Interakcia v závitom spoji

Všetci by sme si samozrejme želali, aby bol závitový spoj spoľahlivý a teda nebolo by žiadne riziko jeho povolenia. Pre vysoký stupeň spoľahlivosti je extrémne dôležité, aby ste pochopili sily, ktoré pôsobia na spojenie skrutky. Je to dôležité preto, že každá súčasť spojenia ovplyvní konečný výsledok.

Obrázok 1	Obrázok 2

V jednoduchom vyjadrení sú dva typy statického zaťaženia v skrutkovom spoji:

Bez upínacej sily – sila je prenášaná medzi doskami tým, že narúša sily a šmykové sily v tele skrutky, alebo závite. Dosky, ktoré majú byť spojené sa pohybujú jedna k druhej kým nie je otvor na tele skrutky, alebo na závite. V prípade, že skrutky sú zaťažené na strihanie (priečne zaťaženie), pozrite obrázok 1.
S vysokou upínacou silou - táto upínacia sila zabraňuje premiestňovaniu častí, ktoré upíname. Sila je prenášaná trením. Skrutky sú zaťažené na rozšírenie (axiálne zaťaženie), pozri obrázok 2.

Zvyčajne nie je žiadúce vzájomné posúvanie častí, ktoré majú byť spojené.

Tu musíme aplikovať dostatočnú upínaciu silu v skrutkovom spojení. Toto je predpätie, ktoré sa dosiahne po utiahnutí matice, alebo skrutky.

Ak sily pravidelne menia smer, alebo nie sú konštantné, potom je tu dynamické napätie. Nižšie je ukázané, že dynamické napätie môže byť jedným z dôvodov pre uvoľnenie skrutkového spoja, alebo dokonca pre zlomenie skrutky.

Ak chceme úplne naplniť ich funkčnosť, hlavne ak funguje dynamické napätie musí byť udržiavaná upínacia sila.

Závitový spoj je elasticky pružná jednotka

Keď navrhujete a tvoríte závitový spoj je veľmi dôležité pochopiť nasledovné:

Skrutka a časti, ktoré sú spojené fungujú ako elasticky pružná jednotka: upínané častí sú elasticky stlačené, kým sa skrutka natiahne pri montáži. Skrutka sa natiahne ďalej, vďaka vonkajšiemu napätiu sa upínané časti stiahnu späť;
Ťahová sila v skrutkách je taktiež rovnaká ako tlaková sila na upínané prvky. Ukážeme to na obrázku číslo 3.

Obrázok 3

Súhra síl a deformácie je prezentovaná a tiež nazývaná silový/deformačný trojuholník, pozri graf A (nižšie). Riadok 1 v grafe ukazuje deformáciu, ktorou skrutka prejde vďaka ťahovej sile. Riadok 2 ukazuje upínaciu sadu, ktorá sa deformuje pod vplyvom tlakovej sily na skrutku.

fsm = predĺženie skrutky v dôsledku upínacej sily Fm

fpm = stlačenie upínacích prvkov v dôsledku upínacej sily Fm

V grafe vyššie môžete vidieť, že s upínacou silou FM je predĺženie skrutky rovnaké ako fsm a potom stlačenie upínacích častí je fpm. Pretože materiály používané pre skrutky a upínacie časti sú rozdielne, tak isto ako aj návrh, fsm a fpm zvyčajne nie sú rovnaké.

Pre tieto skrutkové spoje aplikujeme externé napätie Fa , pozrite obrázok 4.

Obrázok 4

Ak zakreslíme túto externú ťahovú silu Fa na graf A, potom to bude sedieť medzi obe deformačné charakteristiky. Ak sa skrutka naťahuje vďaka externej sile, upínací materiál sa o toľko vráti späť, pozrite graf B.

Fm = originálna upínacia sila v spojení

Fa = vonkajšie axiálne napätie

Fpa = zníženie upínacej sily v dôsledku Fa

Fsa = zníženie napätie skrutky v dôsledku Fa

Fkr = zvyšková upínacia sila v spojení

Fs = úplné zaťaženie skrutky

Elastická skrutka spôsobí menšie zvýšenie zaťaženia skrutky

Z jednej strany Fa prináša zníženie upínacej sily (Fpa) a z druhej strany prináša zvýšenie v zaťažení skrutky (Fsa).

Chceli by sme, aby zvýšenie zaťaženia bolo také malé ako je možné, nie iba preto, aby sme predchádzali pretočeniu skrutky. Je to aj preto, že ak je vonkajšie zaťaženie dynamické, skrutka bude cítiť len kolísanie vo Fsa. S rozkmitom týchto síl je Fsa veľká, toto môže skoro priniesť zvýšenú možnosť zlomenia kvôli únave. Navyše, zvyšková upínacia sila Fkr nikdy nemôže byť nulová! Ak sa to stane, spojenie sa roztrhne.

Zvýšenie v napätí skrutky Fsa môže byť limitované najviac ako je to možné použitím veľmi elastickej skrutky. Výsledkom je, že deformačná krivka skrutky je menej strmá. Čo vidíme je, že externá sila je absorbovaná oveľa viac redukciou v upínacej sile, pozrite graf C.

Rovnaký efekt dosiahneme použitím veľmi tuhého upínacieho materiálu: výsledkom je, že deformačná krivka skrutky je menej strmá a vonkajšia sily je skoro úplne absorbovaná redukciou v upínacej sile, pozrite graf D.

Pevnejšie upnuté materiál spôsobia menšie zvýšenie zaťaženia skrutky.

V skratke

Obzvlášť s dynamickým napätím je extrémne dôležité, aby sme udržiavali dodatočné zaťaženie na skrutke čo najnižšie: kvôli únave môže byť spôsobená náhla fraktúra

S vonkajším zaťažením, v snahe limitovať dodatočné sily tak ako je to možné:

Konštrukčné prvky musia byť čo najpevnejšie
Upínacia sila musí byť taká veľká ako je možné, určite väčšia ako vonkajšie napätie
Elastické skrutky môžu byť použité: ak si vyberiete vyššiu upínaciu dĺžku /priemer (≥ 5xD) - vyberiete si väčšiu dĺžku závitu - ak je to potrebné použite znížený priemer stopky (redukované stopky skrutiek)