Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta
Ústav techniky a automobilové dopravy
Jištění šroubového spoje Bakalářská práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Michal Černý, CSc.
Michal Urbanec
Brno 2011
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Jištění šroubového spoje vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF Mendelovi univerzity Brně. dne …….. Michal Urbanec
Abstrakt
Předkládaná práce stručně řeší problematiku odolnosti šroubového spoje proti provozním vibracím, jeho případného uvolnění při náhodném elastickém přetížení v oblasti pracovní části provozního diagramu předepjatého spoje a v neposlední řadě proti možné disfunkci rozebíratelného spoje v případě absence šroubu (spojení typu B), resp. i matice (spojení A) v reálné technické praxi. Přehledně vykresluje podstatu závitového působení ve smyslu nakloněné roviny a celkový princip využití tohoto spojení u strojních struktur. Součástí bakalářské práce je i originální návrh jištění fixační polohy šroubu v důsledku jeho sevření v závěrné části závitu matice (u spojení B), které využívá právě redukci průměru nosné části závitu a v důsledku toho pak snížení polohy závitového profilu.
Klíčová slova: jištění šroubového spoje, metody jištění, tření, navrhování šroubového spoje
Abstract
The present work briefly addresses the issue of screwed joint resistance to operating vibrations, resistance to potential slackening of the joint in the event of random elastic overloading in the area of the pre-stressed joint’s working part, and, last but not least, resistance to potential dysfunction of the removable joint in cases of absence of the screw (Joint B), or even the nut (Joint A) in real technical practice. The work outlines the nature of the thread influence as an inclined plane, and the general principle of this joint type application in machine structures. The bachelor’s thesis also includes an original design of the screw fixing position locking as a result of clamping the screw in the locking part of the nut thread (Joint B), which makes use of the reduction in the thread bearing part, and, consequently, the lowered position of the threaded profile.
Keywords: securing bolt connection, methods of protection, fiction, bolted joint design
Poděkování Na tomto místě bych chtěl poděkovat doc. Ing. Michal Černý, CSc. vedoucímu práce za velice podnětné rady a odbornou pomoc při vedení bakalářské práce.
OBSAH ÚVOD 1.
2.
PRINCIPY FUNKCE ŠROUBOVÉHO SPOJE................................................. 10 1.1
PŮSOBENÍ MONTÁŽNÍ METODY NA ŠROUBOVÝ SPOJ ............... 11
1.2
FAKTOR UTAHOVÁNÍ αA ..................................................................... 12
1.3
TŘENÍ ....................................................................................................... 13
1.4
NAVRHOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE ............................................... 15
UVOLŇOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE .......................................................... 17 2.1 2.1.1
UVOLNĚNÍ .............................................................................................. 17 POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE PROTI UVOLNĚNÍ
S POUŽITÍM KONSTRUKČNÍCH PRVKŮ ..................................................... 19 2.1.2
POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE PROTI UVOLNĚNÍ
S POUŽITÍM TVAROVÉHO SPOJENÍ............................................................. 20 2.1.3
POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE S POUŽITÍM TZV.
„CHEMICKÉHO JIŠTĚNÍ.................................................................................. 21 2.1.4
ŠROUBOVÉ SPOJE BEZ VŮLE......................................................... 23
2.2
POVOLENÍ MATIC A ŠROUBŮ ............................................................ 24
2.3
ZTRÁTA PRVKU ŠROUBOVÉHO SPOJENÍ........................................ 26
2.4
SESEDÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE ....................................................... 28
2.5
SAMOVOLNÉ VYŠROUBOVÁNÍ ŠROUBŮ A MATIC ...................... 28
2.6
DŮSLEDKY POVOLENÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE V PRACOVNÍM DIAGRAMU ............................................................................................. 29
3.
KONSTRUKČNÍ OPATŘENÍ PROTI UVOLNĚNÍ......................................... 29 3.1
4.
HODNOCENÍ ZKOUŠKAMI CHOVÁNÍ ŠROUBŮ A MATIC ............ 31
VLASTNÍ METODA JIŠTĚNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE................................. 32 4.1
PRINCIP.................................................................................................... 32
4.2
METODA ÚPRAVY ZÁVITNÍKU A JEHO APLIKACE ...................... 33
4.3
VYROBENÍ ZKUŠEBNÍHO OBROBKU ............................................... 34
5.
4.4
ZHOTOVENÍ ZÁVITU ............................................................................ 34
4.5
DISKUZE VÝSLEDKŮ ........................................................................... 36
ZÁVĚR ................................................................................................................... 37
LITERATURA.............................................................................................................. 38 SEZNAM OBRÁZKŮ .................................................................................................. 39 SEZNAM TABULEK................................................................................................... 41
ÚVOD Spojování materiálu šroubovými spoji vždy patřilo k nejstarším druhům spojování. Rozmanitost šroubů se jistě s porovnáním s dřívějškem podstatně změnila, stejně tak i šroubovací postupy. S využitím nových postupů, výpočtů a bezpochyby i počítačů se rozměry šroubů stále více zmenšují. V moderní době se stále více požívají multifunkční spojovací prvky. Přes tento technický pokrok se pro bezpečné zvládnutí šroubového spoje stále ještě předpokládá, že za všechny důležité parametry a spolehlivost odpovídá konstruktér. Provozní bezpečnosti dosáhneme pouze tehdy, pokud se sladí výpočet, utváření šroubového spoje, způsob montáže a v neposlední řadě způsob jištění šroubů. Volba ideální techniky spojování závisí především na použití konečného výrobku, na jeho životnostním cyklu a na jeho pozdějším znovuzhodnocení a likvidaci. Důležité jsou však také úspory z titulu racionální montáže, jakožto i zjednodušení údržby a oprav. Dotažením matice šroubu vzniká dostatečné tření, které v klidném provozu zabrání samovolnému uvolnění spoje. Otřesy se však může spoj uvolnit, a proto je nutno jej zajistit. Jištění šroubových spojů bude mít v budoucnu stále větší význam, protože při výpočtu šroubových spojů nemohou být vždy zohledněny všechny ovlivňující parametry.
9
1. PRINCIPY FUNKCE ŠROUBOVÉHO SPOJE Šroubový spoj si lze funkčně představit takto, šroub by mohl působit jako tažná pružina, zatímco příruba by byla tlačnou pružinou. Účinkem montážní síly předpětí se šroub při montáži pružně prodlužuje. Vzniká tzv. „paket pružin“ při stlačování dvou desek dohromady. V tomto „paketu pružin“ šroub reaguje obvykle „měkčeji“ než tuhé sešroubované části. Když se šroubový spoj montuje a předepíná montážním nástrojem na montážní sílu FM, může se znázornit pružné prodloužení šroubu popřípadě pružné stlačení desek (Obr. 1) ve schématu upnutí (Obr. 2).
Obr. 1: Pružné prodloužení (f SM ) a zkrácení (f PM )
Legenda značek: FM
= montážní předpětí
fSM
= prodloužení šroubu účinkem FM
FS
= síla šroubu
FA
= vnější axiální provozní síla
FKR
= zbytková svěrací síla v dělících spárech při odlehčení účinkem FPA
FSA
= rozdílová síla, podíl provozní síly FA , kterou je šroub přídavně
zatěžován FPA
= podíl provozní síly FA, která upnuté dílce odlehčuje
10
Hodnota fSM je zvětšována silou předpětí FM a desky se současně stlačují o hodnotu fPM. Tzv. dodatečné „sesedání“ šroubového spoje je způsobeno případnou drsností dělících ploch nebo těsnění. V tomto případě dochází k úbytku napětí, tj. svěrná síla se zmenšuje. Přiloží-li se přídavné axiální zatížení (tzv. provozní) FA, šroub se přídavně zatíží jen o podíl FSA a prodluží se. Přitom se stlačené desky trochu uvolní. Síla sevření klesá o hodnotu FPA na zbytkovou svěrací sílu FKR.
Obr. 2: Schéma upnutí
1.1
PŮSOBENÍ MONTÁŽNÍ METODY NA ŠROUBOVÝ SPOJ Vzájemným utažením matice nebo šroubu se svírané části stlačují. Nadále by
nemělo docházet k jejich vzájemnému posunutí. Aby se docílilo kvalitního šroubového spoje je zapotřebí zbytková svěrací síla FKR, která se přiloží skrze sílu předpětí působením vypočítaného kroutícího momentu (utahovacího) nebo stanoveného utahovacího momentu. Je známým faktem, že příliš utažený šroubový spoj může způsobit prasknutí a na druhou stranu, při nedostatečném utažení šroubového spoje může dojít k jeho uvolnění, a to v případě zatížení (dynamického) či vlivem únavy materiálu se může stát, že se spoj zničí či poruší. Následující diagram (Obr. 3) znázorňuje utahovací kroutící momenty (tzv. podle citu) ve srovnání s předepsanými hodnotami. Tento pocit ovlivňuje zcela jistě i tvar klíče. Je známo, že šrouby do M8 se utahují většinou příliš silně a šrouby nad velikost M14 se s pomocí ruční síly nemohou dotáhnout na předepsané předpětí. Z toho plyne, že čím přesněji se zvolí utahovací 11
způsob, tím menší šroub se může vybrat pro daný úkon. Tím se samozřejmě celá konstrukce stane menší, lehčí a hospodárnější.
Obr. 3: Rozptyl utahovacích momentů
1.2
FAKTOR UTAHOVÁNÍ αA Již při konstruování šroubového spoje je zapotřebí stanovit přesnou hodnotu
utahovacího způsobu, aby se při montáži dosáhlo požadované síly předpětí. Faktor utažení αA definuje přesnost utahovacího způsobu a tím ovlivňuje dimenzování šroubu.
Správný způsob utažení závisí na příkladu následující tabulky (Tab. 1). Popřípadě správný utahovací nástroj a tím stanovit faktor utažení αA. Před samotným spojováním materiálu musíme zjistit, zda je možné pomocí dražšího utahovacího způsobu s nízkým αA zvýšit celkovou hospodárnost. Šrouby se mohou volit menší, s rostoucí přesností. Tím zmenšíme celou konstrukci a snížíme náklady.
12
Utahovací faktor αA
1
1
1,2 až 1,6
1,4 až 1,6
Rozptyl
Způsob utahování
Postup nastavení
Motorické nebo ruční ±5 až utahování, Není zapotřebí ±12 řízené mezí průtažnosti Motorické Pokusné určení nebo ruční předběžného utahování, ±5 až utah. Momentu řízené ±12 a úhlu kroutícím pootočení momentem Nastavení ±9 až Hydraulické prostřednictvím měření délky ±23 utahování popřípadě tlaku Pokusné Utahování, určování řízené předepsaných kroutícím utahovacích momentem momentů na ±17 až originálním s použitím ±23 moment. šroubovacím dílci, např. Klíče nebo přesného dálkovým utahováku měřením šroubu
Poznámky
Rozptyl síly předpětí je podstatně určován rozptylem meze průtažnosti v použité partii šroubů. Dimenzování šroubů je zde pro FM min faktor utažení pro tyto metody utahování proto odpadá.
Nižší hodnoty pro dlouhé šrouby, vyšší hodnoty pro krátké šrouby
Nižší hodnoty pro velký počet nastavovacích popř. kontrolních zkoušek, malý rozptyl vyvíjeného momentu, elektronické omezení kroutícího momentu během montáže u přesných utahováků
Tab. 1: Znázornění možných zohledňujících faktorů (jedná se pouze o výpis)
1.3
TŘENÍ Další věc, kterou je nutné brát v potaz, je bezpochyby tření, které se zohledňuje při
dimenzování šroubů. Působí při utahování pod hlavou, pod maticí a v samotném závitu. Z toho plyne, že utahovací moment musí být zvýšen a tím bude šroub zatěžován silněji a musí být tím pádem i patřičně dimenzován. Je proto nezbytné a hospodárné dodržovat ve výrobě drsnosti povrchu obrobků podle údajů konstrukce a totéž platí pro případné mazání závitu. Pro příklad v následující tabulce (Tab. 2) jsou koeficienty tření pro závity a dosedací plochy, ze směrnice pro výpočet šroubových spojů.
13
Tab. 2: Koeficienty tření pro různé stavy povrchu a mazání v závitu
Na příklad: šroub se šestihrannou hlavou s třídou přesnosti 8. 8, rozměrem M 12 se při správném utažení s 87Nm (µ celk = 0, 14) bude předpětí 38,5 kN. Pokud se šroub náhle namaže (µ celk = 0, 1) a moment utahování se nezmění, vznikne síla předpětí 55,5 kN to znamená, že je to 32, 2 % navíc. To by mohlo vést k přetržení šroubu. Také je třeba zohlednit rozptyl síly předpětí FM při rozptylu utahovacího momentu MA a koeficientu tření µ (Obr. 4). Při malém rozptylu utahovacího momentu, činící tak ±12 % a při rozptylu součinitele tření µ o ± 15 % jako důsledek rozdílného mazání nebo rozdílné drsnosti povrchu, výsledná síla předpětí bude mít rozptyl větší než ± 27 %. Je nutno volit šroub tak, aby při maximálním tření a minimálním utahováním utahovacím momentem, ještě vytvářel potřebnou montážní sílu předpětí FM min. Na druhou stranu, při utahovacím momentu maximálním a minimálním tření šroub nemá být příliš utažen. Následkem by mohlo být zničení šroubu.
14
Obr. 4: Rozptyl síly předpětí FM při rozptylu utahovacího momentu MA a koeficientu tření µ
1.4
NAVRHOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE Při navrhování šroubového spoje musíme brát v potaz dimenzování šroubového
spoje s přihlédnutím ke všem ovlivňujícím veličinám. Spadá sem výroba i montáž. Měl by se na základě známého namáhání vypočítat rozměr šroubu a přitom zohlednit parametry, které jsou znázorněny i ve schématu, jako hlavní dimenzovací veličiny (Obr. 5): a) montážní síla předpětí FM bude v závislosti na přesnosti montážního postupu a vlivem rozdílných třecích poměrů kolísat mezi FM max až FM min. Činitelem utažení se tento rozptyl zohlední b) vlivem případného sesedání může dojít ke ztrátě síly FZ c) šroub, který zvolíme (např. šrouby s třídou pevnosti 8.8, 10.9 atd.) musí být schopen přenášet montážní předpínací sílu FM max
15
d) protože se z 90 % využívá mez průtažnosti šroubu při utahování je třeba provést kontrolu, zda šroub není zatěžován přídavným podílem provozní síly FSA nad mez průtažnosti e) amplituda kmitavé síly při dynamickém zatěžování šroubového spoje nesmí překročit únavovou pevnost šroubu, jinak dochází k únavovému lomu v důsledku únavy materiálu. Únavová pevnost je podstatně nižší a nezávisí přímo na obecných pevnostních vlastnostech šroubu f)
dále zohledňujeme pevnost sešroubovaných částí (dílců), dovolená mezní pevnost v tlaku materiálu nesmí být pod hlavou šroubu nebo pod maticí překročena
Vycházíme z hlavního dimenzovacího vzorce: 1) =
Obr. 5: Znázornění hlavních dimenzovacích veličin ve schématu
16
2.
UVOLŇOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE Rozlišujeme tři základní kategorie při jištění šroubových spojů. A to jištění proti
uvolnění, jištění proti povolení a jištění proti ztrátě (Obr. 16). Existuje také možnost sloučení více druhů jištění do jediného prvku. jako je tomu u multifunkčních jistících prvků. Jištění proti sesedání zabraňuje povolení
2.1
UVOLNĚNÍ Uvolnění je způsobeno převážně silami působícími v axiálním směru. Nerovné
stykové plochy se vyrovnávají, těsnění, která jsou vložena do šroubového spoje se mohou uvolnit. Provozní zatížení může vyvolat plastické protažení spojovacího prvku. Předpětí se zmenšuje a spoj si tzv. „sedá“. Matice či šroub se při tom netočí! Jištění proti sesedání obsahuje maximální povolené snížení plošného tlaku nebo zvýšením elastičnosti spojení. Jestliže není možné nějaký šroubový spoj dostatečně pojistit proti uvolnění konstrukčními opatřeními, popřípadě je nutno počítat se ztrátou síly předpětí vlivem sesedání, jsou zapotřebí přídavné pojistné prvky. Tyto pojistné prvky kompenzují svým pružícím účinkem hodnotu fZ (Obr. 5). Udržují v dělících plochách potřebnou svěrací sílu. K tomu účelu musí být jejich pružící síla vyladěna na sílu předpětí šroubu. Jinak by se již při malé síle předpětí stlačily a jejich účinek by se ztratil. Na příklad se užívají pružné kroužky a podložky ke kompenzaci jevů sesedání. (Obr. 6), dále sem patří talířová pružina, ozubená podložka, vějířová podložka, pružná podložka se dvěma břity, atd.
Obr. 6: Možnosti eliminace jevů sesedání pomocí pružných prvků
17
Dalším způsobem jak eliminovat sesedání je použití prvků, které omezují uvolňování a to a) šroub s válcovou hlavou a přírubou, b)šroub s šestihrannou hlavou a přírubou, c)šroub s šestihrannou hlavou s vydutou integrovanou podložkou, d)matice se svěrnou částí, e) šroub s čočkovou hlavou s vydutou integrovanou přírubou, f) šroub s čočkovou hlavou a odsazenou přírubou, g) a h) jsou pouze příklady podložek (Obr. 7).
Obr. 7: Příklady šroubů, matic a podložek omezující sesedání
V dnešní době se ve velké míře používá tzv. systém NORD-LOCK, který zabrání uvolnění spoje zvýšením napětí. Tato metoda využívající napětí místo tření je upravena normou. Je to metoda založena na principu závěrného klínu a je tvořena párem podložek (Obr. 8), které jsou z jedné strany opatřeny klíny s úhlem větším, než je stoupání závitu, na druhé straně každé podložky jsou navíc radiální zuby. Při montáži šroubového spoje se zkompletovaný a slepený pár podložek nasadí pod hlavu šroubu nebo matice tak, aby do sebe zapadaly jejich klínové plochy. Radiální zuby zajistí, že k posunu může dojít právě jen na klínových plochách, nikoli mezi plochou spojované součásti a hlavou šroubu nebo maticí. Klínový efekt vyvolá přírůstek svěrné síly, a tak vyloučí jakékoli pootočení a uvolnění šroubu nebo matice, což zároveň zaručí spolehlivost šroubového spoje. S pomocí tohoto systému dosáhneme bezpečnost šroubového spoje namáhaného vibracemi, umožňuje snadnou a opakovatelnou montáž a demontáž. Jelikož toto jištění nezávisí na tření umožňuje promazání šroubového spoje. Spolehlivě zajišťuje spoj jak při malých tak velkých předpětích. Způsobuje minimální
18
poškození povrchu spojovaných částí. Využívá se zejména v automobilovém průmyslu, stavebních strojů a u zemědělské techniky atd.
Obr. 8: Znázornění základního principu systému NORD-LOCK
Pro dosažení stanovené síly předpětí ve spoji je nutné určit potřebný utahovací moment. Čím přesněji je proveden, tím optimálnější konstrukci šroubového spoje lze zvolit. Použitím jakéhokoli způsobu jištění, který zvyšuje součinitel tření závitu nebo součinitel tření na dosedací ploše matice respektive hlavy šroubu, vede k menšímu využití tahové únosnosti šroubu. Naopak při použití podložek NORD-LOCK lze každý realizovaný spoj před montáží důkladně promazat. Tím se sníží součinitel tření jak závitu, tak na dosedací ploše matice respektive hlavy šroubu a zvýší se přesnost dosažení požadovaného předpětí. Současně promazání spojů vede k zúžení rozptylu třecích momentů, což má za následek menší rozptyl skutečně dosažených předpětí v jednotlivých spojích. Menší koeficient tření umožňuje také konstruktérovi zvolit menší rozměr všech komponentů šroubového spoje a snížit hmotnost a cenu dílce. 2.1.1 POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE PROTI UVOLNĚNÍ S POUŽITÍM KONSTRUKČNÍCH PRVKŮ Jeden z prvních způsobu pojištění jsou šrouby o vysoké pevnosti (Obr. 9), které účinkem vyšší síly předpětí FV mohou zabránit případnému vzájemnému posunutí dílců a tím klouzání hlavy šroubu. Předtím je ale nutno zkontrolovat, zda nebyl pod hlavou šroubu překročen dovolený mezní měrný tlak. Další alternativou je zachycení příčné síly popřípadě zabránění posunutí upnutých dílců pomocí šroubů s lícovaným osazením, kolíku či konstrukčního tvarového spoje. Zvýšené náklady jsou často kompenzovány možným přechodem na menší počet nebo menší rozměr šroubu. Bezpochyby i šroubový spoj s větší délkou sevření patří mezi bezpečné metody, jak jej pojistit proti uvolnění. 19
Takové šrouby reagují pružně a mohou sledovat příčné posuny, aniž by se hlava šroubu nebo matice dostala do kluzu. Od délky sevření lk 5d (lk – tloušťka spojovaného prvku, 5d – pětinásobný průměr šroubu) jsou šroubové spoje takto jištěny proti vibracím. Další z konstrukčních opatření, které preventivně působí proti samočinnému vyšroubování, jsou hladké dělící plochy, které zmenšují sesedání a tím ztrátu síly předpětí.
Obr. 9: Spojovací prvky používané při konstrukčním opatření k jištění ŠS proti vyšroubování
Lze použít i spojovací prvky se zvýšenou pružností, které mohou sledovat kývavý pohyb bez prokluzu (Obr. 10). Tyto šrouby s pružným dříkem mají svůj nejmenší průřez v hladkém válcovém dříku. Tímto získávají mimořádně velkou pružnost a mají vysokou trvanlivost držení. Při utahování se má šroub zadržovat za čelní čep, aby se příliš nezkrucoval.
Obr. 10: Šroub s pružným dříkem
2.1.2 POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE PROTI UVOLNĚNÍ S POUŽITÍM TVAROVÉHO SPOJENÍ Další možností pro jištění ŠS proti uvolnění a to metodou jištění hlavy šroubu či matice např. uložením do profilu nebo s pomocí bodového svaru. V hojné míře se využívá plechových podložek, které ohnutím nosu vytvářejí tvarové spojení se 20
šestihrannou hlavou a jsou použitelné nejvýš u šroubů s nízkou pevností za slabého dynamického namáhání (Obr. 11). Těchto podložek se využívá i u matic a šroubů s šestihrannou hlavou od pevnosti 8.8 jako „indikační prvek“ který nám udává, že je spojovací prvek uvolněn. V tomto případě se přiléhající jazýček odkloní.
Obr. 11: Příklady plechových podložek
2.1.3 POJIŠŤOVÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE S POUŽITÍM TZV. „CHEMICKÉHO JIŠTĚNÍ Tato metoda patří zcela jistě k nejrozšířenějším metodám jištění a hlavně k nejpoužívanějším. Nanáší se při montáži nebo je již naneseno jako předběžná vrstva. Po vytvrzení chemická vrstva zaplní závit a zabraňuje mikroposunům. Hodí se pro všechny materiály šroubů a pro všechny třídy pevnosti. Pokud chceme aplikovat tzv. „chemické jištění“ je zapotřebí dodržovat jistá pravidla, aby spoj dosahoval požadované parametry. Prvním parametrem je dodržení čísté a odmaštěné plochy pro nejlepší výsledek. Při montáži závitu je také nutno dbát na případné změny součinitele tření závitu. Jistě by se měl také dodržovat vytvrzovací časy a kontrolovat chemickou odolnost. Lepidla dělíme podle stupně pojištění na 1 - malá síla, šroubový spoj je snadno demontovatelný, dále na stupeň 2 – střední síla, kdy se může šroubový spoj demontovat s pomocí ruční či strojní síly, používá se např. u pojišťování závrtných šroubů velkých průměrů a jako poslední je to stupeň 3 – vysoká síla, což je trvalé jištění ŠS, lze demontovat jen za určitých podmínek (např. za přístupu tepla), využívá se u pojišťování závrtných šroubů, čepů a matic má všeobecné použití a vysokou smykovou pevnost. Jako prvním z příkladů lze uvést lepidlo využívající mikrokapsle, které se používá jako pojistka proti „vytáčení“ s názvem Scotch Grip Precote. Tento druh jištění lze označit jako nejmodernější jištění proti „vytáčení“ šroubů. Drobné částice lepidla jsou uzavřeny v pouzdrech z plastické hmoty. Mikropouzdra jsou uložena v nosné substanci, podobné laku. Touto substancí se šrouby opatřují v podobě předběžné vrstvy.
21
Při zašroubovávání a předpínání v závitu matice se účinkem tlaku mezi boky závitu část pouzder zničí. Takto „vyteklé“ lepidlo se spojí se soustavou pojiva a zcela zaplní mezery mezi maticí a závitem svorníku. Potom následuje vytvrzení, které trvá 3 - 6 hodin. Tento spoj je odolný proti „vytočení“ i za silných vibrací. Předností je jištění integrovaných součástí při montáži, manipulaci a skladování. Má výtečnou chemickou odolnost. Dalším z příkladů je tzv. tekuté anaerobní lepidlo s názvem ThreeBond DELO, které pojišťuje šroubový spoj taktéž proti vytáčení. Toto lepidlo se vytvrzuje pouze tehdy, když nepřijde do styku s kyslíkem (anaerobní). Nanáší se při montáži z lahvičky ručně nebo v případě velkých serií dávkovacím zařízením na jištěný spojovací prvek a zcela se vytvrdí během 3 - 12 hodin. Dodává se ve třech pevnostech a to v nízké pevnosti, která je určena na malé šrouby a na malou vůli v závitu, dále ve střední pevnosti, jenž se využije na běžné jištění šroubů a demontáž s touto pevností je možno provést normálním nástrojem (klíčem) a v poslední řadě ve vysoké pevnosti určené pro šroubové a montážní spoje, které se již nedemontují. Toto lepidlo má širokou paletu uplatnění, což znamená, že pro každé použití existuje ta správná pevnost. Mezi jeho největší přednosti patří zcela jistě to, že u něj nezávisí na průměru šroubového spoje. Mezi nejlepší pojistky v chemickém jištění se bezesporu řadí lepidlo LOCTITE. Používá se jak na demontovatelné spoje, tak na spoje, které již nechceme dále rozebírat. Záleží na použití spoje. Můžeme ho rozdělit dle pevnosti na nízkopevnostní (dají se rozebírat ručním nářadím bez jakýchkoliv problémů, středněpevnostní. které lze také rozebírat ručním nářadím, popřípadě pneumatickým zařízením a v poslední řadě vysokopevnostní, jenž je určen pro trvalé upevňování a utěsňování velkých závitů a závitových spojů, zabraňuje uvolnění či prosakování spoje, které je způsobené vibracemi a rázy, zahrnuje vysoko pevnostní upevňování a těsnění velkých šroubů se značnou tepelnou odolností. Obsahuje v sobě tzv. Tixotropní látky, které zabraňují jeho stečení, ostatně jako u všech typů značky LOCTITE. Dále můžeme využít tzv. „svěrný povlak“, kdy se nanese na jednu část závitu plast, který při dotažení vytvoří svěrný účinek. Axiální prostor mezi závitem šroubu a matice se vyplní plastem a dosáhne se tak velkého plošného tlaku mezi proti sobě ležícími boky závitů bez povlaku. Toto spojení zabraňuje uvolnění při dynamickém zatížení. Svěrné povlaky jsou vícenásobně použitelné.
22
2.1.4 ŠROUBOVÉ SPOJE BEZ VŮLE Nejčastěji se využívá závitotvářecích šroubů (Obr. 12), které sedí ve vytvořeném protizávitu bez vůle. Mikroposuny pod dynamickým zatížením jsou prakticky nemožné. Totéž platí pro konvenční sešroubované spoje, u nichž je vůle v závitu vyloučena vytvrzeným lepidlem. V praxi záleží hlavně na možnostech použití. Používají se závitořezné šrouby pro kovy, které tváří při zašroubování svůj protizávit beztřískově trvalou deformací materiálu. Šetří náklady na řezání závitu. Uložení závitu bez vůle nedovoluje při dynamickém zatížení žádné mikroposuny. Třecí záběr zůstává zachován. Dále se používá šroubů pro plastické hmoty, které se hodí pro přímé sešroubování termoplastů. Také tyto šrouby jsou uloženy bez vůle ve vytvořeném protizávitu. Díky tomu jsou jištěny proti vibracím a nevyžadují přídavné pojistné prvky. V neposlední řadě se dají použít i závitořezné šrouby, kterých se využívá jak u tvrdších kovů, tak u plastických hmot.
Obr. 12: Příklad závitotvářecích šroubů
Mezi nejmodernější racionální spojovací techniku bezesporu patří závitotvářecí šrouby (dle německé normy DIN 7500). Při této metodě v podstatě neřežeme závit (nevznikají třísky), má velice jednoduchou montáž, stejně tak vysokou pevnost a v poslední řadě velkou odolnost vůči vibracím a případné ztrátě. V praxi nejdříve vyvrtáme otvor, nebo jej odlijeme pod tlakem, umístíme šroub nad takto připravený otvor, zašroubujeme a utáhneme. Šrouby při zašroubovávání vytlačují účinkem trvalé deformace základního materiálu svůj metrický závit samy a ještě k tomu bez třísek. To má za následek velkou úsporu nákladů, vysokou produktivitu a žádné provozní poruchy u elektrických součástek (bez třísek). Uložení závitu u sešroubovaných spojů je vždy bez vůle. Proto nemusí být předběžně popřípadě současně montovány pojistné prvky. Závitotvářecí šrouby jsou zušlechťovány na pevnost v tahu 800N/mm2. Vlivem 23
vytlačení materiálu „tváření“ závitu vzniká u hrany otvoru, jako vetšinou také při řezání závitu, malé zesílení, které by při montáži hladkých dílců mohlo vadit. V případě velmi úzkých průchozích otvorů ve svíraném kuse se doporučuje zahloubení okrajů otvoru činící
na hloubku 0,5 – 1 x stoupání závitu P. Tato metoda nevyžaduje žádné
pojistné prvky a zvyšuje úsporu hmotnosti. Tyto šrouby se také využívají proti ztrátě z víka, pokud ho máme jako konstrukční prvek. Ve víku je nutno zvolit průměr průchozího otvoru, který při montáži šroubu umožní vznik jen částečného závitu (závitu s částečným profilem). Když se zašroubují šrouby tenkým dříkem, zůstane pro dřík ve vytvořeném částečném závitu ještě vůle, zatímco tlustší závit šroubu již nemůže zpět. Potřebný průměr otvoru pro závit ve víku je nutno zjistit předběžnými zkouškami.
2.2
POVOLENÍ MATIC A ŠROUBŮ Šrouby nebo matice se mohou otáčet a síla předpětí se zmenší jestliže, jsou
dynamické příčné síly působící na šroubové spojení tak silné, že se sešroubované díly začnou pohybovat do stran. Jištění proti povolení zamezují samočinnému uvolnění spojení. Tyto prvky zachovávají až 80% původní síly předpětí. Z praxe dojdeme k závěru, že ŠS se samočinně tzv. „vytáčejí“ a dochází k selhání z následujících důvodů. První důvod je konstrukční chyba, dále nesprávný způsob jištění a nekontrolované utažení (např. utažení bez momentového klíče). Zpětné pružení předepnuté konstrukční součásti a axiální provozní síla se snaží vyšroubovat šroub silou FS = FV + FSA z jeho závitu matice (Obr. 13). Tzv. „šikmá rovina“ stoupání závitu (Obr. 14) indikuje klouzání na sobě ležících ploch závitů popřípadě „vytláčení“ šroubu účinkem tangenciální síly FtL. Dostředivá síla FN vytváří současně složku třecí síly FtR, která zamezuje šroubu samočinně se vyšroubovávat. K tomu přistupuje jištění účinkem tření na dosedací ploše hlavy. U šroubů s šestihrannou hlavou a u šroubů s válcovou hlavou s vnitřním šestihranem (tzv. imbus) se toto tření podílí na celkovém tření 50%. Bezpochyby i vliv tření při utahování či povolování má svůj význam. Z toho plyne, že samosvornost závitu je určena úhlem tření . Pokud je tento úhel větší než úhel stoupání závitu , šroub je držen a neuvolňuje se.
24
Obr. 13: Ukázka síly FS
Obr. 14: Působící síly při stoupání závitu
Úhel tření má také při velmi dobrém mazání sirníkem molybdeničitým (µ=0,8) stále ještě 2,2 –
, zatímco úhel stoupání závitu
normálního metrického M 3 – M36 obnáší
. To znamená, že při dobrém mazání se samosvornost závitu neztrácí,
samozřejmě, že u jemných závitů s menším úhlem stoupání je samosvornost ještě větší. V případě, kde je nedostatečná svěrací síla nebo je velmi tuhý ŠS může vnější dynamické příčné zatížení vést ke klouzání hlavy šroubu a ke kývavému pohybu závitové části. Tyto mikrokluzy bohatě stačí, aby se zrušil třecí záběr. Úhel
se ztratí,
třecí odpor FtR zmizí a šroub se tzv. „vytáčí“ účinkem síly FtL, až do odstranění síly předpětí FV (obr. 15).
25
Obr. 15: Vliv tření při utahování či povolovaní šroubového spoje
2.3
ZTRÁTA PRVKU ŠROUBOVÉHO SPOJENÍ Ke ztrátě prvku může dojít již při malých vibracích a v případě, že je matka či šroub
již povolen. Když se spojovací prvek účinkem dynamického zatížení povolí, není již mezi dosedacími plochami šroubu (matice) a konstrukční součástí žádný styk. Síla předpětí je nulová a profilování hlav šroubů nebo podložek již není účinné. Aby se zabránilo dalšímu „vytáčení“ spojovacích prvků až k jejich ztrátě i možným škodám, musí se speciálně jistit. Jištění proti ztrátě umožňuje částečné povolení spojovacích prvků, ale zabraňuje jejich ztrátě. Zachováno zůstává až 20% původní síly předpětí.
Obr. 16: Závislost trvalého namáhání na předpětí
26
Uvolnění šroubu způsobuje pokles síly předpětí FZ, tato ztráta vzniká ze sesedání sešroubovaných dílců nebo účinkem prodloužení (trvalého) spojovacího prvku při provozním zatížení. Pokud bude dynamické zatížení pokračovat mohou se povyšroubované šrouby či matice samy zcela vyšroubovat a nakonec ztratit. Pro vyřešení této problematiky se užívá v největším měřítku a) závlačky, b) závlačkou a korunkovou maticí, c) pojistné podložky s nosem nebo d) jazýčkem, e) pojištění několika šroubů drátem a plombou, f) zásek kraje hlavy šroubu do spojovacího materiálu (Obr. 17). Tyto pojistky nemohou zabránit uvolnění spojovacích prvků. Síla předpětí při tom do značné míry klesne (nebezpečí únavového lomu). Avšak, povolený prvek se nemůže ztratit. Toto se nazývá jištění před ztrátou prostřednictvím tvarového spojení. Lze použít i jištění před ztrátou silovým spojením (Obr. 18). Tyto pojistky vyvíjí na závit šroubu mírnou svěrací sílu. Jistý odpor tak brání úplnému vyšroubování. Vyšroubování pouhou rukou většinou již není možné. Pojistné matice vytvářejí svým vzájemným upnutím tlak na závit šroubu. Nemohou však zabránit prvnímu otočení a s tím spojené ztrátě síly předpětí. Doporučuje se utáhnout nosnou matici při montáži jen 85% předepsaného kroutícího momentu, pojistnou matici návazně 100%.
Obr. 17: Způsoby jištění šroubů a matic proti ztrátě
Obr. 18: Jištění před ztrátou silovým spojením přítužnou maticí
27
2.4
SESEDÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE Sesedání vzniká převážně tvořením axiálně působící síly. V (Obr. 19) je znázorněno
sesedání šroubových spojů. Drsné dělící plochy se vyrovnají a tím pádem sešroubované prvky mohou povolit. Daný spoj sesedá a síla předpětí klesá a šroub, ani matice se neotočí, jen se zvětší její svíraný rozměr.
Obr. 19: Sesedání šroubového spoje
2.5
SAMOVOLNÉ VYŠROUBOVÁNÍ ŠROUBŮ A MATIC Vlivem silných dynamických sil FQ se může stát, že díly sešroubované ŠS se
pohybují nekontrolovatelně (Obr. 20) (sem a tam), pak se matice nebo šrouby mohou samovolně vyšroubovat z čehož plyne, že síla předpětí klesne na hodnotu nula.
Obr. 20: Samovolné vyšroubování šroubů a matic
28
2.6
DŮSLEDKY POVOLENÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE V PRACOVNÍM DIAGRAMU Možné povolení ŠS způsobuje pokles síly FZ. Toto povolení vzniká ze sesedání
sešroubovaných dílců nebo účinkem trvalého prodloužení spojovacího prvku pod provozním zatížením. Uvolňování je silně ovlivňováno konstrukčním dimenzováním šroubového spoje. Mezi významné patří velikost a doba statického nebo dynamického zatížení, svěrná délka spoje, stav povrchu (drsnost), počet dělících spár, pružná nebo trvalá deformace spolusevřených součástí (těsnění, nátěr, atd.), volba materiálu (sem patří přípustný mezní tlak), teplotní vlivy (možný rozdíl prodlužování) a jak přesně se dodrží postup při utahování. Účinek ztráty síly předpětí FZ je znázorněn v diagramu upnutí (Obr. 21). Pokud by došlo ke přílišné ztrátě síly předpětí, tak existuje nebezpečí, že zbytková síla FKR v dělící spáře vlivem axiální provozní síly klesne na nulu. Dělící spáry se rozevřou za předpokladu, že těsnění ztrácí svůj účinek, nebo při prahovém zatížení se šroub může zničit v důsledku únavového lomu, či se spoj přídavně zatíží příčnými silami a šrouby (matice) se samočinně vyšroubují.
Obr. 21: Zmenšená síla předpětí FV a zbytková síla předpětí FKR v důsledku sesedání
3.
KONSTRUKČNÍ OPATŘENÍ PROTI UVOLNĚNÍ Sem lze zahrnout pár příkladů, jak preventivně zabránit uvolňování účinkem
sesedání. Čisté a hladké dělící plochy (lakované dosedací plochy by se neměly používat), hrozí tendence k uvolnění. Samozřejmě čím méně dělících spár bude spojení obsahovat tím více se vyvarujeme možnému uvolnění šroubového spoje. Proti možnému uvolnění účinkem sesedání lze použít šrouby se šestihrannou hlavou, nebo 29
s válcovou hlavou s vnitřním šestihranem s přírubou a případná kombinace se šestihrannou přírubovou maticí. Jistě i přesné utažení momentovým klíčem na vypočtenou hodnotu předpětí dopomůže ke správné pevnosti šroubového spoje. Také s použitím šroubů o větší pevnosti s ohledem na přípustný plošný tlak upnutých dílců. Tím dochází k možnému sesedání již při samotné montáži dílců. Další možností je zvýšení poměru délky sevření a tím pružnosti šroubového spoje popřípadě i zařazením přídavného distančního pouzdra a použití pružných spojovacích šroubů či šroubových svorníků s pružným dříkem. Co se týče dotykových ploch mezi závitem šroubu a závitem matice, tak s větší dotykovou plochou se nebezpečí sesedání zvyšuje. Pro spoje s plným průřezem pomocí šroubů se hodnoty sesedání, (když není zjištěno zkouškami pro dané hodnoty) dají zjistit podle vzorce
podle křivky hodnoty sesednutí fZ (Obr. 22). Hodnoty vypočtené či obsažené v grafu můžeme použít jen tehdy, pokud nepřekročíme dovolené měrné mezní tlaky. U rozdílných materiálů se samozřejmě mění i měrné mezní tlaky, které vznikají při montáži pod hlavami šroubů či maticemi. Šroubový spoj se uvolní tehdy, pokud se měrný mezní tlak překročí.
Obr. 22: Hodnota sesednutí fZ závislá na poměru délky sevření lK/d
30
3.1
HODNOCENÍ ZKOUŠKAMI CHOVÁNÍ ŠROUBŮ A MATIC Pomocí zkušebního stroje typu „Junker“ je možné testovat chování šroubového
spoje pod dynamickým zatížením. Zkušebním šroubem a speciální maticí se navzájem sešroubují 2 desky. Pomocí výstředníku se nuceně pohybuje horní deskou vůči spodní sem a tam. Vedle amplitudy je nastavitelný také zkušební kmitočet. Délka sevření šroubových spojů se může měnit prostřednictvím spolusešroubovaných distančních pouzder. Síla předpětí FM se měří prostřednictvím tenzometrických pásů v dolní desce. Jako srovnávací základ pro následující příklady byl použit šroub se šestihrannou hlavou ČSN, třída pevnosti 8.8, M 10 x 35, předpjatý na 90% meze průtažnosti, materiál desek byla zušlechtěná ocel 900 – 1050 N/mm2, zkušební kmitočet se pohyboval na 15 Hz a šroub byl mírně potřený olejem. Jako základ pro následující pokusy sloužilo chování při uvolňování nepojištěného šroubu při délce sevření lK = 20mm (lK / d = 2). Již po 200 cyklech střídavého zatížení se šroub zcela uvolnil, síla předpětí FM totálně poklesla. Klouzáním hlavy šroubu na horní oscilační desce a účinkem mikroposunů sem a tam kmitajícího závitu byl třecí záběr odstraněn. Další výsledky zkoušek: 1) Pružné podložky, upínací podložky, pružné kroužky, ozubené podložky a vějířové podložky dopadly tak, že nezvyšují tření na dosedací ploše. Ozubené a vějířovité podložky jsou u šroubů 8.8 a výše již neúčinné a šrouby se uvolňují. 2) Šrouby s profilovanou dosedací plochou (např. ozubení pod hlavou), žebrované podložky pod hlavou šroubu a chemicky jištěné šrouby mají dobrý pojišťovací účinek, protože profilování se otiskne do materiálu, popř. se pak vytvrdilo lepidlo. 3) Šrouby s povlakem Tuflok se poněkud uvolnily a síly předpětí klesaly na hlubokou hodnotu. Nicméně nebyly nulové, protože svěrací pojistka proti ztrátě nadále bránila prvkům ve vyšroubování. 4) U nepojištěných šroubů byla s pomocí pružného pouzdra délka sevření zvětšena na lK = 5d v průměru závitu. Dlouhé šrouby již nebyly tuhé, nýbrž pružné a zajišťovaly spoj proti vibracím.
31
4.
VLASTNÍ METODA JIŠTĚNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE
4.1
PRINCIP Myšlenka vycházela z trubkového „kuželového“ závitu matice, který se používá
převážně u spojení, které jsou namáhána na tlak (např. vysokotlaké potrubí, vodovodní potrubí). Kdy se průměr závitu mění se vzdáleností od konce v poměru 1:16 a normalizované míry platí ve stanovené vzdálenosti od konce. Chtěl jsem využít stávajících nástrojů a jejich využití po následné úpravě. Jako nástroj jsem si vybral sadové závitníky M12 x 1,75, které se běžně používají v dílenské praxi. Kde první ze sady je využíván závitník pro hrubé opracování závitu, druhý je předřezávací a třetí je dokončovací závitník. Tento je třeba upravit. První závitník se použije společně s vratidlem a vytvoříme hrubí závit do zkušebního kusu (ocel), který má v sobě předvrtaný otvor o průměru 9,6mm dle ČSN. Druhým závitníkem se s použitím vratidla vyřeže závit zhruba do 90% hotového závitu (hloubka je odhadovaná, je nezbytné ji vyzkoušet), aby nepoškodil zbývající závity, které budou dokončeny zhotoveným dokončovacím závitníkem. Poslední fází je dokončování, to se provádí upraveným závitníkem, který je podél žeber rozříznut a vyvrtán otvor na čelní straně do přesně nespecifikované hloubky (vytvořeno odhadem), (Obr. 23), (Obr. 24).
Obr. 23: Návrh upraveného dokončovacího závitníku
32
Obr. 24: Modelové znázornění upraveného závitníku
4.2
METODA ÚPRAVY ZÁVITNÍKU A JEHO APLIKACE Klasický dokončovací sadový závitník se upravil na metalografické pile MTH.
Byl použit kotouč tvořen kubickým nitridem bóru o šířce 1mm. Dokončovací závitník se upnul do svěráku, kterým byla metalografická pila vybavena a v podélné ose závitníku se vyřezaly zářezy, ovšem mimo závit (Obr. 25). Zářezy byly celkem 3 (starší sadový závitník) do hloubky 20mm, odstraněny třísky a závitník byl připraven k použití. Myšlenka byla i taková, že by se do závitníku vyvrtal otvor z čelní strany o průměru 1 – 2mm pro zvětšení účinku sevření ořezaných částí. Z časového hlediska by to bylo ovšem příliš nákladné a zdlouhavé, proto se vybrala pouze metoda bez otvoru. Zbývající závitníky se ponechaly v původním stavu.
Obr. 25: Vyřezané zářezy
33
4.3
VYROBENÍ ZKUŠEBNÍHO OBROBKU Pro zkoušku se vybral plný tyčový materiál o průměru 20mm a délky 13mm,
ačkoli délka v tomto případě nehraje až takovou roli. Do něj se vyvrtal otvor (pomocí soustruhu) o šířce 10,1mm a hloubce 41mm (šířka i hloubka otvoru se dohledala ve strojnických tabulkách) u obrobku byla samozřejmě i sražena hrana pro vhodnější zavedení závitníků a vyfoukán stlačeným vzduchem, aby v něm nezůstaly případné třísky.
4.4
ZHOTOVENÍ ZÁVITU Zkušební obrobek byl upnut do dílenského svěráku a pod pravidly řezání závitu
pomocí závitníku vyřezán závit prvním závitníkem do hloubky 30mm. Dále následoval druhý závitník, kterým byl závit vyřezán do stejné hloubky. Posledním krokem bylo zhotovení závitu tzv. na hotovo. Dokončovacím (upraveným) závitníkem se řezal závit rovněž do hloubky 30mm, ale ve dvou třetinách závitu se závitník očistil od vzniklých třísek (zamezení vnitřního pnutí působícímu proti elastickému sevření upraveného závitníku) a znovu použit v závitu pro jeho dokončení (Obr. 26).
Obr. 26: Zhotovení závitu upraveným závitníkem
34
V závitu vznikl pseudo parabolický profil, který byl vytvořen opravdu jen v krátkém úseku, kde, jak se domnívám, by měl být šroub sevřen. Po vyzkoušení takto zhotoveného závitu se objevil překvapivý výsledek a to takový, že šroub zašroubovaný v klasickém závitu M12 (bez této metody) vyžadoval povolovací sílu okolo v upraveném závitu bylo možno šroub povolit až po povolovací síle větší jak (obr. 27).
Obr. 27: Znázornění zašroubovaného šroubu upraveným závitníkem
35
4.5
DISKUZE VÝSLEDKŮ V mé práci jsem se zabýval metodami jištěním šroubového spoje a na základě již
dříve zjištěných poznatků jsem vypracoval souhrn informací o tomto tématu, které by měly, jak se domnívám přehledně nastínit danou problematiku. Existuje mnoho možností jak jistit šroubový spoj, proto záleží na způsobu použití. Pokud chceme jistit šroubový spoj proti uvolnění zcela jistě použijeme pružných jistících prvků jako například systému NORD-LOCK, šrouby s válcovou hlavou a přírubou, přírubových maticí atd. Naopak proti povolení by jsme přemýšleli nad profilovacími spojovacími prvky, mechanickým jištěním nebo jištěním s pomocí anaerobních tmelů (např. Loctite). Případnou ztrátu některého z prvků šroubového spoje by jsme ošetřili pojistnými maticemi (kloboučková matice s polyamidovou vložkou, šrouby s polyamidovým povlakem TufLok, atd.), povlaky se svěrným účinkem nebo prvky pracující na principu tváření závitu. Zjistil jsem na základě rozmluvy s prodejci spojovacího materiálu, že nejrozšířenějším prvkem pro jištění u běžného uživatele je bezesporu anaerobní lepidlo (Loctite), které je poskytováno jak pro rozebíratelné spoje, tak pro spoje, které již nemáme v úmyslu dále rozebírat. A to z toho důvodu, že anaerobní lepidla jsou cenově dostupná a pro jejich rychlou a poměrně snadnou aplikaci velice oblíbená. Také mi byl ve velké míře doporučen systém NORD-LOCK, který díky svému jednoduchému použití a rozšířenosti na trhu poskytuje poměrně velkou bezpečnost (jištění) u šroubových spojů namáhaných vibracemi. V navrhnutém způsobu jištění jsem vycházel ve značné míře z kuželového závitu, který se používá u vysokotlakých spojení, kde je zapotřebí vysoké pevnosti a těsnosti spojení (plynovody, vodovodní potrubí). Přemýšlel jsem nad vnitřním závitem, který by svým tvarem připomínal spíše parabolu, než li klasický kužel. Ve standardně vyřezaném vnitřním závitu se vytvořil profil paraboly pomocí upraveného závitníku. Jedná se opravdu jen o malý úsek v závitu, který elasticky svírá zašroubovaný šroub. Tento šroub upevněn v závitu potřebuje minimální povolovací sílu šroub upevněn v klasickém závitu vyžaduje o poznání menší povolovací sílu
, kdežto .
Společně s využitím anaerobního tmelu se dá považovat tento vnitřní závit vytvořený upraveným závitníkem za plnohodnotný způsob jištění šroubového spoje.
36
5.
ZÁVĚR Předložená bakalářská práce jištění šroubových spojů vychází z nutnosti zaručit
funkci rozebíratelného spoje i v reálných podmínkách-chvění a vibrace tj. dynamického působení. Práce se věnuje převážně řešeršní kompilaci posudků z oblasti odolnosti spoje proti uvolnění. Tato část práce popisuje: - Principy funkce šroubového spoje - Uvolňování šroubového spoje - Konstrukční opatření proti uvolnění - Vlastní metoda jištění šroubů a matic V experimentální části je navržena nová unikátní metoda mechanického jištění změnou plochy závitového profilu, která při kombinaci s některým z metod uvedených v práci (TufLok) by vytvořila dokonalé podmínky pro jištění spoje. Bakalářská práce je vstupní částí do diplomového projektu, který by v případě uspěné verifikace navržené (statistické i metalografické) metody mohl být významným přínosem pro technickou praxi z hlediska technologie jištění spojů i z pohledu ekonomických nákladů (ztráta funkčnosti spoje, opravy strojních konstrukcí apod.).
37
LITERATURA KRÁTKÝ, J. -- HOSNEDL, S. Příručka strojního inženýra 1. Praha: Computer Press, 1999. 312 s. ISBN 80-7226-055-3. Thema B: Odborně technické informace, Bossard AG Schrauben, CH-6305 Zug, 2. vydání, 2001 Celokovové jistící prvky, Bossard , Brno, 2009 NORD-LOCK Bolt securing systém, Systém jištění šroubových spojů,
Závitotvářecí šrouby podle DIN7500: Nejmodernější racionální spojovací technika,
, 1996
FABORY Group, 1306 s. Webový portál modding.cz
Dostupné z:
Portál otevřené encyklopedie Wikipedia
Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Trubkový_závit Webový portál hfmarket.cz
Dostupné z:
http://www.hfmarket.cz/ke−stazeni/anaerobni−lepidla.pdf Webový portál spssol.cz
Dostupné z:
http://www.spssol.cz/~vyuka/PREDMETY/SPS/2_rocnik_casti_vyber.pdf
38
,
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Pružné prodloužení (f SM ) a zkrácení (f PM ) .................................................. 10 Obr. 2: Schéma upnutí .................................................................................................... 11 Obr. 3: Rozptyl utahovacích momentů ........................................................................... 12 Tab. 1: Znázornění možných zohledňujících faktorů (jedná se pouze o výpis) ............. 13 Tab. 2: Koeficienty tření pro různé stavy povrchu a mazání v závitu ............................ 14 Obr. 4: Rozptyl síly předpětí FM při rozptylu utahovacího momentu MA a koeficientu tření µ 15 Obr. 5: Znázornění hlavních dimenzovacích veličin ve schématu ................................. 16 Obr. 6: Možnosti eliminace jevů sesedání pomocí pružných prvků............................... 17 Obr. 7: Příklady šroubů, matic a podložek omezující sesedání ...................................... 18 Obr. 8: Znázornění základního principu systému NORD-LOCK .................................. 19 Obr. 9: Spojovací prvky používané při konstrukčním opatření k jištění ŠS proti vyšroubování................................................................................................................... 20 Obr. 10: Šroub s pružným dříkem .................................................................................. 20 Obr. 11: Příklady plechových podložek ......................................................................... 21 Obr. 12: Příklad závitotvářecích šroubů ......................................................................... 23 Obr. 13: Ukázka síly FS .................................................................................................. 25 Obr. 14: Působící síly při stoupání závitu....................................................................... 25 Obr. 15: Vliv tření při utahování či povolovaní šroubového spoje ................................ 26 Obr. 16: Závislost trvalého namáhání na předpětí .......................................................... 26 Obr. 17: Způsoby jištění šroubů a matic proti ztrátě ...................................................... 27 Obr. 18: Jištění před ztrátou silovým spojením přítužnou maticí................................... 27 Obr. 19: Sesedání šroubového spoje............................................................................... 28 Obr. 20: Samovolné vyšroubování šroubů a matic......................................................... 28 Obr. 21: Zmenšená síla předpětí FV a zbytková síla předpětí FKR v důsledku sesedání. 29 39
Obr. 22: Hodnota sesednutí fZ závislá na poměru délky sevření lK/d ............................. 30 Obr. 23: Návrh upraveného dokončovacího závitníku ................................................... 32 Obr. 24: Modelové znázornění upraveného závitníku.................................................... 33 Obr. 25: Vyřezané zářezy ............................................................................................... 33 Obr. 26: Zhotovení závitu upraveným závitníkem ......................................................... 34 Obr. 27: Znázornění zašroubovaného šroubu upraveným závitníkem ........................... 35
40
SEZNAM TABULEK Tab. 1: Znázornění možných zohledňujících faktorů (jedná se pouze o výpis)............... 13 Tab. 2: Koeficienty tření pro různé stavy povrchu a mazání v závitu............................. 14
41
42
