WSPÓŁDZIAŁANIE SIŁ W POŁĄCZENIACH ŚRUBOWYCH
Zaleca się, oczywiście, aby połączenia gwintowane charakteryzowały się niezawodnością i aby nie występowało w nich ryzyko poluzowania. Aby zapewnić najwyższy poziom niezawodności, istotne znaczenie ma to, aby użytkownik dysponował określoną wiedzą o siłach, które mogą wystąpić w połączeniu śrubowym, którego każdy element ma wpływ na wynik końcowy.
| Rys. 1 | Rys. 2 |
 |  |
Mówiąc ogólnie, w połączeniach śrubowych istnieją dwa typy obciążeń statycznych:
- Bez siły zacisku - siła jest przenoszona pomiędzy płytami przez siły spęczniające i ścinające w korpusie śruby lub gwintu. Łączone płyty przesuwają się względem siebie do momentu, w którym otwory wygenerują opór na korpus śruby lub gwint. W tym przypadku na śruby oddziałuje siła ścinająca (obciążenie poprzeczne), (patrz Rys. 1).
- Z dużą silą zacisku - siła ta zapobiega przesuwaniu się części połączonych ze sobą i jest przenoszona poprzez tarcie; obciążenie oddziałuje na śruby na ich przedłużeniu (obciążenie osiowe), (patrz Rys. 2)
Wzajemne przemieszczenie łączonych części jest z reguły efektem niepożądanym.
Konieczne jest zatem zastosowanie dostatecznej siły zacisku w połączeniu śrubowym. Jest to obciążenie wstępne osiągane po dokręceniu nakrętki lub śruby.
Jeśli siły konstrukcyjne zmieniają regularnie swój kierunek lub są niestałe, mamy wówczas do czynienia z obciążeniem dynamicznym. W dalszej części wykażemy, że obciążenie dynamiczne może być jedną z przyczyn nie tylko poluzowania połączeń śrubowych, lecz również złamania śruby.
Aby złącze spełniało swoją funkcję, zwłaszcza w obecności obciążenia dynamicznego, musi być zapewnione utrzymanie siły zacisku.
Złącze gwintowe jest zespołem sprężynującym
Podczas projektowania i wykonywania połączeń gwintowych istotne jest zrozumienie, że:
- śruby i połączone elementy działają jako zespół sprężynujący: łączone elementy są ściskane elastycznie, śruba zaś rozciąga się podczas montażu; w przypadku dalszego rozszerzania na skutek obciążenia zewnętrznego, ściskane części wrócą do pozycji wyjściowej,
- siła rozciągająca w śrubach równa się sile nacisku na ściśniętych elementach (patrz Rys. 3).
Rys. 3
Fpm= siła rozciągająca w śrubie
Fsm= siła nacisku na elementach zaciskanych
Wzajemne oddziaływanie sił i odkształceń jest przedstawione w tzw. trójkącie sił/odkształceń (patrz Wykres A poniżej). Linia 1 wskazuje odkształcenie, jakiemu ulega śruba na skutek oddziaływania siły rozciągającej. Linia 2 odnosi się do zespołu elementów ściskanych, który odkształca się pod wpływem siły nacisku generowanej przez śrubę.
fsm = wydłużenie śruby na skutek siły docisku Fm
fpm = ściskanie elementów łączonych na skutek siły docisku Fm
Na powyższym wykresie widać, że przy sile zacisku Fm wydłużenie śruby jest równe wartości fsm oraz że ściskanie elementów odpowiada wartości fpm. Ponieważ śruby wykonuje się z różnych materiałów, a elementy ściskane nie są jednakowe – podobnie jak w przypadku konstrukcji – wartości fsm i fpm z reguły nie są sobie równe.
Na takie połączenie śrubowe oddziałuje obciążenie zewnętrzne Fa (patrz Rys. 4).
Rys. 4
Jeśli na wykresie A naniesiemy zewnętrzną siłę rozciągającą Fa, konieczne wówczas będzie umieszczenie jej pomiędzy obydwiema charakterystykami odkształcenia. Jeśli śruba ulegnie rozciągnięciu na skutek siły zewnętrznej, ściskany materiał cofnie się w analogiczny sposób (patrz Wykres B).
Fm = pierwotna siła zacisku w połączeniu
Fa = zewnętrzne obciążenie osiowe
Fpa = redukcja siły zacisku na skutek obciążenia Fa
Fsa = wzrost obciążenia śruby na skutek obciążenia Fa
Fkr = resztkowa siła zacisku w połączeniu
Fs = obciążenie całkowite na śrubie
Śruba o większym poziomie elastyczności generuje mniejszy przyrost obciążenia śruby
Z jednej strony Fa redukuje siłę zacisku (Fpa), z drugiej zaś zwiększa obciążenie śruby (Fsa).
Zaleca się zatem, aby przyrost obciążenia był jak najmniejszy nie tylko, aby zapobiec przeciążeniu śruby, lecz również sytuacji, w której – przy dynamicznym obciążeniu zewnętrznym – śruba będzie wykrywała jedynie fluktuacje obciążenia Fsa. Zbyt duża amplituda obciążenia Fsa może spowodować pęknięcie zmęczeniowe. Ponadto, resztkowa siła mocowania Fkr nie może być nigdy równa 0! W przeciwnym wypadku połączenie rozpadnie się.
Wzrost obciążenia Fsa można zredukować do najmniejszego, dopuszczalnego poziomu za pomocą wysoce elastycznej śruby. W rezultacie, krzywa odkształcenia śruby będzie mniej stromą charakterystykę. Widać wówczas, że siła zewnętrzna jest absorbowana o wiele bardziej poprzez redukcję siły zacisku (patrz Wykres C).
Ten sam efekt można uzyskać przy ściskaniu bardzo sztywnych materiałów: w rezultacie, krzywa odkształcenia materiałów ściskanych staje się bardzo stroma, a siła zewnętrzna jest niemal w całości pochłaniana przez redukcję siły zacisku (patrz wykres D).
Ściskane materiały o dużej sztywności będą generowały mniejszy wzrost obciążenia śruby.
Podsumowanie
Szczególnie w przypadku obciążenia dynamicznego niezwykle istotne jest to, aby wszelkie dodatkowe obciążenia na śrubie były jak najmniejsze, gdyż nadmierne zmęczenie może skutkować nagłym pęknięciem.
W przypadku obciążenia zewnętrznego, w celu maksymalnego ograniczenia dodatkowej siły śruby należy:
- zastosować dostatecznie sztywne elementy konstrukcyjne,
- zastosować śluby elastyczne (opcjonalnie):
- w tym celu należy wybrać wysoki stosunek długości do średnicy zacisku (≥ 5xD)
- zastosować gwint o większej długości,
- w razie potrzeby użyć trzpienia o zredukowanej średnicy (zredukowane śruby trzpieniowe),
- siła zacisku musi być jak największa (nie może być mniejsza od obciążenia zewnętrznego).
