Derin Okuma — Kavrama

Cıvatanın altındaki görünmez iş

Bir köprü kirişini yerinde tutan cıvatayı düşün. Somunu sıktığında metalin "yapıştığını" sanırsın. Oysa iki yüzey asla tam temas etmez. Temas eden şey, yüzeydeki mikroskobik tepelerin birbirine geçmesidir. Kavrama tam olarak burada başlar.

Gerçek temas alanı, görünen alanın çok küçük bir kesridir. İşlenmiş iki çelik yüzey birbirine bastırıldığında, gerçek temas noktaları toplam yüzeyin kabaca binde biri ile yüzde biri arasında kalır. Yani 100 santimetrekarelik bir flanşta, yükü taşıyan gerçek temas alanı bir santimetrekarenin altında olabilir. Temas noktalarının her biri, baskı altında plastik olarak akar ve gerçek bir mikro kaynak oluşturur.

Sürtünme katsayısı denen sayı, iki yüzey arasındaki bu mikro kenetlenmenin ölçüsüdür. Çelik-çelik kuru temasta kabaca 0,15 ile 0,20 arasında gezer. Yağlıysa 0,10'a düşer. Küçük ondalık, bir köprünün taşıma kapasitesini belirler.

Peki bir somun neden kendiliğinden gevşemez? Cevap, kavramanın diş geometrisine gizlenmiş olmasında.

Diş açısının sakladığı sayı

Standart bir metrik cıvatanın diş profili 60 derecelik bir tepe açısına sahiptir. Açı rastgele seçilmedi. Diş yüzeyini yatay düzleme yatırdığında ortaya çıkan helis açısı, tipik olarak 2 ile 4 derece arasındadır. İşte bu küçük açı, kavramanın kilit taşıdır.

Helis açısı küçük olduğunda sistem kendini kilitleme eğilimindedir. Yani eksenel yük, somunu geri döndürmeye yetmez. Mühendislikte buna "self-locking" denir. Kabaca 4,5 derecenin altındaki helis açıları, statik yük altında güvenli kabul edilir.

Kilitlenme koşulu tek bir açıya bakmaz. Sürtünme katsayısı ile helis açısının tanjantı arasındaki ilişkiye bakar. Kuru çelikte sürtünme katsayısı 0,15 ise, karşılık gelen kritik açı yaklaşık 8,5 derecedir. Yağlı bir bağlantıda katsayı 0,08'e düşerse, kritik açı 4,5 dereceye iner. Aynı geometri, yağlandığı anda kendini kilitleme marjını yarıya indirir.

Eşik aşıldığında ne olur? Somun titreşimle birlikte yavaşça döner ve ön yük kaybolur. Demiryolu raylarında, rüzgar türbini kulelerinde ve uçak gövde bağlantılarında bu yüzden özel kilitleme elemanları kullanılır. Ray bağlantılarında kullanılan "Huck" tipi kilitli cıvatalar, gevşemeyi tamamen geometriden keser.

Geometriyi bir adım daha açalım. Helis açısı doğrudan adım ve çapa bağlıdır. M12 standart adımı 1,75 milimetredir. Etkin çap yaklaşık 10,86 milimetre alındığında, helis açısı kabaca 2,9 derece çıkar. İnce adımlı M12x1,25 versiyonunda açı 2,1 dereceye iner. Aradaki 0,8 derecelik fark küçük görünür ama kilitlenme marjı doğrudan bu farkla büyür. Titreşimli ortamlarda ince adım tercih edilmesinin nedeni budur.

Bir de diş sürtünmesi ile oturma yüzeyi sürtünmesi ayrı hesaplanır. Torkun yaklaşık yüzde 40'ı diş temasına, yüzde 50'si somun altındaki yüzeye, kalan yüzde 10'u ön yüke gider. Yani kavramanın kilitlenmesi tek bir sürtünme katsayısıyla değil, iki ayrı sürtünme bölgesinin dengesiyle kurulur.

Ön yükün gerçek büyüklüğü

Bir cıvatanı sıktığında aslında onu elastik olarak uzatırsın. M12 sınıf 8.8 bir cıvata, tipik olarak 40 ile 60 kilonewton arasında bir ön yüke ulaşır. Bu, kabaca 4 ile 6 tonluk bir ağırlığa denk gelir. Tek bir cıvatanın taşıdığı yük budur.

Hedef ön yük, cıvatanın akma dayanımının belirli bir yüzdesine ayarlanır. Sınıf 8.8'de akma dayanımı yaklaşık 640 megapaskaldır. M12'nin gerilme kesit alanı 84,3 milimetrekaredir. Buradan akma yükü kabaca 54 kilonewton çıkar. Standart pratik, hedef ön yükü akma yükünün yüzde 65 ile 75'i arasına koyar. Yani 35 ile 40 kilonewton bandı, çoğu statik bağlantı için tipik hedeftir.

Ön yükün yüzde 60 ila 90'ı, sıkma torkunun sürtünmeyle dağılmasına gider. Yalnızca küçük bir kısmı gerçek eksenel kuvvete dönüşür. O yüzden torkla sıkma güvenilmezdir. Kritik bağlantılarda cıvatanın uzaması doğrudan ölçülür.

Uzama ölçümünde kabul edilen bant, cıvata boyunun milyonda 300 ile 700'ü arasındadır. Aralık, hem yeterli kavrama hem de yorulma ömrü için dengedir. Alt sınır gevşemeye, üst sınır plastik deformasyona yaklaşır. Ölçüm genelde cıvata başına yerleştirilen bir uzama ölçerle yapılır. Boy değişimi, mikrometre cinsinden okunur ve ön yüke çevrilir.

Torkla sıkma ile uzama ölçümü arasındaki fark, sahada yüzde 25 ila 30'a varan sapmalar yaratır. Aynı tork tabancasıyla sıkılan on cıvatadan bazıları hedefin altında, bazıları üstünde kalır. O yüzden uçak gövdeleri ve köprü kirişleri gibi yerlerde tork değil, uzama esas alınır.

Sınıf yükseldikçe tablo değişir. Sınıf 10.9'da akma dayanımı 900 megapaskala, çekme dayanımı 1.040 megapaskala çıkar. M12'de akma yükü 76 kilonewtonu bulur. Aynı hedef oranla ön yük 50 ile 57 kilonewton bandına oturur. Cıvata daha güçlüdür ama daha kırılgandır. Hidrojen gevrekliğine karşı çok daha hassastır ve yüksek mukavemetli cıvatalarda kaplama sonrası 200 derece civarında bir tavlama zorunlu hale gelir.

Uzama bantlarının alt sınırı da önemlidir. Yüzde 0,03 uzama, yorulma ömrü için gereken minimum basıyı sağlar. Bunun altında kalan bağlantı, dinamik yük altında eklem açılmasına maruz kalır. Eklem açıldığında yük tamamen cıvataya biner ve yorulma çatlağı hızla ilerler. Yüzde 0,07'nin üstü ise cıvatayı plastik bölgeye yaklaştırır. Bir kez plastik akma yaşandığında cıvata artık eski ön yükü tutamaz ve değiştirilmesi gerekir.

Yüzey pürüzlülüğü ve kaplamanın etkisi

Kavramayı belirleyen bir diğer parametre yüzey pürüzlülüğüdür. Ra değeri, yüzeydeki tepe ve çukurların ortalama yüksekliğini mikrometre cinsinden verir. İşlenmiş çelikte tipik Ra değeri 0,8 ile 3,2 mikrometre arasındadır.

Ra değeri düştükçe temas alanı artar ama sürtünme katsayısı da değişir. Aşırı parlak yüzeylerde sürtünme düşer ve kavrama zayıflar. O yüzden bazı uygulamalarda yüzey bilinçli olarak pürüzlü bırakılır. Yüzey pürüzlülüğü Ra 0,4 mikrometrenin altına indiğinde, sürtünme katsayısı yüzde 15 ila 20 oranında düşebilir. Bu, aynı torkla daha düşük ön yük anlamına gelir.

Pürüzlülüğün yönü de önemlidir. Freze ile işlenmiş bir yüzeyde tepeler tek yönde uzanır. Yön, kayma yönüne paralelse sürtünme düşer, dik ise artır. Yani aynı Ra değeri, farklı işleme yönleriyle farklı kavrama üretir.

Kaplamalar tabloyu tamamen değiştirir. Çinko kaplama sürtünme katsayısını kabaca 0,12 ile 0,18 aralığına çeker. Molibden disülfür kaplama bunu 0,06'ya kadar indirir. Düşük sürtünme, aynı torkla daha yüksek ön yük demektir. Çinko kaplamada katsayı 0,14, molibden disülfürde 0,06 ise, aynı torkla ön yük iki katından fazla artar.

Kaplama kalınlığı da oyuna girer. Çinko kaplamalar tipik olarak 5 ile 12 mikrometre kalınlıktadır. Kalın kaplama, diş boşluğunu daraltır ve torkun bir kısmını diş sürtünmesine kaydırır. Geometrik tolerans dışına çıkan bir kaplama, hedeflenen ön yükü tutturamaz.

Bir de kaplama sertliği meselesi var. Elektrokaplama çinko, yumuşak kalır ve yüksek basınç altında akar. Sıcak daldırma çinko daha kalın ve daha serttir. Geometrik tolerans dışına çıkan bir kaplama, hedeflenen ön yükü tutturamaz. Flake tipi çinko-lamel kaplamalar ise 5 ile 8 mikrometrede kalır ve kontrollü sürtünme sağlar. Otomotiv bağlantılarının çoğunda bu yüzden flake kaplama tercih edilir.

Paslanmaz çelik cıvatalar ayrı bir hikayedir. Galvanik korozyon nedeniyle diş yüzeyinde sürtünme artar ve soğuk kaynama denen yapışma riski doğar. Durumda ön yük değil, sökülebilirlik sorun olur. Paslanmaz bağlantılarda molibden disülfür esaslı özel macunlar standarttır.

Sıcaklık ve gevşeme mekaniği

Sıcaklık arttığında metal genleşir ve ön yük değişir. Çelik cıvatanın genleşme katsayısı, metre başına santigrat derece başına yaklaşık 12 mikrometredir. 100 derecelik bir artış, 100 milimetrelik bir cıvatada 0,12 milimetre uzama yaratır. Uzama, cıvatanın elastik bölgesinde kaldığı sürece ön yükü artırır.

Alüminyum gövdeye çelik cıvata bağlandığında sorun büyür. Alüminyumun genleşme katsayısı çeliğin yaklaşık iki katıdır. Sıcaklık döngüleri, ön yükü her çevrimde biraz daha yer. Sıcaklık geri düştüğünde alüminyum daha fazla büzülür ve cıvata boyu kısalır. Ön yük düşer, gevşeme başlar. O yüzden alüminyum gövdeye çelik bağlantılarda genelde helisel insert veya sıcaklık telafi eden rondela kullanılır.

Kritik uygulamalarda bu yüzden belleville yayı veya disk yayı kullanılır. Yay, sıcaklık kaynaklı boy değişimini emer ve ön yükü sabit tutar. Otomotiv egzoz manifoldlarında bu çözüm standarttır. Yayın yükseklik değişimi tipik olarak 0,3 ile 0,8 milimetre arasındadır ve bu genişlik, 200 derecelik sıcaklık salınımını emmeye yeter.

Titreşim de gevşemeyi hızlandırır. Yanal titreşim, dişler arasındaki teması anlık olarak keser. Her kesintide somun birkaç mikron döner. Saniyede 30 çevrimlik bir titreşim altında, ön yükün yüzde 50'si birkaç saat içinde kaybolabilir. O yüzden DIN 25201 gibi standartlar, titreşimli bağlantılarda özel kilit elemanlarını zorunlu tutar.

Titreşim gevşemesinin üç aşaması vardır. İlk aşamada dişler arasındaki mikro kayma ön yükü yüzde 10 kadar yer. İkinci aşamada somun dönmeye başlar ve kayıp hızlanır.

Üçüncü aşamada ön yük tamamen kaybolur ve bağlantı sadece kesme yüküyle tutunur. Gevşeme hızı, titreşim genliğinin yanı sıra diş yüzeyi basıncına da bağlıdır. Yüksek ön yük, dişleri daha sıkı bastırır ve mikro kaymayı zorlaştırır.

O yüzden titreşimli bağlantılarda ön yükü düşürmek, gevşemeyi hızlandırır. Sezgiye ters gelen bir sonuçtur.

Kilit elemanlarının mantığı da buradan çıkar. Nyloc somunlar, diş üstüne sıkışan naylon halkayla ek sürtünme yaratır. Yaylı rondelalar, sıcaklık ve titreşim altında ön yükü bir miktar korur ama tam gevşeme önleyici değildir. En güvenilir çözüm, dişleri mekanik olarak kilitleyen Huck veya Nord-Lock tipi sistemlerdir. Nord-Lock, iki özel rondelanın kam yüzeyiyle birbirine kenetlenmesine dayanır. Rondelalar arasındaki sürtünme katsayısı, diş sürtünmesinden büyük olduğu sürece somun dönemez.

Piyasa Hafızası

1994 yılında Kuzeyridge depremi sırasında Los Angeles'taki birçok çelik yapı bağlantısı beklenmedik şekilde hasar gördü. Kaynaklı kiriş-kolon birleşimlerinde, kavrama bölgesinde gevşeme ve yorulma çatlakları tespit edildi. Mühendisler bağlantıların tasarım ön yükünü tutmadığını gördü.

Olay sonrası yapılan incelemelerde, sıkma torkunun sürtünme değişkenliği yüzünden hedeflenen ön yükün yalnızca bir kısmını sağladığı ortaya çıktı. Aynı torkla sıkılan cıvatalar arasında yüzde 30'a varan ön yük farkı ölçüldü. Bulgu, kalibrasyonlu tork ve doğrudan uzama ölçümünü standart hale getirdi.

Ders nettir. Kavrama, tork değil gerçek ön yükle ölçülür. Sürtünme değişkenliği hesaba katılmadan yapılan sıkma, güvenli görünen ama zayıf bir bağlantı üretir.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçektir. Torkun büyük kısmı sürtünmede erir. Kalan kısım kavramayı kurar.

Duyarlılık burada kritik. Tork katsayısı 0,20'den 0,16'ya düşerse, aynı torkla ön yük yüzde 25 artar. Kaplama değişikliği tek başına bağlantıyı plastik deformasyona sürükleyebilir. O yüzden kaplama ve yağlama spesifikasyonu, tork değeri kadar bağlayıcıdır. Aynı mantıkla, katsayı 0,24'e çıkarsa ön yük yüzde 17 düşer ve bağlantı gevşeme sınırına yaklaşır. Yani tek bir katsayı, hem güvenliği hem de yorulma ömrünü belirler.

Kavramayı okumanın üç katmanı

Birinci katman geometridir. Diş açısı, helis açısı ve adım, kavramanın temel karakterini belirler. Katman tasarımda sabitlenir ve sonradan değiştirilemez.

İkinci katman yüzeydir. Pürüzlülük, kaplama ve yağlama, sürtünme katsayısını ve dolayısıyla ön yük dağılımını yönetir. Katman üretim ve montajda kontrol edilir.

Üçüncü katman çevredir. Sıcaklık, titreşim ve yük döngüleri, kurulan kavramayı zamanla aşındırır. Katman bakım ve izleme ile yönetilir.

Üç katmanı birlikte okumayan mühendis, sağlam görünen bir bağlantının neden erken gevşediğini asla anlayamaz. Kavrama, tek bir sayının değil, üç katmanın ortak ürünüdür.