Kierteellisen reiän väsymisominaisuudet

Abstract

Kierteelliset reiät ovat tärkeitä komponentteja koneenrakennuksessa ja yleisessä kiinnittämisessä. Yhdessä ruuvin kanssa ne mahdollistavat osien liittämisen ilman mutteria, sekä ovat edullisia ja monikäyttöisiä. Kierteellinen reikä voi kuitenkin heikentää osan väsymiskestävyyttä sen sisältämien geometristen epäjatkuvuuskohtien takia. Väsymismurtuma voi saada alkunsa kierteellisen reiän sivusta tai juuresta, ja johtaa lopulta rakenteen vaurioon. Syklisten kuormitusten alaiset kierrereikäiset liitokset, sekä kierrereiän sisältämät rakenteet tulisi analysoida tarkasti väsymiskestävyyden varmistamiseksi.

Tässä työssä toteutettiin kirjallisuuskatsaus, jonka pohjalta kierteellisen reiän kuormituksen, geometrian, materiaalin ja valmistustavan vaikutusta arvioidaan väsymiskestävyyden kannalta. Kuormitustapauksina tarkastellaan jännitystä kierrereikäisessä kappaleessa, sekä kierrereikäistä ruuviliitosta. Vedon alaisella levyllä kierteellinen reikä tuotti kierteetöntä reikää 9–20 % suuremman jännityskeskittymän. Vetokuormitetussa ruuviliitoksessa kierteellisen reiän juureen havaittiin syntyvän suuri jännitysamplitudi ruuvin kierteen loppukohtaan, joka oli yhtäläinen väsymiskokeissa havaittujen murtumiskohtien kanssa. Ruuviliitoksessa esikiristysvoimalla ja liitoksen jäykkyydellä havaittiin olevan merkittävin rooli jännitysamplitudin pienentämisessä.

Materiaalin murtolujuuden kasvaessa kierteellisen reiän väsymislujuus ei kasva samassa suhteessa. Kierteellisen reiän valmistusmenetelmistä kylmämuovauksen todettiin parantavan väsymiskestävyyttä. Vakiokierteen juureen todettiin syntyvän taajakierrettä pienempi jännityskeskittymä, toisaalta taajakierteen todettiin säilyttävän ruuvin esikiristysvoima paremmin.

Threaded holes are essential components in mechanical engineering and fastening applications. In conjunction with screws, they enable the joining of parts without the need for a nut, offering a cost-effective and versatile solution. However, the presence of threaded holes can reduce the fatigue resistance of a part due to the geometric discontinuities they introduce. Fatigue cracks can initiate at the side or root of the threaded hole, eventually leading to structural failure. As such, joints with threaded holes and structures incorporating threaded holes, which are subjected to cyclic loading, must be carefully analyzed to ensure their fatigue resistance.

This study presents a literature review evaluating the effects of loading conditions, geometry, material properties, and manufacturing processes on the fatigue strength of threaded holes. The study examined stress distribution in threaded hole components and threaded hole screw joints. In a tension-loaded plate, a threaded hole was found to generate a stress concentration 9–20% higher than a non-threaded hole. In a tension-loaded screw joint, a significant stress amplitude was observed at the root of the threaded hole at the end of the screw thread, corresponding to fracture locations identified in fatigue tests. It was found that preload and joint stiffness played a critical role in reducing the stress amplitude in the threaded hole.

The study revealed that increasing the material's ultimate strength had a limited impact on improving the fatigue strength of the threaded hole. Among manufacturing methods, cold forming was identified to enhance fatigue resistance. Coarse thread was shown to create a lower stress concentration at the root compared to fine thread, while fine thread maintained the screw's preload more effectively.