Varför lossnar skruvar?

Skruvar är det fästelement många industrier väljer i första hand, av det enkla skälet att de är lätta att demontera. Men det är samtidigt en egenskap som gör dem sårbara. De riskerar helt enkelt att lossna av sig själva och därmed förloras förspänningen i skruvförbandet.

Skruvlossning kan få allvarliga påföljder. En lös skruv kan stoppa en hel produktionsanläggning och kosta företaget tusentals kronor, medan det i andra fall kan innebära en allvarlig säkerhetsrisk. Vilka är då de främsta orsakerna till att skruvar lossnar? I stort sett finns det två huvudorsaker: spontan lossning och avmattning.

Därför lossnar skruvar

Huvudorsakerna och följderna av ett fel beror på ändamålet med skruvförbandet, på miljön och vanligen också på industrin, säger Georg Dinger, Siegenia-Aubi KG, som ingående har studerat orsak och verkan för självlossning.

Den petrokemiska industrin bekymrar sig i första hand över korrosionsproblem, medan utmattning och vibrationslossning vanligen är av mindre betydelse. Bilindustrin å andra sidan skulle förmodligen nämna självlossning och korrosion som de två huvudsakliga problemen. Det främsta bekymret för stålbyggnadsindustrin är glidning i skruvförbanden och korrosion medan självlossning och läckage är mindre vanligt. Flygindustrin skull troligen sätta utmattning först.

Problemet med upprepad rörelse mellan kontaktytor

Upprepade relativa rörelser mellan kontaktytorna under inverkan av skaftmomentet, som orsakas av gängstigningsmomentet, kan medföra en gradvis rotation av skruven eller muttern, fortsätter Dinger.

Det leder till att förspänningen minskar och att skruvförbandet därmed förlorar sin funktion. Effekten är välkänd, men hur man förhindrar det sker vanligen experimentellt och endast efter det att självlossning redan har inträffat.

Huvudorsakerna till skruvlossning:

• Spontan lossning - Stöt, Vibration, Dynamisk last
• Avmattning - Sättning, Krypning, Relaxation

Så förhindras spontan lossning av skruvar

För att förhindra spontan lossning måste man eliminera glidningen mellan de ihopskruvade delarna, eller åtminstone minska den under kritiska nivåer. Det kan man uppnå genom att öka den axiella spänningen, öka friktionen mellan de klämda delarna eller minska den cykliska lasten – exempelvis stöt, vibration eller cyklisk termisk belastning.

En annan vanlig metod är att öka friktionen mellan skruvgängorna. Det finns ett antal lösningar på hur man gör det, och medan vissa av dem är effektiva har de också sina nackdelar. Lim eller pastor kan vara en effektiv, friktionsbaserad metod, men intorkat lim kan vara problematiskt när man ska demontera och ta bort skruven. Dessutom skulle en ökning av friktionen mellan gängorna minska den uppnåbara förspänningen vid ett specifikt åtdragningsmoment. Låstråd är en vanlig metod i flygindustrin. 

Utmattning är en permanent skada eller deformation i skruven och de klämda delarna. Den orsakas av förlust av förspänning som leder till att skruvförbandet glappar. Det finns två huvudsakliga orsaker till att förspänningen minskar: spontan skruvlossning och avmattningar i förbandet.

Vad är spontan skruvlossning?

Spontan skruvlossning eller rotationslossning innebär att en skruv vrids loss på grund av stöt, vibration eller dynamiska laster. Även en liten rotation kan vara tillräcklig för att ett skruvförband ska förlora hela sin förspänning. Det är den vanligaste orsaken till skruvlossning. Avmattning orsakas av tre mekanismer: sättning, krypning och relaxation.

Sättning är kritisk när den orsakas av dynamiska laster. Det innebär en permanent deformation av det klämda materialet när förbandet utsätts för den ökade påfrestningen från dynamiska arbetslaster, förklarar Harlen Seow, Technical Manager inom Nord-Lock Group.

De flesta delarna i ett skruvförband återgår till sin ursprungsform efter avlastning såvida inte spänningen i delarna har överskridit deras flytgränser. Vissa material i kontaktytan som exempelvis målarfärg deformeras sannolikt permanent, säger han och fortsätter:

Om materialet sätter sig, även om det bara rör sig om några mikrometer, minskar skruvens töjning vilket leder till förlust av förspänning.

Vad är krypning?

Krypning är en permanent deformation som uppträder till följd av långvarig exponering för höga spänningsnivåer under flytgränsen för materialen i förbandet. Den är allvarligare i tillämpningar med höga temperaturer.

Relaxation innebär att mikrostrukturen i ett förbandsmaterial omstruktureras och omvandlar den existerande elastiska deformationen till plastisk deformation under en tidsrymd. I motsats till sättning eller krypning förändras inte klämlängden, vilket gör att det är svårare att upptäcka.

- Ett sätt att mäta förlust av förspänning är att mäta skruvens längd efter en viss tid i drift och jämföra den med skruvlängden direkt efter åtdragningen, tillägger Seow:

- Men det avslöjar inte relaxation, vilket gör det ännu mer problematiskt.

Designen är nyckeln

Nyckeln till att undvika utmattning är en bra design, vilket har blivit mer betydande under senare år på grund av det ökade behovet av många skruvförband och mer allmän användning av lätta material. Det är viktigt att inte bara fokusera på skruvars dragstyrka och bortse från andra parametrar som elasticitet och styvhet, som också kan vara viktiga.

En korrekt design av förbandet är nyckeln till att uppnå ett friktionsförband med hög förspänningsnivå och därmed högt glidmotstånd under hela livslängden, säger Dinger.

Hittills har konstruktörernas fokus legat på fel till följd av skruvbrott. Andra felmekanismer har blivit allt viktigare i och med att påkänningarna ökar och förbandens vikt minskar. Mekanismerna för förspänningsrelaxation och självlossning blir vanligare och vanligare i lätta konstruktioner. 

Så kan ett optimalt skruvförband konstrueras

Beroende på skruv och tillämpning och orsaken till förspänningsförlusten finns det flera generella sätt att konstruera mer optimala skruvförband.

I fall då termisk belastning förekommer kan förbandet optimeras om man väljer material med samma termiska utvidgningskoefficient i de klämda delarna, säger Dinger.

Om du vill minimera sättningen och bibehålla en hög förspänning i drift kan du minska råheten mellan kontaktytorna. Åtgärder som släta håldiametrar eller tandade ytor kan hjälpa till att minimera rörelserna.

I allmänhet består ett bra skruvförband av mycket elastiska skruvar och mycket stela klämda delar,” säger Seow, som påpekar att det finns olika sätt åstadkomma detta:

Ett sätt att öka skruvelasticiteten är att ha långa klämlängder. Men om du har en fläns där klämlängden är begränsad kan du ändra konstruktionen genom att använda fler men mindre skruvar. Så i stället för att använda fem skruvar kan du använda tio mindre skruvar, vilket ger ett mer elastiskt förband.

Sammanfattningsvis måste man arbeta med flera variabler och konstruktionsalternativ för att få ett optimalt skruvförband. 

Vad är förspänning?

En term med många betydelser i konstruktionsvärlden. En är den spänning (last) som skapas i ett fästelement när det dras åt ursprungligen. När skruven sträcks pressas komponenterna mellan skruven och muttern samman, och den så kallade klämlasten ökar då tills åtdragningsprocessen är klar.

Junkertestet

Forskning kring orsakerna till självlossning har bedrivits i nästan 60 år, men fortfarande är det den tyska ingenjören Gerhard Junkers pionjärarbete på 1960-talet som utgör grunden för moderna metoder och teorier bakom skyddet mot självlossning. Den testmetod som han använde för att bestämma vid vilken punkt ett fästelement skruvas loss när det utsätts för vibration är idag allmänt känd som Junkertestet och har antagits som  internationell standard som till exempel DIN 65151.