This project was performed together with ÅF Industry AB in Trollhättan, Sweden. ÅF’s expertise in Trollhättan is oriented towards the automotive industry. It was conducted within the section of CAE and safety where they, for instance, dimension bolt joints in the cars. Bolt joints play an important role in the automotive industry. Slip critical bolt joints are used widely throughout the vehicles. With lack of good test data, the bolt joints need to be dimensioned conservatively. This may lead to that bolt joints are over-dimensioned, adding more mass to the car. On the contrary, the availability of reliable test data enables designers to optimize joint dimensions to achieve a safe design with minimized mass. A mechanical testing configuration has been designed as well as a testing procedure for a test to determine the static friction value between mating surfaces in bolt joints. The testing configuration has been used to perform tests to find the static friction coefficient in different materials. The study contains varied combinations of steel, aluminium and ED-Coated steel. The study resulted in tables with levels of probability. The developed test configuration is robust and relatively simple to use and is recommended for further use. For improved statistical significance, it was noted that more samples should be used than was used in this study. The aluminium has a smoother surface finish and that could be the reason why its coefficient of friction is lower than steel. It is therefore considered important to also include surface roughness when presenting coefficient of friction results.

Reservdelspaketering av cylinderhuvuden till personbilsmotorer för eftermarknaden sker idag för hand på ett företag i Skövde som tillverkar bilmotorer. Samtliga cylinderhuvuden lyfts för hand och placeras i wellpapplådor som levereras till återförsäljare. För att förbättra ergonomin för de anställda vid paketeringen samt att minska risken för skador på både anställda och cylinderhuvud har företaget efterfrågat ett lyftverktyg för att lyfta cylinderhuvudena med av konsultföretaget ÅF. Målet med detta arbete är således att utveckla en eller flera modeller av lyftverktyg som kan lyfta så många olika varianter av cylinderhuvud som möjligt samt wellpapplådan som dessa paketeras i.   Som utgångspunkt för konstruktionen av lyftverktyget utförs en litteraturstudie inom området lyftverktyg. Denna litteraturstudie innefattar både generella lyftverktyg som finns på marknaden samt en undersökning av företagets befintliga lyftverktyg. Litteraturstudien visar att generella lyftverktyg varierar avsevärt gällande både externa kraftkällor och vilken princip som används för att gripa föremål som ska lyftas. Studien av företagets befintliga lyftverktyg visar att företaget applicerar en rad olika sätt att gripa både cylinderhuvuden och motorblock. För lyft av cylinderhuvuden används verktyg som använder friktion mellan lyftverktyg och ventilstyrningshålen och verktyg som använder mekanisk gripning som bygger på att cylinderhuvudets geometri utnyttjas.   Grundkoncept för hur cylinderhuvud och emballage kan lyftas tas fram genom att ett flertal konstruktions- och designmetoder används. Tre grundkoncept på lyftverktyg för lyft av cylinderhuvudet i kombination med två lösningar på hur emballaget kan lyftas presenteras för företaget. Ett av grundkoncepten anses vara den bästa lösningen på hur cylinderhuvudet ska lyftas utifrån resultatet av en viktad konceptvalsmatris. Den bästa lösning på hur lådan ska lyftas anses vara att denna inte lyfts alls, utan transporteras via ett rullbord. Företaget väljer dock att ett de andragrundkoncept av lyftverktyg ska vidareutvecklas. Även den andra lösningen på hur lådan ska lyftas anses av företaget vara en bättre lösning.   Till följd av cylinderhuvudenas variation i geometri konstrueras två olika lyftverktyg. Båda konstruktionerna bygger på att två ramkonstruktioner, uppbyggda av aluminiumprofiler och monterade till varandra med linjärstyrningar, sänks ner över cylinderhuvudet. Ramkonstruktionerna dras sedan ihop med en pneumatisk cylinder. Följden av detta blir att det ena lyftverktyget griper cylinderhuvudena genom kontakttryck överfört av puckar med polyuretanskivor fastvulkade i ena änden, mellan ram och cylinderhuvud. Det andra lyftverktyget griper cylinderhuvudet utifrån dess geometri. Båda lyftverktygen är utrustade med polyesterband med monterade lyftprofiler som passar emballagets fördefinierade lyftområden. Detta gör att lådan med det paketerade cylinderhuvudet inuti kan lyftas. Resultatet blir alltså två olika lyftverktyg, ett som lyfter med tryck och friktion och ett som lyfter genom mekanisk låsning utifrån cylinderhuvudets geometri.   På konstruktionen av lyftverktyget som lyfter cylinderhuvudet med friktion görs Finita Element-analyser för att utvärdera verkande moment, effektivspänningar och deformation vid belastning. Utifrån analyserna i kombination med noggrant avvägda antaganden dras slutsatsen att de ingående skruvförbanden, linjärstyrningar och aluminiumprofilerna håller en tvåfaldig säkerhet mot begynnande plasticering.   Utifrån det slutgiltiga resultatet ges förslag på framtida arbete i form av vidareutveckling av lyftverktyget till ÅF. / The packaging of cylinder heads as spare parts for car engines is today done by hand in a company in Skövde that manufactures car engines. All cylinder heads are lifted by hand and placed inside cardboard boxes. The cardboard boxes are then sent to the retailer of spare parts. In order to improve the work situation from an ergonomic point of view and to minimize the risk of injury on both the cylinder heads and the employees, the company has ordered a lifting tool from the technical consulting company ÅF. The goal with this master thesis is to develop one or several models of lifting tool/tools that can lift as many different cylinder head models as possible. The lifting tool/tools are also going to be able to lift the cardboard box with the cylinder head inside.   As starting point for the development of the lifting tool/tools, a literature study is made in the field of lifting tools. The literature study is divided into two parts; the first one includes general lifting tools on the market today. The second part analyses the different kind of lifting tools that the company already is using today. The literature study shows that there is a big variety in general lifting tools not only considering the external forces that is used to power the tools but also in which way the tools grips the objects. The study of the company’s existing lifting tools shows that it contains a big variety in different ways to grab both cylinder heads and engine blocks. To lift cylinder heads the company uses several kinds of principles, for example; lifting tools that grips with friction between lifting tool and the holes for the valve shafts. They also use lifting tools that grabs the cylinder heads by taking advantage of the cylinder head geometry.   Basic concepts on how the cylinder head and the cardboard box can be lifted are developed by using a number of different design methods. Three basic concepts of lifting tools for lifting the cylinder head combined with two basic concepts on how the cardboard box can be lifted is presented to the company. One of the three basic concepts on how to lift the cylinder head is considered the best, based on its score in a concept score table. The best solution for how the cardboard box is to be lifted is not to lift it at all. Instead should the cardboard box be pushed away on a ball transfer table. Still, the company chooses another one of the basic concept for further development. Also the second solution on how to lift the cardboard box is chosen by the company.   Due to that the cylinder heads geometries varies so much between the different models, two different lifting tools are developed. The construction of both of the tools is based on two aluminium frames, constructed by aluminium profiles. The two frames are joined together by linear motion bearings. The frames are lowered down over the cylinder head and then being pressed together by a pneumatic cylinder. This results in that the one of the two lifting tool is gripping the cylinder head with contact pressure and friction between the cylinder head and the aluminium cylinders on the lifting tool that have polyurethane vulcanised on its ends. The other lifting tool grips the cylinder head by using the cylinder heads geometry. The two lifting tools are both equipped with polyester bands with hooks mounted on its ends that fits in the premade handles on the cardboard box. This makes it possible to lift the cardboard box with a cylinder head inside of it. The result of this is two lifting tools, one that grips with pressure and friction and one that grips by mechanical locking based on the cylinder heads geometry.   For the lifting tool that grips the cylinder head with pressure and friction a series of analyses is made using the Finite Elements method. The purpose with these analyses is to evaluate torque, stress and displacement of the lifting tool. From the results of these analyses in combination with some carefully considered assumptions, conclusions of the strength of mechanics for the lifting tool are made. This shows that all the included parts of the lifting tool; such as screw joints, linear motion bearings and aluminium profiles, have a factor of safety higher then 2 against plastic deformation.   Based on obtained results from this thesis, advises on further development for the lifting tools are presented to ÅF.

Under senaste periodens omställningar har Scanias Transmissionsenhet i monteringsverkstaden DT haft utmaningar med att uppnå den förväntade kvaliteten på deras skruvförband, vilket utgör majoriteten av deras monteringsmoment. Syftet med detta arbete var att ta reda på vilka typer av problem hos förbanden som kan uppstå, vad orsakerna till dem kan vara och vad som skulle kunna lösa problemen.Centrala områden som undersökts är dels hur friktion och skruvförlängning kan påverka förbandets klämkraft. Det har också handlat om vilken påverkan en monteringsmiljö kan ha på klämkraften och beteendet vid åtdragning. Förbandets egenskaper som styvhet, material och dimensioner har haft en viktig roll för att uppfylla arbetets syfte. Vidare har sambandet mellan vridmoment, friktion och klämkraft studerats.De slutsatser som kan dras är att friktionen har en stor inverkan på hur stor klämkraften blir efter åtdragning. För att mäta skruvens förlängning över tid för att ta reda på hur klämkraften varierar görs detta bäst med ultraljud, då den metoden möjliggör mätningen då det är väldigt svårt att komma åt skruven på annat sätt. Ändrar man åtdragningshastigheten kan man få ändringar av både friktion och sättningar, vilket påverkar förbandets klämkraft. En snabbare åtdragningshastighet har fördelen att momentet inte tar lika lång tid, men ökar man hastigheten behöver man ha koll på vad det påverkar, och om man tolererar den påverkan.Med metoden vridmoment-vinkelövervakning kan man upptäcka avvikelser som sker under åtdragning och visar att en monteringsmiljö kan ställa till med problem hos förbanden. Angående hur en monteringsmiljö kan påverka kvaliteten hos förbanden rekommenderas även att faktorförsök ska utföras. Med faktorförsök kan man få reda på hur stor effekt olika faktorer som närvarar i en monteringsmiljö påverkar det man vill undersöka, samt om något samspel råder.För att förbanden ska klara av det de förväntas och hålla god kvalitet, bör man följa instruktioner för dimensionering av flänsförband. / During the latest period’s changes, Scania’s Transmission unit in the DT assembly workshop has seen that the expected quality of their screw joints has not been met, which accounts for the majority of their assembly steps. The purpose of this thesis is to identify which types of problems can occur with screw joints, what the causes can be and how the problems can be solved.The central areas examined are partly how friction and screw extension can affect the clamping force, as well as the impact an assembly environment can have on the clamping force and its behavior when tightening. Characteristics of the screw joint such as stiffness, materials and dimensions have played an important role in fulfilling the purpose of the thesis. Furthermore, the relationship between torque, friction and clamping force has been studied.The conclusions reached are that friction has a major impact on how great the clamping force becomes after tightening. Measuring the extension of the screw over time to find out how the clamping force varies is best done with an ultrasonic device as this method makes it possible and easy to measure when it is very difficult to access the screw in any other way. If the tightening speed is changed, then there are changes in both friction and how the material sets which affects the clamping force of the screw joint. A faster tightening speed has the advantage that the tightening step does not take as long, but if the speed is increased then it is important to know what this affects and if this can be tolerated.The torque-angle monitoring method allows deviations to be detected during tightening and shows that an assembly environment can cause problems with the screw joints. Regarding how an assembly environment can affect the quality of the screw joints, it is also recommended that factor tests should be used. With factor tests it is possible to identify how great the effect of different factors which are present in an assembly environment can be, as well as if there are any interaction between the factors.For the screw joints to cope with what is expected and to keep good quality, instructions should be followed for the dimensioning of flange joints.

To achieve sufficient stability of a structure in a fire scenario, a thorough design of joints in wooden structures are as important as the design of the construction itself. As an earlier study points out, there are no existing design method available to determine the load capacity of an axially loaded screw joint in wooden structures, which complicate the process of a thorough design of the joint in a fire scenario.This research has been made with the aim to establish a sufficient design approach in terms of the most effective mounting of the screw inside a wooden joint with respect to load capacity in a fire scenario. A numerical model has been created in TASEF to evaluate if this type of model can predict the temperatures inside a joint, and further be applicable in the design phase of the joints regarding to the load capacity´s temperature dependency.The objective of this research has been the study of three different types of screw joints exposed to axial load, with two different screw lengths. Laboratory work has been made, where four reference tests were performed to gain reference load capacities to later be compared with the load capacities of twelve fire tests. The fire tests were conducted with fire exposure of 30 and 60 min, where the load capacity and the temperatures inside the joint where measured. Temperature models were created in TASEF to represent each fire test, where the temperatures inside the joints where calculated and evaluated.The results showed that the most effective screw mounting with respect to remaining load capacity after fire exposure was case 3, where a protective dowel was added to the countersunk screw. This type of mounting had the greatest remaining fastening length because the charring did not affect this length in the same extent as for the other two cases. The longer screw had a percentual higher remaining load capacity than the shorter screw. This can also be described by the relationship between the fastening length and the load capacity.In specific points, the numerical model did not correspond to the measured temperatures. One explanation for this scenario can be the fact that the material properties of the screw used in the fire tests were not equal to the properties used in TASEF. This may have affected the conductive heat flux through the joint, leaving different temperatures in the two measuring points. However, a good correlation between the charring of the test specimens and the temperature distribution achieved from the numerical model in TASEF exists and this implies that this model can be used for predicting the general temperature distribution inside a fire exposed joint. / För att uppnå tillräcklig stabilitet i en brandutsatt träkonstruktion är en noggrann design av förbanden lika viktig som designen av konstruktionselementen i sig själva. En tidigare studie har belyst att det idag inte finns någon tillgänglig designmetod för att bestämma lastkapaciteten av ett brandexponerat axiellt belastat skruvförband i träkonstruktioner, vilket komplicerar processen för en noggrann design av förbandets kapacitet i brandfallet.Denna studie har gjorts med målet att etablera ett designscenario där den mest effektiva monteringen av skruven presenteras med hänsyn till lastkapacitet i brandfallet. En numerisk beräkningsmodell har skapats i TASEF för att utvärdera om denna modell kan förutsäga temperaturerna inuti ett brandutsatt träförband och huruvida denna modell vidare kan vara tillämpbar i designen dessa förband med hänsyn till lastkapacitetens temperaturberoende.Tre olika typer av skruvförband utsatta för axiell belastning har studerats inom ramen för detta arbete, där också två skruvlängder har studerats. Experimentella laborationsförsök har genomförts där fyra prover utfördes i normala temperaturer för att erhålla referensvärden för att senare kunna jämföras med lastkapaciteten för tolv efterföljande brandprover. Brandförsöken utfördes med brandexponering under 30 och 60 minuter, där lastkapaciteten och temperaturerna inuti förbandet mättes. Temperaturmodeller skapades i TASEF för att representera varje brandprov, där temperaturerna inuti förbandet beräknades och utvärderades.Resultaten visar att den mest effektiva skruvmonteringen med avseende på kvarvarande lastkapacitet efter brandexponering var fall 3, där en skyddande träplugg sattes på det försänkta skruvhuvudet. Denna typ av montering hade störst kvarvarande infästningslängd eftersom förkolningen inte påverkade denna längd i samma utsträckning som för de andra två fallen. Den längre skruven hade en procentuellt högre kvarvarande lastkapacitet än den kortare skruven. Detta kan också beskrivas av förhållandet mellan fästlängden och kapaciteten.I vissa punkter motsvarade den numeriska modellen inte de uppmätta temperaturerna. En förklaring till denna avvikelse kan vara det faktum att materialegenskaperna som använts i brandproverna inte var lika med de egenskaper som använts i TASEF. Detta kan ha påverkat konduktiviteten i förbandet och genererat olika temperaturer i de två mätpunkterna. Det finns dock en tydlig korrelation mellan förkolningen av provkropparna och den temperaturfördelning som uppnåtts från den numeriska modellen i TASEF, och detta innebär att denna modell kan användas för att förutspå den generella temperaturfördelningen inuti ett brandexponerat förband.

This paper is a bachelor thesis in machine design where screaming screw tightenings are discussed. The research was initiated with a preliminary study in screw mechanics and the tightening process, as well as the stick-slip phenomenon. Furthermore, interviews were conducted with people at Scania and Atlas Copco who have relevant experience in screaming screw tightenings. These interviews strengthened the theory that screaming is caused by stick-slip. The natural frequency of a screw joint with a M8 x 60 mm screw and M8 M6M nut were approximated with FEM-analysis in Ansys. This in order to provide data for comparison with measured screams in future practical tests. The initial hypothesis that stick-slip causes scream was considered plausible since the natural frequency for the screw joint’s torsional oscillation is within the audible range. / Denna rapport är ett kandidatexamensarbete i maskinkonstruktion där skrikande skruvdragningar undersöks. Undersökningen inleddes med en förstudie i skruvens mekanik och åtdragningsprocessen. Stick-slip-fenomenet har även undersökts i förstudien. Vidare har intervjuer gjorts med personer som har erfarenhet inom området på Scania och Atlas Copco. Dessa intervjuer stärker teorin om att skrikfenomenet orsakas av stick-slip. Egenfrekvenser för ett skruvförband med dimensionerna M8 x 60 mm för skruven och M8 M6M för muttern togs fram genom en FEM-analys i Ansys. Detta för att i framtida praktiska tester kunna jämföra dessa frekvenser med uppmätta skrik. Den ursprungliga hypotesen om att stick-slip orsakar skrik bedömdes rimlig då egenfrekvensen för skruvförbandets torsionssvängning faller inom det hörbara intervallet.

At the calculations group in Sigma Industry East North, the traditional method for evaluating fasteners has been by use of the VDI2230 manual. As the complexity of a model increases the evaluation also becomes harder. The goal of this thesis is to set a robust evaluation method by combining the VDI2230 with the Finite Element (FE) method. Varied topics such as fastener and plate compliance, embedding effect, forces through the fastener and plate, minimum thread engagement length, service loads and the fatigue effect in fasteners is discussed. The flowchart discusses the process flow, as in, where to use the VDI2230 and where the FE method comes into use. The thesis also helps to understand designing of bolts like selection of the bolt diameter of varied applications and is user friendly to handle. The focus is also on reducing the time taken for fastener evaluation and setting up of an in-house technique for the evaluation. The evaluation method is verified using a test case. / På beräkningsgruppen på Sigma Industry East North har den traditionella metoden för utvärdering av fästelement varit att använda sig av manualen VDI 2230. Ökad komplexitet gör utvärderingen svårare att genomföra. Målet med detta examensarbete är att föreslå en robust utvärderingsmetod som kombinerar VDI 2230 med Finita Element-Analys (FEA). Olika ämnen såsom vekhet för fästelement och plåtar, sättningar, kraftvägar genom fästelement eller plåtar, minsta ingreppslängd, laster och utmattningseffekter diskuteras. Flödesdiagrammet avhandlar processflödet, det vill säga var man ska använda VDI2230 och när FE-metoden bör användas. Examensarbetet är också till för att skapa förståelse för hur man konstruerar skruvar, såsom val av skruvdiameter vid olika tillämpningar. Fokus har också varit att minska tidsåtgången för utvärdering av fästelement och att sätta upp tekniker för utvärdering att användas i den dagliga verksamheten. Utvärderingsmetoden verifieras med hjälp av ett provfall.

Denna rapport undersöker hastighetsberoende friktionsbeteende i zinkpleterade 8.8 M12x1.75 skruvförband med en klämlängd på 82 mm och ett åtdragningsmoment på 120 Nm. Totalt 84 åtdragningar genomförs med nya skruvar, brickor och muttrar för varje åtdragning med utrustning tillhandahållen av Atlas Copco. All data importeras och analyseras i Matlab. Analysen visar att inom en standard avvikelse från medelvärdet kan klämkraften variera med så mycket som 90% beroende på var inom det 10-200 rpms hastighetsspannet skruven drogs åt. Vidare framgår även att restmomentet är mycket beroende av den hastighet som skruven drogs åt vid, med ett restmoment ~5 Nm över slutmomentet för 10 rpm och ~20 Nm över slutmomentet vid 200 rpm. En ursprunglig hypotes tas fram som antar att en utförlig modell av lastfördelningen i skruvensgänga och under skruvens skalle kan användas för att förutse skruvförbandets friktionsbeteende. Denna hypotes övergavs då mätresultat och analys visar att effekten av en förbättrad lastfördelningsmodell inte skulle märkas då spridningen i friktionen är för stor. / This report examines the speed dependency of frictional behavior in zinc plated 8.8 M12x1.75 bolt joints with an 82 mm clamping length at a tightening torque of 120 Nm. A total of 84 test tightenings have been performed with new bolts, nuts and washers for each tightening. The tests are performed using equipment supplied by Atlas Copco and all data is imported and analyzed in Matlab. It is found that within one standard deviation of the mean value the clamping force can vary as much as 90% depending on where in the 10-200 rpm speed range the bolt is tightened. Furthermore it is concluded that the residual torque is also highly speed dependent, registering at ~5 Nm above the final torque at 10 rpm and ~20 Nm above at 200 rpm. An initial hypothesis was developed regarding the pressure distribution in the thread and under the bolt head in the hopes that better understanding and modeling of this aspect could help predict frictional behavior in the bolt joint. This hypothesis was abandoned after it is concluded that the impact of an improved pressure model would be much too small to be noticeable due to the already large scatter in frictional coefficients.

Bolts and nuts are one of most common joining methods since they are simple and low-cost to connect parts. Appropriate clamp force from bolted joint remains resultant joints secured, but higher/lower preload on bolted joint increases risk of the failure of mechanism. Therefore, achieving accurate clamp force in bolted joint is always the aim of tightening process. Torque control tightening tool are the most common tightening tool present in the market. The clamp force obtained from torque control tightening is highly dependent upon friction. Only small part of applied torque is transferred into the effective torque that turns in to clamp forces because most of applied torque is consumed by friction forces under bolt /nut head and in a thread interface. However, friction coefficient does not remain constant during tightening process and it relates to many factors such as tightening speed, speed profile, tightening time, joint’s material, etc. Hence, it changes the distribution ratio and leads to an error in estimation of clamp force between the components. This project aims to develop a tribometer which is capable of operating in different speeds and load conditions corresponding to different tightening process. A new concept of pin-on-disc tribometer is proposed and the speed and load profile are achieved by using closed loop control in the linear actuator and the motor. The test rig was built up and the several validation tests were done. / Skruv och mutter tillhör bland de vanligaste medlen att binda ihop två ytor med varandra då det är ett billigt och enkelt sätt att uppnå det önskade resultatet. Det är viktigt att rätt klämkraft uppnås i skruvförbandet, vid för låg/hög klämkraft är risken för haveri i konstruktionen stor. Därför är att uppnå korrekt klämkraft i ett skruvförband alltid målet i en åtdragningsprocess. Skruvdragare som drar åt med ett förinställt moment (torque control) är för tillfället det vanligaste verktyget på marknaden för att uppnå rätt klämkraft. Klämkraften som uppstår vid åtdragning av ett skruvförband med ett sådant verktyg är i största del beroende på friktionskraften i skruvförbandet för korrekt moment. Endast en liten del av momentet som påverkar skruven övergår till effektivt fasthållande moment i skruvförbandet, det mesta momentet går åt för att övervinna friktionen mellan skruv och mutter. Friktionskoefficitenten håller sig inte konstant vid ett åtdragande moment utan beror på flera faktorer såsom åtdragningshastighet, profilhastighet, åtdragningstid och vilket material skruvförbandet är gjort av bland annat. Eftersom friktionskoeffiecienten ständigt ändrar sig leder detta till ett fel då man ska uppskatta klämkraften mellan två ytor. Detta examensarbete ämnar till att bygga en tribometer som är kapabel till att fungera vid olika hastigheter och kraftförhållanden som korresponderar till olika åtdragningsprocesser. Ett koncept på en ny pin-on-disc tribometer föreslås och hastighets samt kraftprofiler skapas genom ett closed-loop reglertekniksystem i ett linjärt ställdon och motorn. Testriggen konstruerades och flertalet utvärderingstester utfördes.

<p><p>The thesis project is accomplished during winter and spring 2008 at Karlstad University at the faculty of technology and science. The tutor at Karlstad University is Nils Hallbäck and the examiner is Hans Johansson. Rolls-Royce at Kristinehamn in Sweden is the initiator for the project. The thesis project title is design of the blade bolt joint on Kamewa CPP. CPP stands for controllable pitch propeller. The study include two main aspects which are to analyze if the blade bolt joint which is used today can be applied on a larger propeller and if there are better solutions or other possibilities to join the blade to the hub. First the classification rules of some institutes were studied to find out which limitations there are. Bolted joint has to exceed a minimum bending strength and the bolts have to be made out of steel and their strength has to be at least 10.9. Today Rolls-Royce use ten bolts per propeller, five on each side of the blade. To analyze the strength of the blade bolt joint connection a FEM and an analytic analyze were made and the results compared with each other. Two cases were examined, one for drift and two when hitting an iceberg. The results were similar to each other for FEM and the analytic analyze. At drift all bolts were under the tensile strength of 750 MPa but when using ice loads some bolts started to deform. A new concept for the bolt connection was tested. Again the stress in the bolts stayed under the tensile strength at drift but deformed when applying ice loads. A difference between analytical and FEM analysis was that the stress difference between the bolts were minor in the FEM method. Another concept was only studied with FEM and it had a geometric locking devise combined with the same blade bolt connection as Rolls-Royce use today. At drift the locking devise didn’t support the connection much but when applying ice loads less bolts started to deform and less material in the bolts reached the tensile limit. All three concepts showed stress concentrations at the first two or three threads. The differences between the three concepts weren’t that large and to get better results other possibilities have to be considered. It is important to know how much torque has to be applied on the screw to get the right amount of pretension. Three aspects to consider are to apply the torque without getting any torsion in the screw, to lower the moment with the right coating or lubricant and to avoid the stress concentrations at the threads. Superbolts and clampnuts are two possibilities to avoid torsion in the screws. By using screw thread inserts or tension optimized threads the stress in the thread gets optimized and a coating or lubricant with a low friction coefficient will lower the torque. Three possible solutions are suggested.</p></p> / <p><p>Examensarbetet har utförts på fakulteten för teknik och naturvetenskap under vintern och våren 2008 och är en kurs på 22,5 hp med kurskoden MSGC 17. Handledare på Karlstads universitet är Nils Hallbäck och examinator är Hans Johansson. Rolls-Royce i Kristinehamn är uppdragsgivaren till examensarbetet. Uppgiften är att dimensionera ett bladförband till en stor Kamewa Ulstein CP-propeller. Frågeställningen som ska besvaras är om det går att använda dagens förband och undersöka om det finns bättre alternativ eller andra lösningar på problemet. Det finns inga ritningar på den storleken av propellrar som förbandet ska göras till. Därför måste man skala upp mått från mindre propellrar. Propellerdiameter är 7,7 meter och bladet med fot väger 10 ton efter skalningen. Förbandet ska klara av DNVs (Det Norske Veritas) klassificeringskrav för böjmotstånd och förbandet dimensioneras därefter. För dagens förband behövs det mycket stora skruvar för att klara klassificeringskravet. En analytisk och en FEM-analys genomfördes för att det inte finns något material att jämföra med. Krafter som måste betraktas är centrifugalkraften, tyngdkraften, framdrivningskraften från vattnet samt en isbelastning vid kollision med ett isberg. Framdrivningskraften varierar med 20 % när propellern passerar skrovet. Resultaten från analyserna gav att dagens förband klarar belastningarna vid drift, dock att bultarna börjar deformeras vid belastning med iskraften. I den analytiska analysen antar man att alla delar (bladfot, fläns och nav) är stela och inte deformeras. Dessutom tar man inte hänsyn till böjpåkänningarna som uppstår i skruvarna. Detta tas med i FEM-analysen samt att man räknar med olinjära materialsamband. Därför uppstår det stora spänningsskillnader, upp till 210 MPa, i bultarna vid FEM-analysen vilket inte sker vid de analytiska beräkningarna. Ett antal koncept genererades och två av dessa analyserades närmare. Båda koncepten är optimerade för centrifugalkraften eftersom den utgör den största belastningen under drift om man bortser ifrån förspänningen. Koncept 1 är ett förband som består av 16 bultar per propeller med tre olika storlekar. Enligt FEM analysen fås en jämnare spänningsfördelning över skruvarna än med dagens förband, medan den analytiska metoden ger ungefär samma fördelning som vid dagens förband. Alla skruvar håller sig under sträckgränsen vid drift. Vid isbelastningen uppnås sträckgränsen i många av de mindre skruvarna och skruvarna börjar deformeras plastiskt. I detta avseende stämmer den analytiska lösningen och FEM-analysen överens. Skillnaden är att den analytiska beräkningen visar större spänningsvariation bland skruvarna dvs. att den största och minsta spänningen hos bultarna är högre än vid FEM-beräkningarna. Det andra konceptet som analyserades närmare består av en formlåsning som sitter under bladet tillsammans med samma skruvar som används vid dagens förband. Vid drift märks knappt någon skillnad. Vid isbelastningen så tar formlåsningen dock upp mer spänning och avlastar skruvarna. Färre skruvar deformeras plastiskt. Det finns möjligheter att använda sig av redan befintliga lösningar som Superbolts, clampnuts och andra verktyg. Det som är avgörande för förbandets funktion är ett korrekt åtdragningsmoment. Positivt är att samtidigt kunna förspänna skruvarna utan torsion. En lösning är att ytbehandla skruvarna med en beläggning med känd friktionskoefficient.</p><p>Tre lösningsförslag har tagits fram som ger ett bättre resultat än dagens förband.</p></p>

The thesis project is accomplished during winter and spring 2008 at Karlstad University at the faculty of technology and science. The tutor at Karlstad University is Nils Hallbäck and the examiner is Hans Johansson. Rolls-Royce at Kristinehamn in Sweden is the initiator for the project. The thesis project title is design of the blade bolt joint on Kamewa CPP. CPP stands for controllable pitch propeller. The study include two main aspects which are to analyze if the blade bolt joint which is used today can be applied on a larger propeller and if there are better solutions or other possibilities to join the blade to the hub. First the classification rules of some institutes were studied to find out which limitations there are. Bolted joint has to exceed a minimum bending strength and the bolts have to be made out of steel and their strength has to be at least 10.9. Today Rolls-Royce use ten bolts per propeller, five on each side of the blade. To analyze the strength of the blade bolt joint connection a FEM and an analytic analyze were made and the results compared with each other. Two cases were examined, one for drift and two when hitting an iceberg. The results were similar to each other for FEM and the analytic analyze. At drift all bolts were under the tensile strength of 750 MPa but when using ice loads some bolts started to deform. A new concept for the bolt connection was tested. Again the stress in the bolts stayed under the tensile strength at drift but deformed when applying ice loads. A difference between analytical and FEM analysis was that the stress difference between the bolts were minor in the FEM method. Another concept was only studied with FEM and it had a geometric locking devise combined with the same blade bolt connection as Rolls-Royce use today. At drift the locking devise didn’t support the connection much but when applying ice loads less bolts started to deform and less material in the bolts reached the tensile limit. All three concepts showed stress concentrations at the first two or three threads. The differences between the three concepts weren’t that large and to get better results other possibilities have to be considered. It is important to know how much torque has to be applied on the screw to get the right amount of pretension. Three aspects to consider are to apply the torque without getting any torsion in the screw, to lower the moment with the right coating or lubricant and to avoid the stress concentrations at the threads. Superbolts and clampnuts are two possibilities to avoid torsion in the screws. By using screw thread inserts or tension optimized threads the stress in the thread gets optimized and a coating or lubricant with a low friction coefficient will lower the torque. Three possible solutions are suggested. / Examensarbetet har utförts på fakulteten för teknik och naturvetenskap under vintern och våren 2008 och är en kurs på 22,5 hp med kurskoden MSGC 17. Handledare på Karlstads universitet är Nils Hallbäck och examinator är Hans Johansson. Rolls-Royce i Kristinehamn är uppdragsgivaren till examensarbetet. Uppgiften är att dimensionera ett bladförband till en stor Kamewa Ulstein CP-propeller. Frågeställningen som ska besvaras är om det går att använda dagens förband och undersöka om det finns bättre alternativ eller andra lösningar på problemet. Det finns inga ritningar på den storleken av propellrar som förbandet ska göras till. Därför måste man skala upp mått från mindre propellrar. Propellerdiameter är 7,7 meter och bladet med fot väger 10 ton efter skalningen. Förbandet ska klara av DNVs (Det Norske Veritas) klassificeringskrav för böjmotstånd och förbandet dimensioneras därefter. För dagens förband behövs det mycket stora skruvar för att klara klassificeringskravet. En analytisk och en FEM-analys genomfördes för att det inte finns något material att jämföra med. Krafter som måste betraktas är centrifugalkraften, tyngdkraften, framdrivningskraften från vattnet samt en isbelastning vid kollision med ett isberg. Framdrivningskraften varierar med 20 % när propellern passerar skrovet. Resultaten från analyserna gav att dagens förband klarar belastningarna vid drift, dock att bultarna börjar deformeras vid belastning med iskraften. I den analytiska analysen antar man att alla delar (bladfot, fläns och nav) är stela och inte deformeras. Dessutom tar man inte hänsyn till böjpåkänningarna som uppstår i skruvarna. Detta tas med i FEM-analysen samt att man räknar med olinjära materialsamband. Därför uppstår det stora spänningsskillnader, upp till 210 MPa, i bultarna vid FEM-analysen vilket inte sker vid de analytiska beräkningarna. Ett antal koncept genererades och två av dessa analyserades närmare. Båda koncepten är optimerade för centrifugalkraften eftersom den utgör den största belastningen under drift om man bortser ifrån förspänningen. Koncept 1 är ett förband som består av 16 bultar per propeller med tre olika storlekar. Enligt FEM analysen fås en jämnare spänningsfördelning över skruvarna än med dagens förband, medan den analytiska metoden ger ungefär samma fördelning som vid dagens förband. Alla skruvar håller sig under sträckgränsen vid drift. Vid isbelastningen uppnås sträckgränsen i många av de mindre skruvarna och skruvarna börjar deformeras plastiskt. I detta avseende stämmer den analytiska lösningen och FEM-analysen överens. Skillnaden är att den analytiska beräkningen visar större spänningsvariation bland skruvarna dvs. att den största och minsta spänningen hos bultarna är högre än vid FEM-beräkningarna. Det andra konceptet som analyserades närmare består av en formlåsning som sitter under bladet tillsammans med samma skruvar som används vid dagens förband. Vid drift märks knappt någon skillnad. Vid isbelastningen så tar formlåsningen dock upp mer spänning och avlastar skruvarna. Färre skruvar deformeras plastiskt. Det finns möjligheter att använda sig av redan befintliga lösningar som Superbolts, clampnuts och andra verktyg. Det som är avgörande för förbandets funktion är ett korrekt åtdragningsmoment. Positivt är att samtidigt kunna förspänna skruvarna utan torsion. En lösning är att ytbehandla skruvarna med en beläggning med känd friktionskoefficient. Tre lösningsförslag har tagits fram som ger ett bättre resultat än dagens förband.