undan serier som inte längre finns, säljer företag fortfarande järnvaror med gamla beteckningar som ”SAE” och ”USS” som kan användas med produkter i tumbaserade mått till skillnad från UTS. De flesta av dessa järnvaror är i själva verket tillverkade enligt UTS-standarder, men etiketter och förteckningsterminologi är inte alltid helt tydlig, vilket ytterligare bidrar till oklarheterna kring gängstandarder.

– I framtiden kan frågor som optimeringsfunktioner vid större belastningskapacitet och bättre monteringsegenskaper bidra till att standarder utvecklas. Man kommer antagligen att övergå från arbetsstandarder till allmänna standarder. Att standarder görs enhetliga över hela världen kommer vi också att se, säger Hendrik Hubbertz.

På jakt efter en enhetlig standard: nedslag i gängstandardernas historia

200-talet f.Kr.
Arkimedes levde i Grekland på 200-talet f.Kr. och sägs ha uppfunnit skruven, men ingen vet om det är sant.

1800
Henry Maudslay utvecklar den första gängskärningssvarven för industriellt bruk
och skapar därmed förutsättningarna för standardisering av gängstorlekar.

1841
Joseph Whitworth tar fram British Standard Whitworth-systemet – det första
nationellt standardiserade systemet.

1864
William Sellers, som gav upphov till över 90 patent, presenterar den tumbaserade USS-gängan (United States Standard), som underlättar gängskärning.

1898
Internationella kongressen för standardisering av skruvgängor i Zürich tar ett djärvt steg mot att bringa ordning bland olika metriska gängstandarder.

1947
Internationella standardiseringsorganisationen (ISO) grundas och öppnar upp för en utbredning av det metriska systemet.

1949
United Thread System, UTS, anammas i syfte att likrikta de tumbaserade gängstandarderna.

Källa: Wikipedia

Fakta om gängstandarder

De mest använda gängorna i dag är metriska ISO-gängor (M) för de flesta användningsområden och BSP-gängor (R, G) för rör. Detta var några av de första internationella standarderna man tog fram när Internationella standardiseringsorganisationen, ISO, etablerades 1947.

Konstruktionsprinciperna för ISO:s metriska skruvgängor för allmänt bruk (gängor i M-serien) definieras enligt den internationella standarden ISO 68-1. Varje gänga kännetecknas av sin ytterdiameter (D) och sin stigning (P).

Metrisk ISO-gänga (grov) DIN13-1 är en gängprofil med global standard. Beteckningen består av bokstaven M följd av en siffra som visar den nominella diametern. Flankvinkeln är 60 grader. För varje storlek på grova gängor där nominell diameter anges, anges även stigningen.

Metrisk ISO-gänga (fin) DIN 13-2 till 13-11: Jämfört med standard­gängor har de fina gängorna mindre stigning, vilket tillåter högre förspänning och minskar risken för självlossning vid belastningstoppar. Fina gängor används bland annat på juster­skruvar i  mätinstrument eftersom fin stigning tillåter mer exakta inställningar. Benämningen består av bokstaven M, den nominella diametern och stigningen (t.ex. M12 x 1,5). Även här är flankvinkeln 60 grader.

Unified Thread Standard, UTS, är en standard för gängform och gängserier (samt marginaler, toleranser och beteckningar) för gängor som fortfarande är vanligt förekommande i USA och Kanada. Det är huvudstandarden för skruvar, muttrar och en stor mängd andra gängade fästelement som används i dessa länder.

UTS har samma 60-gradiga vinkelprofil som den metriska ISO-gängan, men de kännetecknande måtten på varje UTS-gänga (ytterdiameter och stigning) betecknas i tum istället för millimeter. Definitionen av tillåtna toleranser utgörs av toleransgrupper, vilket skiljer sig från metriska ISO-gängor. UTS kontrolleras för närvarande av ASME/ANSI i USA.

Standardbeteckningen för en UTS-gänga är en siffra som representerar gängans nominella (ytter)diameter följt av antalet gängor per tum (t.ex 3/8-12). Om diametern är mindre än en fjärdedels tum anges diametern av ett heltal definierat i standarden; för alla andra diametrar anges siffran i tum.

UNC-gänga ANSI B1.1: UNC – Unified Coarse Thread. NC- och UNC-gängor är kompatibla på samma sätt som den metriska och ISO-metriska gängan. Flankvinkeln är 60 grader.

Fakta om gängstandarder - Vanlig gänga: P = Stigning, D = Ytterdiameter (nominell), 60° = Gängvinkel, PD = Flankdiameter, A = Skruvgängans axel