Viele kleine oder wenige große Schrauben?


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Ich befestige einen Servomotor mit einem bearbeiteten Gehäuse an einer Grundplatte mit gebohrten Löchern. Das aktuelle Design verwendet acht M-2.5-Schrauben in einem U-Muster (3-2-3) um das Gehäuse.

Das Anziehen so vieler Bolzen / Schrauben nimmt Zeit in Anspruch, und die kleine Stärke macht sie feiner als Bolzen mit größerer Stärke (Gewindeanfang bei fehlender Mutter usw.).

Wenn ich dieses Design ändern würde, um weniger, größere Schrauben zu verwenden, welche Vor- / Nachteile hätte das? Unterscheidet sich der Betrag der Positionsabweichung erheblich zwischen beispielsweise drei M-6-Schrauben und acht M-2,5-Schrauben? Gibt es eine Formel für die Befestigungskraft, die N Schrauben der Größe S bereitstellen?

Antworten:


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Es ist wirklich nicht so einfach wie eine Faustregel - es gibt viele Faktoren in jeder Anwendung. Ich gehe davon aus, dass Ihre Schraubenanwendung eine ziemlich traditionelle Situation ist, in der Sie ein Stück Material an ein anderes (eine Scherebene) schrauben, kein komplexeres Sandwich (Isolationskissen, Übergangsplatten usw.).

Bei den meisten Schraubverbindungen sollen die Schrauben eine Klemmkraft senkrecht zu den Passflächen bereitstellen, damit sich eine große Reibungskraft zwischen den beiden zu verschraubenden Materialien entwickeln kann. Während wir so ziemlich immer prüfen, ob die Bolzen die Last auf Scherung halten können, ist für die Gestaltung der Verbindung im Hinblick auf die Leistung die Klemmwirkung ein größerer Gesichtspunkt. Wenn Ihre Passflächen sehr flach und sauber sind und Ihre beiden Materialien sehr steif, können Sie sich vorstellen, dass ein einziger großer Bolzen für jedes Problem ausreichen würde, da die Klemmkraft die gleiche Reibung über die gesamte Passfläche ausübt. Ein Problem bei der Verwendung eines einzelnen Bolzens besteht darin, dass das Gelenk, wenn es rutscht, in eine Richtung rutschen kann, die die Mutter gegen den Bolzen löst, was zu einem katastrophalen Ausfall führt.

In der Realität sind unsere beiden Oberflächen normalerweise etwas flexibel, schmutzig und nicht flach. Aus diesem Grund übt ein Bolzen eine Klemmkraft nur für einen kleinen Bereich um sich herum erfolgreich aus, sodass Verbindungen, die einem Moment widerstehen (wie die meisten Motorhalterungen), mit einem einzelnen Bolzen nicht sehr effektiv sind. Wenn Sie stattdessen mehr Schrauben hinzufügen, die weiter voneinander entfernt sind, entstehen Momentpaare, bei denen aufgrund des Abstands zwischen den einzelnen Schrauben die tatsächliche Rutschfestigkeit der einzelnen Schrauben geringer ist. Im Allgemeinen möchten Sie für Verbindungen, die einem Moment widerstehen, die Gesamtgröße des Schraubenmusters innerhalb des vorgegebenen Rahmens maximieren.

Natürlich gibt es noch eine Reihe anderer Faktoren. Da die absolute Toleranz bei größeren Schrauben größer ist, sind in der Regel schlampigere Bohrungen erforderlich. Dies bedeutet, dass die Ausrichtung nicht so gut ist wie bei kleineren Schrauben. Wenn Sie jedoch Ihre Komponenten unabhängig voneinander ausrichten (durch Messen oder mit einer Schablone) und die Schrauben festziehen, können Sie die Komponente genauso gut an der richtigen Stelle aufbewahren. Umgekehrt erfordert das Ausrichten vieler kleiner Schrauben eine präzisere Bearbeitung Ihrer Teile als das Ausrichten einiger größerer Schrauben, da die Löcher für kleinere Schrauben im Allgemeinen weniger überdimensioniert sind. Dies ist in erster Linie auf den kleineren Übermaßfaktor zurückzuführen, wird aber durch die Tatsache verstärkt, dass je mehr Löcher Sie haben, desto wahrscheinlicher ist es, dass der schlimmste Fall eintritt (bei dem zwei Löcher nur innerhalb der Toleranz in entgegengesetzten Richtungen voneinander liegen) Natürlich könnten Sie ungewöhnlich große Löcher für kleinere Schrauben bohren, aber Sie würden feststellen, dass der Kopf (und / oder die Unterlegscheibe) nicht sehr viel Kontakt mit dem Basismaterial haben würde.

Was die Kosten angeht, so sind die Kosten für die Bearbeitung der Teile bei bescheidenen Abmessungen mit ziemlicher Sicherheit höher als die Kosten für die Befestigungselemente selbst. Daher sind ein paar größere Schrauben die bessere Option - etwas teurere Schrauben, aber weniger Löcher zum Bohren. Die Größe eines zu bohrenden Lochs hat weitaus geringere Auswirkungen auf die Kosten als die Zeit zum Auffinden eines neuen Lochs. Dies gilt insbesondere dann, wenn es tief genug ist, um mehrere Schritte (wie ein Spotting-Bohrer oder ein Zentrierbohrer) und daher einen Werkzeugwechsel zu erfordern. Abhängig von Maßstab, Material und Dicke sind kleinere Löcher manchmal sogar teurer, da sie weniger aggressiv gebohrt werden müssen, um einen Werkzeugbruch zu vermeiden. Zwei große Ausnahmen von dieser Aussage wären, wenn Ihre Teile durch Gießen, Spritzgießen oder einen ähnlichen volumetrischen Prozess in der Masse hergestellt werden oder wenn sie durch ein Profilierungsverfahren wie Wasserstrahl- oder Laserschneiden geschnitten werden, wobei der Hauptantrieb lineare Zoll sind der Kosten. Wie Sie bereits bemerkt haben, hängt die Zeit für die Montage des Geräts hauptsächlich von der Anzahl der Schrauben und nicht von deren Größe ab. Bei einer bestimmten Gewindelänge lässt sich eine große Schraube tatsächlich schneller festziehen. Dies begünstigt also auch weniger, größere Schrauben.

Eine Formel für die Klemmkraft ist nichts Besonderes. Sobald Sie die Vorspannung für jede Schraube im eingebauten Zustand festgestellt haben, multiplizieren Sie diese einfach mit dem statischen Reibungskoeffizienten für Ihre Passflächenkombination. Der schwierige Teil besteht darin, die Vorspannung für jede Schraube zu ermitteln. Es gibt Formeln, die die Spannung in Abhängigkeit von Drehmoment, Steigungswinkel und Material angeben. Es ist jedoch bekannt, dass diese nicht sehr genau sind. Der beste Weg, um diesen Wert zu ermitteln, ist die direkte Messung nach dem Festziehen der Schrauben mit der gleichen Methode, die Sie in der Produktion anwenden (Drehmoment, Gefühl, Drehen der Mutter usw.).


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Eine gute Antwort. Vielen Dank! Für mich stellt sich heraus, dass die Differenz der Bearbeitungskosten Null ist, weil ich die Bearbeitung selbst auf einer CNC-Fräse durchführe. Die Montagezeit für das Ausrichten von acht M-2.5-Schrauben, Muttern und Sicherungsscheiben beträgt jedoch weit mehr als drei M-6 (und die M-2.5 sind so klein, dass sie pro Schraube störender sind als auch M-6 !)
Jon Watte

Das macht Sinn. Zu diesem Zeitpunkt sind die Bearbeitungskosten nur Ihre Zeit und der Verschleiß an Maschine und Schneidwerkzeugen.
Ethan48

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Es gibt ein paar grundsätzliche Vorteile, mehr Schrauben zu haben.

Das erste ist, dass die Lasten gleichmäßiger verteilt werden, insbesondere wenn die Steifigkeit der Vorrichtung selbst geringfügig ist und es wichtig ist, dass keine Trennung auftritt, z. B. in Flanschverbindungen von Hochdruckfluidsystemen.

Zweitens bedeutet mehr Schrauben bei gleicher Nennlast einen kleineren Lochdurchmesser und damit einen kleinen Flanschdurchmesser, was nützlich sein kann, wenn Sie Dinge so dicht wie möglich verpacken müssen (z. B. in Kraftfahrzeugmotoranwendungen).

Drittens können mehr Befestigungselemente die Redundanz verbessern. Wenn Sie 4 Schrauben haben und 1 unter der Spezifikation liegt oder nicht richtig montiert ist, verlieren Sie 25% der Konstruktionsfestigkeit. Wenn Sie 10 Schrauben haben und eine falsch ist, verlieren Sie nur 10%.

Die andere Seite der Medaille ist, dass die Verwendung vieler kleiner Befestigungselemente zur Aufnahme einer Last, die viel größer als ihre individuelle Kapazität ist, zu Kaskadenausfällen führen kann, wenn unvorhergesehene Belastungsbedingungen auftreten und die Verbindungen sich öffnen.

Andererseits kann es Fälle geben, in denen eine große Anzahl von Befestigungselementen die Montage und Wartung erschwert, insbesondere wenn der Zugang eingeschränkt ist und es wahrscheinlich ist, dass die Befestigungselemente korrodieren oder sich auf andere Weise verklemmen oder festfressen. Ähnlich können Verbindungselemente mit kleinerem Durchmesser einen kleineren zulässigen Drehmomentbereich als größere haben.

Beachten Sie auch, dass bei der Konstruktion von Schraubenbefestigungen die beste Vorgehensweise darin besteht, die Schrauben so zusammenzuklemmen, dass die Scherkräfte durch Reibung zwischen den Passflächen aufgenommen werden und nicht direkt von den Schrauben getragen werden. In ähnlicher Weise erfordern Schrauben normalerweise ein mäßiges Spiel in keinen Gewindebohrungen und sind daher nicht als einziges Mittel zur Gewährleistung einer genauen Ausrichtung zwischen zwei Teilen geeignet. Wo dies erforderlich ist, ist es üblich, so etwas wie eine Bolzen- oder Kerbanordnung zu haben, um ein positives Mittel zur Ausrichtung bereitzustellen.


Vielen Dank für die zusätzliche Antwort, die einige Dinge, die in der akzeptierten Antwort nur kurz angesprochen wurden, klarer formuliert.
Jon Watte

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In der Maschinenindustrie werden die Holo-Krome-Schraubenwähler regelmäßig verwendet, um das Anzugsmoment und die daraus resultierenden Schraubenspannungen zu ermitteln: Die grüne für Zoll und die blaue für metrisch: https://www.google.com/#q=holo-krome+screw+selector+cards

Wenn möglich, werden Miniaturgrößen wie 2,5 mm vermieden. Vereinfacht ausgedrückt ist die Schraubenfestigkeit proportional zur Querschnittsfläche oder PI * R ^ 2. Beim Vergleich von 6 mm mit 2,5 mm betragen die entsprechenden Radien 3 und 1,25. Die entsprechenden Festigkeitsverhältnisse betragen ungefähr 3 × 2 und 1,25 × 2 oder 9 bis 1,56 oder ein Verhältnis von 5,8.

Die größeren Schrauben benötigen möglicherweise blaues Loctite, um zu verhindern, dass sie sich aufgrund von Vibrationen lösen. Die Länge der unter Spannung stehenden Schraube muss im Allgemeinen viermal so groß sein, um als vibrationsfest zu gelten.


Nun, ich habe nicht immer eine Option für den M2.5, da dies der Teil ist, den ich mit use integriere :-( Eine Nebenfrage für mich ist, ob ich in diesem Fall eine Anpassungsvorrichtung entwerfe, die sich einschrauben lässt (und rot-loctites) das 2,5-MM-Muster und passt sich dann mit M6 an meine eigenen Teile an, oder ob ich nur meine eigenen Teile in M2.5 ohne den Adapter herstelle.Die Antwort auf diese Frage gibt auch die Antwort auf diese Frage .
Jon Watte

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Es ist besser, immer mehr kleine Schrauben zu verwenden als wenige größere, denn wenn einige von ihnen versagen, ist es besser, mehr von ihnen zu haben.


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Ich bin mir nicht sicher, ob das allgemeingültig ist. Beispielsweise ist eine M10-Schraube viel stärker als zwei M1-Schrauben. Der Versagenspunkt der größeren Schraube ist viel höher, was mit der Zählung multipliziert werden muss. Es gibt auch die Montagekosten - eine Lösung, die das Problem zu geringeren Kosten löst, ist besser. Es gibt irgendeine Formel oder Beziehung, die mir sagt, welche in einer bestimmten Kombination besser ist. Das ist eine Art Formel, nach der ich mit dieser Frage suche.
Jon Watte

Dies kann nicht wahr sein, da es für eine unendliche Anzahl winziger Schrauben spricht. Ich bin kein Maschinenbauingenieur, aber es gibt natürlich Kompromisse, die Sie nicht berücksichtigt haben.
Olin Lathrop
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