Cıvatalar neden gevşer?

Uygulamaya bağlı olarak cıvata gevşemesi ciddi sonuçlar doğurabilir. Tek bir gevşeyen cıvata, tüm üretim tesisinin durmasına ve şirkete binlerce lira maliyet oluşturmasına neden olabilirken, bazı uygulamalarda gevşeyen cıvatalar ciddi güvenlik riskleri de yaratabilir. Peki, cıvatalar neden gevşer? Genel olarak iki ana neden vardır: kendiliğinden gevşeme (spontaneous loosening) ve dönme hareketi olmadan gevşeme (slackening).

“Cıvatalı bağlantılarda sorunlara yol açan temel nedenler; bağlantının kullanım amacına, maruz kaldığı çevresel koşullara ve çoğu zaman içinde bulunduğu sektöre bağlı olarak değişir,” diyor cıvataların kendiliğinden gevşemesi üzerine kapsamlı çalışmalar yürüten Siegenia-Aubi KG’den Georg Dinger.

“Örneğin, petrokimya endüstrisinde temel endişe korozyon problemleridir; yorulma ve titreşim kaynaklı gevşeme ise genellikle ikincil planda kalır. Buna karşılık otomotiv endüstrisinde kendiliğinden gevşeme ve korozyon, başlıca iki sorun olarak öne çıkar. Yapısal çelik sektöründe ise öncelikli konular bağlantı kayması ve korozyondur; kendiliğinden gevşeme ve sızıntı daha nadir görülür. Havacılık endüstrisinde ise muhtemelen ilk sırada yorulma yer alır.”

“Temas yüzeyleri arasında meydana gelen tekrarlı bağıl hareketler, cıvata veya somunun zamanla dönmesine neden olabilir,” diye devam ediyor Dinger. “Bu durum, cıvatadaki ön yükün azalmasına ve dolayısıyla cıvatalı bağlantının işlevini kaybetmesine yol açar. Buna rağmen, önleyici çözümler çoğu zaman kendiliğinden gevşeme yaşandıktan sonra uygulanmaktadır.”

Başlıca cıvata gevşeme nedenleri:

• Kendiliğinden cıvata gevşemesi (Spontaneous bolt loosening) - Darbe, titreşim, dinamik yük
• Dönme hareketi olmadan gevşeme (Slackening) - Oturma (Settlement), malzeme akması (creep), gerilme direnç kaybı (relaxation)

Kendiliğinden cıvata gevşemesini önlemek için, birleştirilen parçalar arasındaki kaymanın ortadan kaldırılması veya kritik seviyelerin altına düşürülmesi gerekir. Eksenel çekme kuvvetinin artırılması, sıkılan parçalar arasındaki sürtünmenin yükseltilmesi veya darbe, titreşim ve termal yükleme gibi tekrarlı yüklerin azaltılmasıyla kayma sınırlandırılabilir.

Bir diğer yaygın yöntem, cıvata dişleri arasındaki sürtünmenin artırılmasıdır. Bunu sağlamak için çeşitli çözümler bulunmaktadır; bazıları etkili olmakla birlikte belirli dezavantajlar da barındırır. Yapıştırıcılar veya kimyasal kilitleyiciler, sürtünmeye dayalı etkili bir yöntem olabilir; ancak kuruduktan sonra sökme ve cıvatanın çıkarılması sırasında sorunlara yol açabilir. Ayrıca, dişler arasındaki sürtünmenin artırılması, belirli bir tork seviyesinde elde edilebilecek ön yükün azalmasına neden olur. Emniyet teli (locking wire) ise havacılık endüstrisinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.

Yorulma (fatigue), cıvata ve sıkılan parçalar üzerinde meydana gelen kalıcı hasar veya şekil değişimidir. Bu durum, ön yükün kaybı sonucu bağlantıda açılma oluşmasıyla ortaya çıkar. Ön yük kaybına yol açan iki temel mekanizma bulunmaktadır: kendiliğinden gevşeme (spontaneous loosening) ve dönme hareketi olmadan gevşeklik oluşumu (slackening).

Kendiliğinden gevşeme (spontaneous loosening) ya da dönmeye bağlı kendiliğinden gevşeme (rotational self-loosening), cıvatanın darbe, titreşim veya dinamik yükler etkisiyle kendi kendine dönerek gevşemesi durumudur. Çok küçük bir dönme hareketi bile, cıvatalı bağlantının tüm ön yükünü kaybetmesi için yeterli olabilir. Bu mekanizma, cıvata gevşemesinin en yaygın nedenidir.

Dönme hareketi olmadan gevşeklik oluşumu (slackening); oturma (Settlement), malzeme akması (creep) ve gerilme direnç kaybı (relaxation) olmak üzere üç temel mekanizma nedeniyle meydana gelir. Oturma, özellikle dinamik yükler altında gerçekleştiğinde kritik önem taşır. Nord-Lock Group Teknik Müdürü Harlen Seow’un da belirttiği üzere, oturma; bağlantının dinamik çalışma yüklerinden kaynaklanan gerilme artışına maruz kalması sonucu, sıkılan malzemede oluşan kalıcı şekil değişimidir. Bir cıvatalı bağlantının çoğu bileşeni, üzerlerindeki gerilme akma dayanımını aşmadığı sürece, yük kaldırıldığında eski şekline geri döner; ancak boya gibi temas yüzeyinde bulunan bazı malzemeler, yüksek olasılıkla kalıcı deformasyona uğrar.

Malzemede oturma meydana geldiğinde, bu oturma yalnızca birkaç mikrometre seviyesinde olsa bile, cıvatanın uzaması azalır ve bu durum ön yükün kaybına yol açar.

Malzeme akması (creep), bağlantıyı oluşturan malzemelerin akma dayanımının altında kalan ancak uzun süreli yüksek gerilmelere maruz kalması sonucu meydana gelen kalıcı deformasyondur. Bu etki, yüksek sıcaklık uygulamalarında çok daha belirgin hale gelir.

Gerilme direnç kaybı (relaxation), bir bağlantıyı oluşturan malzemelerin mikroyapısının zaman içinde yeniden düzenlenmesi sonucu, mevcut elastik deformasyonun plastik deformasyona dönüşmesi durumudur. Oturma (settlement) veya malzeme akmasından (creep) farklı olarak, bu süreçte bağlama boyu (clamp length) değişmez, bu da gerilme direnç kaybının tespit edilmesini zorlaştırır. Harlen Seow’un da belirttiği gibi, ön yük kaybını ölçmenin bir yolu, işletme süresinden sonra cıvata boyunu ölçerek, sıkma işleminden hemen sonraki cıvata boyu ile karşılaştırmaktır. Ancak bu yöntem gerilme direnç kaybını tespit edemez, bu da bu mekanizmayı daha problemli hale getirir.

Yorulmanın önlenmesindeki temel unsur, iyi bir tasarımdır; bu yaklaşım, son yıllarda birçok cıvatalı bağlantı üzerindeki artan yük talepleri ve hafif malzemelerin daha yaygın kullanımı nedeniyle daha da önem kazanmıştır. Tasarım sürecinde yalnızca cıvataların çekme kapasitesine odaklanmak yeterli değildir; elastisite ve rijitlik gibi, bağlantının davranışı açısından kritik olabilecek diğer parametrelerin de mutlaka dikkate alınması gerekir.

“Doğru bağlantı tasarımı, yüksek ön yük seviyesine sahip, yüksek dayanımlı bir sürtünmeli bağlantının elde edilmesinin ve dolayısıyla tüm hizmet ömrü boyunca yüksek kayma direncinin sağlanmasının anahtarıdır,” diyor Dinger. “Bugüne kadar tasarım mühendislerinin odağı, cıvataların kopmasıyla gerçekleşen göçme türleri üzerindeydi. Ancak performans gereksinimleri arttıkça ve bağlantıların ağırlığı azaldıkça, diğer göçme mekanizmaları giderek daha önemli hale gelmiştir. Ön yük kaybı ve kendiliğinden gevşeme mekanizmaları, hafif tasarımlarda artık çok daha yaygın görülmektedir.”

Cıvatanın tipi, uygulama koşulları ve ön yük kaybının nedenine bağlı olarak, daha optimum cıvatalı bağlantılar tasarlamak için genellikle birden fazla çözüm seçeneği bulunmaktadır.

“Isıl yüklemenin bulunduğu durumlarda, bağlantı; sıkılan parçalar için aynı ısıl genleşme katsayısına sahip malzemelerin seçilmesiyle optimize edilebilir,” diyor Dinger. “Oturmayı azaltmak ve çalışma sırasında ön yükün korunmasına yardımcı olmak için, temas yüzeyleri arasındaki pürüzlülük düşürülebilir. Hassas delik çapları veya dişli yüzeyler gibi önlemler, bağıl yer değiştirmeyi en aza indirmeye yardımcı olabilir.”

“Genel olarak iyi bir cıvatalı bağlantı, yüksek elastikliğe sahip cıvatalar ve yüksek rijitliğe sahip sıkılan parçalardan oluşur ve bunun sağlanması için farklı yaklaşımlar mevcuttur,” diyor Seow. “Cıvata elastikliğini artırmanın bir yolu, bağlama boyunun (clamp length) uzun tutulmasıdır. Ancak flanşlı bağlantılarda bağlama boyu çok uzun olamayacağından, tasarım daha fazla sayıda fakat daha küçük çaplı cıvata kullanılarak değiştirilebilir. Örneğin beş cıvata yerine on adet daha küçük cıvata kullanılması, daha elastik bir bağlantı oluşturur.”

Sonuç olarak, optimum bir cıvatalı bağlantının elde edilmesi, birden fazla değişkenin ve tasarım seçeneğinin birlikte değerlendirilmesini gerektirir.

Ön Yük (Preload) Nedir?

Mühendislikte birden fazla anlama sahip bir terimdir. Bunlardan biri, bir bağlantı elemanı ilk kez sıkıldığında cıvatada oluşan çekme kuvvetidir. Cıvata uzadıkça, cıvata ile somun arasındaki bileşenler sıkışır ve bu durum, sıkma işlemi tamamlanana kadar bağlama kuvvetinin (clamp load) artmasına neden olur. Aşağıda ön yük (preload) ile ilgili açıklayıcı videoyu izleyebilirsiniz.

Junker Testi

Cıvataların kendiliğinden gevşemesinin nedenlerine yönelik araştırmalar yaklaşık 60 yıldır sürdürülmektedir; ancak 1960’lı yıllarda Alman mühendis Gerhard Junker tarafından gerçekleştirilen öncü çalışmalar, günümüzde kendiliğinden gevşemenin önlenmesine yönelik modern yöntem ve teorilerin temelini oluşturmaktadır. Titreşime maruz bırakıldığında bir bağlantı elemanının hangi noktada dönerek gevşemeye başladığını belirlemeye yönelik geliştirdiği test metodolojisi, günümüzde Junker Testi olarak evrensel biçimde tanınmakta ve DIN 65151 ile ISO 16130 gibi uluslararası standartlar kapsamında benimsenmiş durumdadır.

Junker testi, cıvatalı bağlantılar için en zorlu titreşim testi olarak kabul edilmektedir. Aşağıda, farklı cıvata kilitleme yöntemlerinin performansını karşılaştırmak amacıyla nasıl kullanıldığını gösteren videoyu izleyebilirsiniz.