Tribotechnické listy

 

 

Tribologické aspekty skrutkových spojov

Najpoužívanejší konštrukčný prvok, skrutkový spoj, je z hľadiska tribológie veľmi zvláštny fenomén. Počas montáže si totiž vyžaduje minimálne trenie a po utiahnutí, naopak, maximálne, aby sa v prevádzke nerozpadol. Táto kontraproduktívna požiadavka sa najčastejšie rieši aplikáciou externých poistných prvkov alebo chemických metód istenia. Úlohou tohto príspevku je poukázať na vplyv trenia na činnosť závitových spojov a navrhnúť niektoré opatrenia.

 

Význam trenia
Trenie u skrutkových spojov vzniká medzi závitmi v dôsledku relatívneho pohybu skrutky a matice po skrutkovici (obr. 1) a pod hlavou skrutky a matice.
Veľkosť trenia je charakterizovaná trecou silou FU, ktorá pôsobí proti pohybu telesa a jej veľkosť sa vypočíta podľa vzorca:


FU = F. µ, kde F je normálová (montážna) sila a µ je koeficient (súčiniteľ) trenia


Koeficient trenia µ je závislý od drsnosti povrchu dotýkajúcich sa telies.

 


Ako bolo naznačené v úvode, v danom prípade sa trenie musí posudzovať zvlášť vo fáze skrutkovania a zvlášť po montáži, t. j. po utiahnutí na správnu montážnu silu. Prekonať trenie značí vynaložiť určitú energiu, vyjadrenú krútiacim momentom M. Čím je trenie vyššie, tým je aj energia potrebná na jeho prekonanie vyššia.

 


Táto skutočnosť spôsobuje, že počas uťahovania skrutiek sa v závislosti od konkrétnych podmienok viac ako 75 % vloženého uťahovacieho momentu spotrebuje na prekonanie trenia. Iba necelých 25 % je potom k dispozícii na vytvorenie potrebného predpätia skrutkového spoja. Praktický príklad poskytuje obr. 3. Z neho vyplýva, že pri vloženom momente 650Nm sa nové skrutky utiahnu silou  takmer 200 kN, zatiaľ čo hrdzavé ani nie na polovičnú hodnotu. Ak sa k tomu priráta nepresnosť uťahovacieho náradia, potom rozptyl môže byť ešte väčší. Takýto spoj nie je samosvorný a hrozí mu rozpad so všetkými negatívnymi dôsledkami. Opačný prípad môže nastať, keď konštruktér pri dimenzovaní spoja počíta s vyšším koeficientom trenia ako je skutočnosť. Kombinovaným účinkom montážnej a prevádzkovej sily môže dôjsť k prekročeniu pevnosti materiálu a k nadväznej deštrukcii.

 


Trenie u skrutkových spojov sa netýka iba kovových prvkov. Napr. populárna matica podľa DIN 985 je opatrená nylonovým poistným krúžkom, ktorý je počas montáže vystavený účinku trecích síl. Tieto sily pri vysokej rýchlosti otáčania majú za následok vývin nadmerného tepla a nadväznú degradáciu nylonu (obr. 4). Takáto matica nielen, že už nie je viac použiteľná, ale zmenou koeficientu trenia negatívne ovplyvňuje podmienky montáže.

 


Samostatnou kapitolou sú tribologické pomery skrutkových spojov po montáži, t. j. keď majú plniť svoju funkciu v prevádzkových podmienkach. Nutné podotknúť, že podmienky, za ktorých pracujú mnohé konštrukčné uzly sú niekedy veľmi drastické. Okrem agresívneho prostredia sú to hlavne vibrácie a dynamické rázy, ktoré pôsobia na relevantné konštrukčné uzly. Ako príklad môžu slúžiť kompresory, čerpadlá, zbíjacie kladivá, ťažobné zariadenia, valcovacie trate, obrábacie stroje, dopravná technika a i. Všade tam dochádza k nebezpečnému samovoľnému uvoľňovaniu skrutkových spojov. Primárnou príčinou sú síce spomínané drastické podmienky, ale tzv. sekundárnou kompetenciou disponuje trenie. Absencia potrebných hodnôt koeficientu trenia dovoľuje totiž skrutkovým spojom sa nekontrolovane uvoľňovať. Následky, žiaľ neraz tragické, sú mementom. Dlhý by bol rad prípadov havárií z titulu uvoľnených skrutiek. Podľa štatistiky z USA až 21 % všetkých servisných úkonov na automobiloch sa týka povolených skrutiek. U nás podobné štatistiky nie sú k dispozícii, to však neznamená, že je všetko v poriadku. Skúsení vodiči kamiónov by o tom vedeli vyprávať. Nie jeden sa vrátil z jazdy s chýbajúcou maticou na kolese. Pochopiteľne, že výrobcovia automobilov to majú konštrukčne vyriešené a vodiči nemusia mať strach. Horšie je to však po amatérskej výmene kolesa napr. v garáži alebo priamo na ceste. Vrelo sa odporúča v takom prípade navštíviť servis.  

Opatrenia
Najlepší patent na istenie skrutkových spojov voči ich samovoľnému uvoľňovaniu má príroda. Hrdzavé a zapečené skrutky na obr. 5 sú toho dôkazom. Nie vždy je však príroda naporúdzi, preto sa musí človek spoliehať iba na seba. V súčasnosti existuje niekoľko spôsobov istenia, ktoré je možné rozdeliť na axiálne a radiálne. Axiálne metódy sú založené na zvýšení trenia na dosadacích plochách. Patria sem rôzne ozubené, či rebrované podložky a skrutky a matice s integrovanou profilovanou prírubou (obr. 6). Tieto prvky sú vysoko efektívne, ich spoločnou nevýhodou je však strata účinku pri poklese predpätia spoja a zanechávanie nepríjemných odtlačkov na spájaných dieloch.

 


Typickým reprezentantom radiálnych metód istenia je už spomínaná matica DIN 985 (obr. 4), ktorá prostredníctvom nylonového krúžku silovo pôsobí na závit skrutky. Do tejto kategórie možno zaradiť aj aplikáciu anaeróbnych lepidiel na závit. Nevýhodou je malá odolnosť voči zvýšenej teplote a prakticky žiadna opakovateľnosť.
Pochopiteľne, sortiment externých poistných spojovacích prvkov a metód istenia je podstatne širší. Žiadna metóda však nie je univerzálna, preto je vždy dôležité správne konštruktérske rozhodnutie.  

Záver
Ako bolo ukázané, trenie je jedným z najdôležitejších faktorov správnej funkcie skrutkových spojov. Od trenia v značnej miere závisí bezpečnosť celej konštrukcie. Je nezastupiteľnou úlohou konštruktéra poznať podmienky, za ktorých bude budúca konštrukcia pracovať a zvoliť optimálny spôsob istenia dôležitých uzlov. Skrutkové spoje patria medzi ne a treba im preto venovať primeranú pozornosť.

 


Jozef Dominik

www.ferodom.sk

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
4 + 7 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd