Tribotechnické listy

 

 

Prečo sa uvoľňujú kolesá automobilov?

Dôležitou súčasťou prípravy na novú motoristickú sezónu je aj výmena kolies s letnými pneumatikami. Niektorí vodiči sa pomocou dômyselne zmajstrovaných predlžovákov  montážneho náradia snažia uvoľniť zapečené upevňovacie skrutky resp. matice a potom ich „s citom" utiahnuť. Tí rozumnejší sa radšej obratia na profesionálne autoservisy, pretože zdanlivo jednoduchý úkon pri nesprávnom postupe nesie so sebou latentné riziko  uvoľnenia kolesa počas jazdy.
Táto závažná téma už bola na stránkach Tribotechniky pretraktovaná, kvôli jej aktuálnosti a odozve, akú vyvolala u čitateľov, sú tu uvedené niektoré ďalšie informácie a odporúčania.


Teoretický rozbor problematiky
Koleso automobilu môže počas jazdy odpadnúť dvomi spôsobmi. Deštrukciou, t. j. krehkým lomom kritického konštrukčného prvku alebo spontánnym uvoľnením:





Zatiaľ čo k deštrukcii dochádza náhle nadmerným zaťažením a prekročením pevnosti materiálu, spontánne uvoľňovanie je časovo závislý proces postupného poklesu predpätia upevňovacích  skrutkových spojov až po ich úplný rozpad s paralelnou kumuláciou únavového poškodzovania. Štatisticky je dokázané, že väčšinou nastáva rozpad spoja samovoľným odskrutkovaním skrutky resp. matice, ktoré z tribologického hľadiska už nie sú schopné udržať samo svornosť spoja. Nie zriedkavé sú však aj prípady únavového lomu skrutiek po ich predchádzajúcom čiastočnom povolení, pričom spoj ako taký sa ešte úplne nerozpadol.  Na príčine sú dynamické rázy prenášané na relevantné konštrukčné uzly nerovnosťami povrchu vozovky sprevádzané prudkou zmenou rýchlosti pri brzdení a akcelerácii  a nevyváženosťou kolesa. Opatrenia na zabránenie uvoľňovania kolies dopravných prostriedkov budú vychádzať zo zákonitosti správania sa skrutkových spojov pri montáži a v prevádzke.

Silové pomery
Na prevádzkyschopný, t. j. správne utiahnutý skrutkový spoj pôsobia dva druhy síl:
a)    Vnútorné, resp. montážne sily vyvolané utiahnutím spoja na určitú hodnotu predpätia. Skrutka sa pritom natiahne a spájané diely naopak, stlačia. Vnútorné sily dokážeme pomerne presne definovať a exaktne, pomocou momentových kľúčov s väčšou či menšou presnosťou aj aplikovať pri montáži
b)   Vonkajšie sily, vyvolané dodatočným prevádzkovým zaťažením. Vonkajšie sily sa s vnútornými vzájomne doplňujú a to proporcionálne alebo disproporcionálne alebo pôsobia proti sebe (pozri silový trojuholník v učebniciach pružnosti a pevnosti). Hovoríme preto o superpozícii pôsobiacich síl. Je to komplikovaný a ťažko kontrolovateľný, často náhodný proces závislý od mnohých faktorov. Ide totiž vo väčšine prípadov o  kombináciu staticky a dynamicky pôsobiacich axiálnych, radiálnych, prípadne aj torzných síl, ktoré možno len veľmi ťažko predvídať.


Absenciu exaktných údajov o prevádzkových podmienkach konštruktéri obyčajne kompenzujú zvýšením koeficientu bezpečnosti predimenzovaním skrutkových spojov, zvýšením koeficientu trenia na kontaktných plochách a voľbou jemného stúpania závitu. Konštruktér resp. výrobca automobilu však nikdy nemôže zaručiť 100%-nú prevádzkovú bezpečnosť, pretože nie je zodpovedný za montáž po servisnej výmene kolies a nadväznú manipuláciu.   Spomínaná superpozícia síl je totiž na vine, že pôvodné, t. j. montážne predpätie sa nemusí zachovať, ale nesprávnou montážou a účinkom nepriaznivých prevádzkových podmienok postupne klesne, v krajnom prípade až na nulu.

Predpokladom pre správnu funkciu skrutkových spojov je definované montážne predpätie, ktoré sa docieli ich utiahnutím potrebným krútiacim momentom. Toto predpätie slúži počas prevádzky ako rezervoár montážnej sily a nesmie poklesnúť pod určitú kritickú hodnotu. Na druhej strane nesmie prekročiť pevnostné charakteristiky materiálu a to ani krátkodobo dodatočným prevádzkovým zaťažením. Z obr. 1 vyplýva, že iba malá časť dodanej energie vo forme krútiaceho momentu (Mef) sa efektívne využije na predpätie potrebné na udržanie spájaných dielov v zopnutom stave. Zvyšok (Mtr) sa spotrebuje na prekonanie trenia medzi závitmi a pod hlavou skrutky a matice a premení na jalové teplo. Platí:



Čím je teda vyššie trenie, tým väčší krútiaci moment (M) treba vynaložiť na vyvolanie rovnakého predpätia. Inými slovami povedané, pri konštantnom momente (M) sa nenamazané skrutky utiahnu menej ako namazané (obr. 2). V praxi to značí nedostatočne utiahnutý spoj a riziko uvoľnenia. Hodno ešte pripomenúť, že teplo, vyvinuté najmä pri vysokých rýchlostiach uťahovania pneumatickými uťahovákmi, môže mať za následok degradáciu mazacieho prostriedku a neželanú zmenu koeficientu trenia.




Povolený, hoci ešte úplne nerozpadnutý skrutkový spoj kolesa predstavuje pre automobil značné bezpečnostné riziko, pretože po krátkom čase dôjde k odtlačeniu až k vybitiu upevňovacích otvorov na disku (obr. 3) s nadväzným spontánnym rozpadom spoja alebo únavovým lomom skrutky a to prednostne v miestach najväčšej koncentrácie napätia



Podľa princípu domino efektu sú postupne zasiahnuté všetky spoje, až nakoniec oslobodené koleso opustí "hniezdo" a vysokou rýchlosťou sa vyberie vlastnou cestou necestou, ohrozujúc pritom nič netušiace okolie. To nie sú ojedinelé události. Podľa prieskumu Helsinki University of Technology dôjde vo Finsku ročne k 150 registrovaným haváriam v dôsledku uvoľnených kolies, pri ktorých zahynú priemerne dvaja ľudia. V skutočnosti je prípadov s uvoľnenými kolesami podstatne viac. Bol zaznamený prípad, kedy sa vodič kamiónu vrátil z cesty s jedinou maticou na kolese a aj tá už bola uvoľnená.

Spontánne uvoľnenie verzus únavový lom
Ako už bolo spomenuté, ak opomenieme brutálne preťaženie, potom koleso automobilu môže odpadnúť buď v dôsledku spontánneho rozpadu upevňovacích skrutkových spojov alebo únavovým lomom skrutiek. Obidva prípady sú rovnako nebezpečné a aj príčiny sú rovnaké - vibrácie a opakované dynamické namáhanie počas jazdy. Kedy ale dôjde k samovoľnému odskrutkovaniu a kedy k únavovému lomu? Odpoveď nie je jednoduchá, na základe poznatkov o správaní sa skrutkových spojov sa však dajú sformulovať aspoň základné tézy.
Ako je známe, proces samovoľného uvoľňovania prebieha tromi známymi štádiami: povolenie - samovoľné pretáčanie - rozpad. K povoleniu dochádza bez toho, aby sa matica/skrutka pretáčali. Príčina tkvie v zarovnaní nerovností dosadacích plôch a v mikroplastickej deformácii na týchto plochách. Druhé štádium začína postupným samovoľným pretáčaním matice a/alebo skrutky za súčasného poklesu montážneho predpätia, ktoré vyustí do úplného oddelenia matice od skrutky (obr. 4).




Prípad s totálnym vyskrutkovaním je jasný. Čo sa však stane, ak predpätie síce poklesne na nulovú hodnotu, ale matica sa neoddelí od skrutky? Takýto stav môže nastať napr. použitím poistnej matice s nylonovým krúžkom podľa DIN 985. Ak to vodič nezaregistruje a bude pokračovať v jazde, tak po určitom počte záťažných cyklov dôjde ku kritickej kumulácii únavového poškodenia a nadväznému únavovému lomu skrutky, čo je z hľadiska bezpečnosti určite horší stav. Dôvod je jednoduchý. Zatiaľ čo uvoľnená skrutka sa dá skontrolovať a event. dotiahnuť, únavový lom prichádza náhle, bez avíza.

Zhrnutie
K uvoľneniu upevňovacích skrutiek kolies dopravných prostriedkov dochádza nesprávnou montážou a nadväznou stratou ich samo svornosti počas jazdy. Záleží potom od konkrétnych podmienok, či dôjde ku klasickému rozpadu spoja vyskrutkovaním alebo k jeho deštrukcii únavou materiálu. Štatisticky je dokázané, že najčastejšie dochádza k spontánnemu uvoľňovaniu skrutkových spojov kolies po prvých desiatkach až stovkách kilometrov jazdy. Preto je dôležitá ich priebežná kontrola v tomto intervale, najlepšie v značkovom autoservise, ktorý má k dispozícii oficiálny montážny návod pre danú značku vozidla a typ diskov a  disponuje kvalitným náradím. 


Ing. Jozef Dominik, CSc
Ferodom, s.r.o. Žilina
Ing. Jozef Bežilla
Procar Žilina

 

 

Späť

Komentáre k článku | Pridať komentár

Jozef Dominik (21.08.2017)

Reakcia na komentár pána Jána Bidu
Vážený pane,
v predmetnom článku sa nikde nehovorí konkrétne o Vás ani Vás nikto neposiela do servisu. Keby ste mali prístup k relevantným štatistikám, tak by ste zaujali objektívnejšie stanovisko.
Prajem Vám ešte veľa kilometrov bez nehody
Jozef Dominik

Ján Bida (20.08.2017)

Viem že je to už starý článok ale tieto dve vety ma poriadne podráždili, citujem; "Niektorí vodiči sa pomocou dômyselne zmajstrovaných predlžovákov montážneho náradia snažia uvoľniť zapečené upevňovacie skrutky resp. matice a potom ich „s citom" utiahnuť. Tí rozumnejší sa radšej obratia na profesionálne autoservisy, pretože zdanlivo jednoduchý úkon pri nesprávnom postupe nesie so sebou latentné riziko uvoľnenia kolesa počas jazdy." :-D "Tí rozumnejší sa radšej obratia na profesionálne autoservisy" :-D Vždy aj na nákladnej súprave kamióna som doťahoval kolesa bez momentového kľúča a v mojom živote, sa mi ani jediný krát nepovolili kolesa ani na osobnom aute a ani nestrihlo šrauby alebo žeby som pretiahol pri doťahovaní závit, tak prečo by som sa mal obracať na ako píšete profesionálne autoservisy?? :-D Až teraz po 31 rokoch, dajme tomu po skončení zakl. voj. služby, som si akurát včera kúpil momentový kľúč, ("profesionálny"), :-D pretože som sa niekde dočítal, že je to šetrné pre šrauby. Takže ako teraz??? Amatér Janko s "profesionálnym" momentovým kľúčom a bez profesionálneho autoservisu. ;-) (y) :-D

Jozef Antala (09.04.2016)

Dobrý deň - na veľkosť predpätia v skrutkovom spoji má vplyv i materiál diskov. Deformačná konštanta hliníkových diskov je väčšia než oceľových a môže nastať pokles predpätia v spoji, vznik prídavných ohybových napätí až únavový lom skrutky.

Silvester POLJAK (10.11.2012)

Nemôžem súhlasiť s Vašim tvrdením, že výmena matíc nemusela mať žiadny vplyv. Nepíšete tu, o aký typ auta sa jedná, ale ku každej sade či už plechových alebo hliníkových diskov prislúcha aj sada skrutiek. Každý výrobca, alebo teda lepšie povedané koncern si toto právo vyhradzuje. Záleží od toho, či používate originálne plechové aj hliníkove disky od daného výrobcu auta, alebo iba jeden typ diskov je od výrobcu auta a ďalší je od bližšie neuvedeného výrobcu, tzv "neoriginál". Treba si hlavne skontrolovať, či majú tieto disky a k nim prislúchajúce skrutky alebo matice rovnaký tvar dosadacej plochy. Obecne sa používajú tri typy, a to kolmé, potom s polguľovou hlavou a kužeľovou hlavou. Ak bol zamenený tvar, tak mohlo dôjsť k poškodeniu hliníkového disku, ale ak ten tvar dosadacích plôch pre hliníkové disky a plechové disky je rovnaký, tak ku žiadnemu poškodeniu nemohlo dôjsť. Veľmi si treba dávať pozor hlavne na neoriginálne diely, ktoré sa momentálne dodávajú do rôznych typov automobilov a hlavne neoriginálnych hliníkových kolies vyrobených z 99 percent kdesi v Turecku. Píšem hlavne o hliníkových, plechové disky sa moc ako neoriginálne náhrady nepredávajú.
Silvester POLJAK

Jozef Dominik (06.11.2012)

Pre uťahovanie skrutkových spojov obecne platí, že nie je dôležitý uťahovací moment, ale predpätie, ktoré sa týmto uťahovaním vyvolá a to je záviské o. i. aj od koeficientu trenia. Samotná výmena matice vo vašom prípade naozaj nemusela znamenať žiadne bezpečnostné riziko, pokiaľ bola správne utiahnutá, čiže dosiahla sa požadovaná predpätosť skrutkového spoja. Naviac, pravdepodobne po toľkých kilometroch došlo k skorodovaniu, takže funkciu poistky voči samovoľnému uvoľneniu skrutky už prebrala príroda.

Jozef Dominik

Tomas Domonkos (05.11.2012)

Zdravím,dakujem za zaujimavý článok. Chcel by som sa jednú vec spýtať. V pneusrevise mi namontovali hliníkové disky s matkami od plechových diskov. Samozrejme sa to zistilo až pri ďalšej výmene kolies (minimálne po 10000km) pri opätovnej výmene. V servise mi tvrdili že to nič nemôže urobiť s autom. Existuje nejaké riziko poškodenia, čo by som mal preveriť aby som predišiel možnej nehode resp. problémom s autom? Ďakujem za odpoveď.

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
6 + 7 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd