Jak určit utahovací moment šroubů?

Našroubovat matici na šroub při montáži nějaké sestavy není nic složitého. Každý, kdo to viděl alespoň jednou v životě, se s takovým úkolem dokáže vyrovnat.

Zcela jiná věc je utáhnout závitový spoj tak, aby zvládl veškeré provozní zatížení a vydržel celou plánovanou životnost bez uvolnění, posunutí nebo deformace. U zatížených stavebních konstrukcí a průmyslových zařízení je tato problematika obzvláště důležitá. Zde se může nespolehlivý šroub stát katalyzátorem destrukce a dokonce vést k náhlému nouzovému selhání.

Aby se tomu zabránilo, jsou závity během montáže utaženy určitou silou. Toto zatížení se nazývá utahovací moment a vypočítává se na základě provozních podmínek. A když se ptáte, proč je utahovací moment tak důležitý, měli byste se podívat hlouběji do mechaniky samotných závitových spojů.

• Utahovací moment je důležitým ukazatelem při práci s metrickým hardwarem
• Co se stane, když utáhnete závitový spoj?
• Úloha třecí síly v závitových spojích
• Charakteristika metrického a palcového hardwaru
• Metrický graf točivého momentu hardwaru
• Tabulka utahovacích momentů pro palcový hardware
• Nástroj na utahování závitů s kontrolou točivého momentu
• Závěr

Co se stane, když utáhnete závitový spoj?

Montáž závitů lze nalézt ve velmi široké škále – od spojek pro spojování trubek až po složité vícevrstvé konstrukce, kde se střídají pravostranné a levostranné závity, aby se kompenzovala rotace spoje při instalaci a demontáži.

Nejjednodušším a nejzřetelnějším příkladem použití závitů v průmyslu a každodenním životě jsou spojovací prvky. A zde je klasické schéma považováno za kombinaci tyče (šroubu) pracujícího v tahu s objímkou ​​(maticí), která je namáhána tlakem.

Ve volném stavu se závity šroubu a matice shodují. Možnost jejich hladkého spojení se objevuje díky určité minimální mezeře, jejíž hodnota je přísně omezena. Pokud je větší, než je nutné, matice „chodí“ po tyči a při nesprávném vyrovnání se zasekne, pokud je menší, než je nutné, šroubování jedné části na druhou bude vyžadovat nadměrnou sílu, což povede k předčasnému opotřebení povrchů.

Při působení zatížení se šroub natahuje v axiálním směru. Jeho cívky přenášejí sílu na cívky matice a „stlačují“ ji. V tomto případě jsou napětí rozložena nerovnoměrně a nejvíce zatěžovány jsou první závity spoje.

Diagram vnímání zátěže cívek vypadá asi takto:

• první otáčky kontaktu mezi šroubem a maticí – 32-35%;
• druhé otáčky – 20-24%;
• třetí otáčky – 12-15%;
• čtvrté otáčky – 10-12%.

Optimální výška závitového spoje je podmíněně rovna jmenovitému průměru závitu. To je způsobeno skutečností, že „vzdálené“ otáčky budou stále minimálně zatěžovány a v určité fázi se další prodlužování délky kontaktu stává jednoduše zbytečným.

Nerovnoměrné rozložení napětí podél závitu má negativní dopad na celkovou spolehlivost a životnost spojovacího prvku. Proto se používají dva způsoby stabilizace zátěže:

1. Stoupání závitu na protilehlých dílech je odlišné (v rámci 6-7% odchylky). To umožňuje kompenzovat rozdíl mezi deformací závitů šroubu a matice a přivést je na společnou hodnotu. V tomto případě budou cívky zatěžovány rovnoměrněji, ale stále nerovnoměrně. Tento přístup s sebou nese významnou komplikaci procesu výroby hardwaru a je nevhodný pro hromadnou výrobu. Slouží výhradně k výrobě některých unikátních a nestandardních závitových spojů.
2. Matice je zpočátku vyrobena o 20-30% měkčí a poddajnější než šroub. Toho je dosaženo výběrem materiálů a předepsáním tepelného zpracování v různých režimech. Při zatížení se část napětí v takovém páru vyhladí, protože měkčí matice méně odolává stlačení.

Druhá metoda se jasně odráží v GOST 1759.4-87 a GOST 1759.5-87. Obě tyto normy stanovují požadavky na mechanické vlastnosti závitových spojovacích prvků. A přizpůsobením tříd pevnosti můžete snadno vysledovat dynamiku výběru „měkkého“ ořechu. Takže například pro kování pevnostní třídy 12.9 je šroub kalen na tvrdost 39-44 HRC, zatímco u matice se očekává podobná charakteristika v rozsahu 31-38 HRC.

Během provozu je závitové připojení vystaveno několika typům zatížení:

• tahové a tlakové (axiální);
• stříhání;
• ohýbání;
• přídavné (otřesy, vibrace, tepelné).

Namáhání spojovacích prvků v ohybu je nejnebezpečnější. Konstruktéři se snaží eliminovat možnost jejich výskytu již ve fázi návrhu. Vnímání axiálního zatížení a bočního smyku pro hardware je naprosto normální.

Pro zvýšení pevnosti sestavy mechanici během procesu montáže zatěžují dvojici „šroub-matice“ – provádějí tzv. předběžné utažení. Jedná se o axiální sílu, při které je šroub natažen a matice stlačena, ale nedochází k provoznímu zatížení od provozního stroje nebo kovové konstrukce. Potřebná síla se aplikuje pouze pohybem matice podél šroubu otáčením.

Díky předběžnému utažení se později vnější proměnné zatížení přenese na díly jen částečně. Spoj je uveden do provozu v již „připraveném“ namáhaném stavu, což umožňuje zvýšit celkovou spolehlivost.

Navíc vznikají minimální kontaktní napětí zajišťující těsnost spoje na styku utahovaných ploch. V tomto případě s postupným nebo dokonce prudkým nárůstem zatížení během provozu se některá nebezpečná napětí šíří na části sestavy, a to nejen na spojovací prvky. A stejný efekt umožňuje utěsnit (utěsnit) přírubové spoje, „rozstřikovat“ těsnění z pryže, paronitu nebo kovu.

Při předběžném utahování závitu vzniká určitý krouticí moment, kterému se také říká utahovací moment. Záleží na vyvíjené síle a rameni působení síly. Obecně se uznává, že k uvolnění již utaženého spoje bude zapotřebí 70 až 100 % původního utahovacího momentu. Tento princip lze snadno ověřit vlastními vjemy: odšroubováním a odšroubováním uzávěru z hrdla plastové lahve.

Časem jakákoliv sestava na závitu slábne. To bude zvláště výrazné, když je uzel vystaven proměnlivému zatížení. Namáhání, která vznikají během předběžného utahování, jsou snížena:

• s postupným zhroucením nerovností na křižovatce utažených ploch;
• při rázovém zatížení;
• vlivem relaxace (při ohřevu oceli nad +300°C, neželezných kovů – nad +150°C);
• pokud provoz stroje umožňuje rezonanční provoz.

Povolení utažení nejen snižuje pevnost spoje, ale může vést i k dalšímu samovolnému vyšroubování. Proto je počáteční hodnota předpětí záměrně nadhodnocena o 1,25-4násobek požadovaných konstrukčních charakteristik.

Doporučené hodnoty vždy obsahují maximum a minimum. Horní mez je nutná, aby nedošlo k plastické deformaci a selhání šroubu při montáži. Při stanovení této hodnoty se řídí mezí kluzu materiálu – zatížením, při kterém kov začne nevratně měnit svůj tvar. Použijte poměr:

• maximální povolená napětí se rovnají 50-70% meze kluzu – v obecném případě použití spojovacích prostředků;
• rovných 80-90% – pro vysokopevnostní hardware, který je potřebný při stavbě mostů, železničních přejezdů a montáži těžkých průmyslových kovových konstrukcí.

Přesný analytický výpočet předpětí se provádí podle RD 37.001.131-89. V procesu výpočtu se spoléhají na parametry připojení, jako jsou:

• velikost závitu;
• velikost kroku;
• průměr nosné plochy matice a hlavy šroubu;
• průměr otvoru pro instalaci upevňovacích prvků;
• požadovaná utahovací síla;
• celkový koeficient tření na rozhraní.

Výsledkem výpočtu je hodnota jmenovitého momentu potřebného k utažení závitového spoje. V tomto případě je požadovaná síla (výsledná axiální síla) brána rovna 75 % zkušebního zatížení odpovídající třídě pevnosti spojovacího prvku.

Úloha třecí síly v závitových spojích

Kromě tahového a tlakového napětí, které vzniká při utahování závitu, působí také třecí síly mezi vzájemně kluznými závity šroubu a matice. Jejich vztah k předpínací síle je nepřímo úměrný: s rostoucím třením v kontaktní zóně spojení slábne. Proto se při montáži závitů snaží různými způsoby snižovat třecí síly.

Hlavní ukazatel tohoto efektu – koeficient tření – závisí na:

• materiál kontaktních částí;
• čistota zpracování závitů (drsnost závitů);
• přítomnost, povaha a vlastnosti povlaku;
• přítomnost a povaha maziva.

Kromě toho také záleží, kolikrát je sloučenina sbírána. Zkušení lidé si všimnou, že několikanásobným „přejetím“ matice přes šroub můžete dosáhnout hladšího utažení. Je to dáno tím, že se plochy o sebe třou, některé mikronerovnosti se drtí a spolu s minimální deformací závitů mizí chyba zpracování.

Kombinace materiálu obou dílů má velkou „váhu“ při určování třecích sil mezi maticí a šroubem. Sestavení ocelové tyče s bronzovou maticí bude mnohem jednodušší, než kdyby byla celá sada vyrobena z oceli, protože koeficient tření „ocel ​​na oceli“ je 0,15 a „ocel ​​na bronzu“ je 0,1. Nejtěžší podmínky tření budou vlastní dílům vyrobeným ze slitin titanu – zde koeficient tření dosahuje 0,345-0,543. Přítomnost jakéhokoli kovového povlaku – zinek, kadmium, nikl – také mění vzorec interakce.

Použití maziv výrazně snižuje třecí síly. Vzhled tenkého filmu na povrchu kontaktních závitů zlepšuje pohyb při utahování a zabraňuje zadření matice po delším používání (tzv. „přilepení“ kovu).

Obecný sortiment maziv, která se používají při montážních pracích, se dělí na:

• fluorovaný uhlovodík;
• anorganické;
• uhlovodíky;
• silikonové lubrikanty.

Mohou být ve formě viskózní kapaliny, pasty, pevného bloku nebo dokonce prachu. Mazivo se opatrně nanáší na povrch závitu. Optimální je, když jsou jak závity šroubu, tak závity matice potaženy směsí, ale to není vždy vhodné, takže se častěji maže pouze tyč.

Dnes jsou nejoblíbenějšími prostředky pro mazání závitových spojů tuk, litol, speciální silikonové směsi a strojní olej. Pokud bude jednotka pracovat v oblasti se zvýšenými teplotami, dává se přednost mazivům na bázi grafitu.

Charakteristika metrického a palcového hardwaru

Existuje několik typů závitů podle původního profilu závitu. Hlavní jsou metrické a trubkové. Druhý se často nazývá „palec“ kvůli výpočtu velikostí v palcovém systému. Oba typy mají značné rozdíly v geometrii, které určují rozsah jejich použití.

Otočí profil metrický závit blízko rovnoramenného trojúhelníku s úhlem otevření 60 stupňů. Vršky jsou odříznuté, ale ne natolik, aby naznačovaly, že připomínají lichoběžník. Dno dutiny má určité zaoblení – to je způsobeno dědičností geometrie nástroje použitého k řezání závitů.

Hlavní parametry metrického závitu jsou jmenovitý průměr a stoupání. Standardní rozsah průměrů je od 0,25 do 600 mm. Krok může být velký nebo malý. Počínaje M1 si pro každou velikost můžete vybrat několik možností rozteče a také objednat specializované spojovací prvky se zcela nestandardními parametry – geometrie zatáček takové experimenty umožňuje.

Profil metrického závitu se ideálně vyrovná se zatížením silového spoje. Proto je preferován při výrobě průmyslových a stavebních hardwarových produktů.

Metrické závity najdeme i na rozhraních velkých částí hydraulických a pneumatických zařízení, ale pouze tam, kde je spoj utěsněn pryžovými kroužky, manžetami límce, nebo alespoň plochými těsněními. To je způsobeno skutečností, že plyn i kapalina volně unikají závity metrického závitu.

Palcový závit má trojúhelníkový profil s rozevřením 55 stupňů. Vrcholy a spodky zatáček jsou provedeny s výrazným zaoblením poloměru. Díky tomu, když jsou šroub a matice spojeny, je mezera ve spojení zcela vyplněna a vytlačuje vzduch. To vám umožní dosáhnout těsnosti při utahování.

Standardní rozsah velikostí trubkových závitů se počítá v palcích – od 1/16″ do 6″. V metrickém systému se toto rozpětí blíží rozsahu od M8 do M164. Ale u palcových závitů je stoupání přesně spojeno s průměrem a pro každou možnost velikosti je možný pouze jeden jediný design. Včetně samotného pojmu „rozteč závitů“ je nahrazeno pojmem „počet vláken“

Palcové závity se používají v těch spojích, kde je nutné eliminovat nebezpečí úniku plynného nebo kapalného média. Jedná se o různé tvarovky, vsuvky, spojky a armatury pro potrubí a zařízení pracující pod tlakem, dále trysky, drobné hydraulické a pneumatické díly.

Není možné spojit šroub a matici, které patří k různým závitovým systémům – metrickým a palcovým. Pokud je potřeba taková jednotka, jsou vyrobeny speciální adaptéry. Tyto díly mají na jedné straně metrické závity a na druhé trubkové závity.

Metrický graf točivého momentu hardwaru

Pro ocelové spojovací prvky bez povlaku a bez mazání

v Nm (newtonech na metr)