Moment dokręcania łącznika gwintowego

Zjawisko odkręcania się śrub po dokręceniu lub ich zrywania podczas dokręcania jest zjawiskiem, które występuje w procesach produkcyjnych, szczególnie masowych oraz takich, gdzie łącznik gwintowy (śruba, nakrętka) łączy elementy o różnej budowie ze względu na kształt, skład chemiczny materiałów, ich twardość i sztywność oraz współczynniki tarcia powierzchni trących. W takich połączeniach bardzo ważne jest optymalne oszacowanie momentu dokręcania łącznika gwintowego.

Niniejszy artykuł ma na celu przedstawienie sposobu przybliżonego (aproksymacja) obliczenia momentu dokręcania łącznika gwintowego zgodnie z normą PN-EN ISO 16047:2007.

Przytoczona międzynarodowa norma określa warunki przeprowadzania badań szacowania momentu dokręcania w stosunku do wymaganej siły zacisku na podstawie określonych właściwości mechanicznych i geometrycznych, a także warunków tarcia elementów badanego połączenia gwintowego.

Znając wartości wymiarów geometrycznych elementów połączenia, wartości współczynników tarcia na gwincie i powierzchni oporowej oraz wymaganą siłę osiową, korzystając z poniższego równania Kellermanna – Kleina, można obliczyć wartość momentu dokręcenia T:

gdzie:

• T – moment dokręcenia.
• F – siła osiowa w śrubie.
• P –  skok gwintu.
• μ_th – współczynnik tarcia pomiędzy zwojami gwintu śruby i nakrętki.
• d₂ – średnica podziałowa gwintu.
• μ_b – współczynnik tarcia na powierzchni oporowej pod łbem śruby lub nakrętki.
• D₀ – średnica zewnętrzna powierzchni oporowej.
• d_h – średnica otworu przejściowego podkładki lub części oporowej (średnica wewnętrzna).

Wymaganą siłę osiową (F) oszacować należy eksperymentalnie, często z użyciem zaawansowanych maszyn wytrzymałościowych. Badania te mają na celu wyznaczenie takiej siły osiowej, której działanie doprowadzi do odpowiednio silnego dolegania łączonych elementów uniemożliwiającego wzajemne ich przemieszczanie. W połączeniach dokręcanych w zakresie stosowalności prawa Hooke’a, w których śruba jest najsłabszym elementem, należy wyznaczyć taką wartość siły osiowej, która umożliwi sprężyste odkształcenie (rozciągnięcie) śruby do zakresu około 80% granicy plastyczności śruby.

Wymiary geometryczne elementów połączenia gwintowego oszacować można z użyciem następujących narzędzi pomiarowych:

• Skok gwintu (P): wzornik grzebieniowy do gwintów.
• Średnica podziałowa gwintu (d₂): mikrometr do gwintów, metoda trójwałeczkowa.
• Średnica zewnętrzna powierzchni oporowej (D₀): suwmiarka, mikrometr.
• Średnica wewnętrzna (d_h): suwmiarka, mikrometr.

Wartości współczynników tarcia pomiędzy powierzchnią oporową a łbem śruby lub nakrętki oraz pomiędzy zwojami gwintów (zewnętrzny i wewnętrzny) oszacować można używając urządzeń do badania współczynnika tarcia śrub oraz nakrętek.

Zadanie:

Dla połączenia gwintowego, w którym elementem o najniższej wytrzymałości jest śruba, należy oszacować przybliżony moment dokręcania, który pozwoli na osiągniecie siły osiowej 41,0 [kN] zapewniającej, iż dokręcane elementy nie będą przemieszczać się względem siebie. Dane do obliczeń przedstawiono poniżej:

1. Śruba ze stali stopowej z gwintem metrycznym ISO, o wielkości M10 oraz klasie wytrzymałościowej 10.9.
2. Skok gwintu (P) wynosi 1,25 [mm].
3. Średnica podziałowa gwintu (d₂) wynosi 9,188 [mm].
4. Współczynnik tarcia na powierzchni oporowej pod łbem śruby (μ_b) wynosi 0,140.
5. Współczynnik tarcia pomiędzy zwojami gwintu (μ_th) wynosi 0,125.
6. Średnica zewnętrzna powierzchni oporowej (D₀) wynosi 16,8 [mm].
7. Średnica wewnętrzna (d_h) wynosi 10,0 [mm].

Wprowadzając dane do wzoru otrzymujemy:

Wniosek: W celu osiągnięcia wymaganej siły zaciskowej 41,0 [kN] narzędzie dokręcające powinno zostać nastawione na wartość momentu dokręcania wynoszącą 74,0 [Nm].

Podsumowanie

• Przedstawiony w artykule sposób obliczenia daje dosyć dobre przybliżenie wartości momentu dokręcania, ale należy pamiętać, że jest to aproksymacja i ten wzór jest ważny tylko dla wspomnianych wyżej założeń, co w przypadku ich niespełnienia może prowadzić do większych błędów dla wartości (T).
• Bardzo dobrym uzupełnieniem tej analizy jest przeprowadzenie badań empirycznych na analizowanym połączeniu gwintowym z użyciem czujnika momentu dokręcania oraz kąta obrotu. Na podstawie danych z czujnika buduje się tzw. krzywą dokręcania i na jej podstawie oblicza optymalny moment dokręcania (T).
• Prowadzenia obliczeń przedstawionych w artykule oraz zdobycie informacji na temat czynników mających istotny wpływ na jakość dokręcania łączników gwintowych nauczyć się można na naszym szkoleniu: Połączenia gwintowe – analiza i regulacja procesu dokręcania.

Autor: dr inż. Rafał Popiel

Jeżeli artykuł Ci się podobał, to podziel się nim proszę w mediach społecznościowych:

• LinkedIn
• Facebook
• Instagram

Zaufali nam

.