Výpočet krútiaceho momentu skrutky: Vzorec, kritické faktory a praktické príklady

Skrutka, ktorá zaskočí počas uťahovania, a spoj, ktorý sa uvoľní po niekoľkých týždňoch prevádzky, sú dva opačné režimy zlyhania s rovnakou hlavnou príčinou: nespoľahlivý vzťah medzi krútiacim momentom aplikovaným na kľúč a skutočnou upínacou silou vytvorenou v spoji. Štandardný vzorec T = K × D × F prevádza krútiaci moment na predpätie skrutky, ale presnosť tohto prevodu závisí takmer výlučne od dvoch vstupov: cieľového zaťaženia svorky a faktora matice K. Správne tieto dva parametre vypočítajte a vypočítaný krútiaci moment vytvorí spoj, ktorý zostane tesný bez toho, aby sa skrutka posunula smerom k povoleniu. Pomýlite sa a rovnaké nastavenie kľúča buď zlomí skrutku, alebo nechá spojenie nebezpečne uvoľnené. Tento článok vysvetľuje výpočet, premenné, ktoré rozhodujú o jeho presnosti, a ako riadiť tieto premenné v reálnej výrobe a údržbe.

Ako funguje štandardný vzorec krútiaceho momentu skrutiek

Každý konvenčný výpočet krútiaceho momentu skrutiek používa rovnaký vzťah:

T = K × D × F

kde:

• T je aplikovaný krútiaci moment vyjadrený v newtonmetroch (N·m) alebo librách-stopách (lbf·ft).
• K je súčiniteľ matice alebo súčiniteľ krútiaceho momentu, bezrozmerná hodnota, ktorá predstavuje kombinovaný účinok trenia a geometrie závitu.
• D je menovitý priemer skrutky v metroch alebo palcoch.
• F je cieľové predpätie, zvieracia sila v newtonoch alebo librách, ktorú musí skrutka vyvinúť v spoji.

Len asi 10 až 16 percent krútiaceho momentu aplikovaného na kľúč skončí ako zvieracia sila. Zvyšok sa spotrebuje trením pod hlavou skrutky, trením medzi závitmi v zábere a klinovým pôsobením skrutkovice závitu. Nutný faktor existuje na zachytenie všetkých týchto strát v jedinom empirickom čísle. Nie je to materiálna konštanta a nemožno ju raz vyhľadať a znova použiť všade. Toto je najčastejšia chyba pri výpočte krútiaceho momentu skrutiek.

Nastavenie cieľového predpätia (F)

Cieľové predpätie je sila, ktorá v skutočnosti drží kĺb pohromade. Musí byť dostatočne vysoká, aby udržala spoj uzavretý pri prevádzkovom zaťažení, ale dostatočne nízka, aby zostala pod medzou klzu materiálu skrutky. Štandardným prístupom je pracovať z skúšobného zaťaženia skrutky.

Dôkazné zaťaženie = skúšobná pevnosť × oblasť ťahového napätia (A _s )

Pre väčšinu konštrukčných a strojových spojov je cieľové predpätie nastavené na 75 percent skúšobného zaťaženia pre nestále spoje a až 90 percent pre trvalé spoje, kde sa skrutka neodstráni. Tesniace spoje zvyčajne zostávajú medzi 50 a 60 percentami, aby chránili tesnenie pred nadmerným stlačením.

Stupne pevnosti definujú, koľko zaťaženia môže skrutka niesť pred trvalou deformáciou. Skrutka triedy 8,8 má medzu pevnosti približne 580 MPa, trieda 10,9 asi 830 MPa a trieda 12,9 asi 970 MPa. Vyššie triedy umožňujú vyššie predpätie pri rovnakej veľkosti skrutiek, ale zároveň robia presné uťahovanie kritickejším, pretože medzera medzi cieľovým predpätím a medzou klzu sa zužuje.

Pochopenie orieškového faktora (K)

Faktor matice je najväčším zdrojom neistoty pri výpočte krútiaceho momentu skrutiek. Veľkosť skrutky a cieľové predpätie je možné určiť s primeranou istotou, ale K sa mení s povrchovou úpravou, mazaním, toleranciou závitu, rýchlosťou uťahovania a dokonca aj počtom použití upevňovacieho prvku. Malý posun v K spôsobuje veľký posun krútiaceho momentu potrebného na dosiahnutie rovnakého zaťaženia svorky.

Tieto rozsahy sú východiskovými bodmi, nie zaručenými hodnotami. Hrúbka pokovovania, typ maziva a konečná úprava závitu posúvajú výsledok pre konkrétnu dávku spojovacích prvkov. Výrobca, ktorý riadi svoj vlastný proces poťahovania a závitovania, môže poskytnúť vedenie krútiaceho momentu na základe skutočných výrobných dielov, čo je podstatne bezpečnejšie ako spoliehanie sa na generickú tabuľku.

Príklad výpočtu krútiaceho momentu skrutky krok za krokom

Zoberme si skrutku M10 x 1,5 triedy 8,8, pozinkovanú a jemne namazanú, inštalovanú v netrvalom konštrukčnom spoji. Výpočet prebieha v piatich krokoch.

1. Určte oblasť ťahového napätia. Pre hrubý závit M10, A _s = 58,0 mm ² .
2. Nájdite dôkaznú silu materiálu. Stupeň 8.8 má skúšobnú pevnosť približne 580 N/mm ² .
3. Vypočítajte skúšobné zaťaženie: 580 × 58,0 = 33 640 N alebo približne 33,6 kN.
4. Nastavte cieľové predpätie na 75 percent skúšobného zaťaženia: 0,75 × 33 640 = 25 230 N.
5. Vyberte maticový faktor pre skutočný stav povrchu. Pre mierne namazaný pozinkovaný spojovací prvok je K = 0,20 primeraná hodnota. Potom T = 0,20 x 0,010 m x 25 230 N = 50,5 N·m.

Vypočítaný krútiaci moment je približne 50 N·m. Teraz zopakujte posledný krok s K = 0,30, čo je reálne pre rovnakú pozinkovanú skrutku v suchom stave: T = 0,30 × 0,010 × 25 230 = 75,7 N·m. Krútiaci moment stúpne o 50 percent, aj keď sa cieľové upínacie zaťaženie nemení. To je dôvod, prečo je kopírovanie hodnoty krútiaceho momentu zo všeobecnej tabuľky riskantné; rovnaká skrutka môže vyžadovať veľmi odlišné nastavenia krútiaceho momentu v závislosti od toho, ako je potiahnutá a mazaná.

Zostavy strojov, ktoré používajú skrutky so šesťhrannou hlavou triedy 8,8 s čiernym oxidom, sa riadia rovnakou výpočtovou cestou, ale povlak mení faktor matice. Skrutka z čierneho oxidu s ľahkým olejovým filmom zvyčajne spadá do rozsahu 0,15 až 0,20, čo znižuje požadovaný krútiaci moment pre rovnaké predpätie.

Skrutky so šesťhrannou hlavou triedy 8.8 s čiernym oxidom pre riadené predpätie Tieto skrutky so šesťhrannou hlavou používajú povlak z čierneho oxidu, ktorý posúva faktor matice na približne 0,15–0,20 s ľahkým olejom, čo umožňuje presné výpočty momentu predpätia. Zvážte ich, keď na podmienkach montáže a efektoch náteru záleží. Zobraziť produkt →

Praktické premenné, ktoré menia požadovaný krútiaci moment

Dokonca aj správne vypočítaná hodnota krútiaceho momentu môže na montážnej linke zlyhať, ak nie sú kontrolované podmienky inštalácie. Nasledujúce faktory pravidelne spôsobujú, že namerané upínacie zaťaženie sa líši od vypočítanej hodnoty.

• Mazanie je jedinou najvplyvnejšou premennou. Zmena zo suchých podmienok na mierne naolejované môže znížiť K o 0,10 alebo viac, čo sa premieta do 25 až 40-percentného zníženia požadovaného krútiaceho momentu pri rovnakom predpätí.
• Proces poťahovania je dôležitý. Zinkovanie vyrobené na rôznych linkách má odlišné trecie správanie a čerstvo pokovené diely sa správajú inak ako diely skladované niekoľko týždňov.
• Opätovne použité skrutky vyvíjajú vyššie trenie závitu, takže K sa pri druhej a tretej inštalácii posúva nahor. Mnohé postupy kvality obmedzujú počet cyklov opätovného použitia pre spojovacie prvky s vysokou pevnosťou.
• Po utiahnutí pokračuje relaxácia vkladania. Spoj sa usadí v drsnosti povrchu a predpätie počas prvých hodín prevádzky klesá. Kritické spoje môžu vyžadovať dotiahnutie alebo zámerne vyššie počiatočné predpätie.
• Presnosť nástroja obmedzuje celý proces. Kalibrovaný momentový kľúč sa zvyčajne drží s presnosťou 3 až 5 percent, zatiaľ čo rázový kľúč môže presiahnuť o 30 percent alebo viac.

Vibrácie sú samostatný problém, ktorý samotný krútiaci moment nedokáže vyriešiť. Ak kĺb stratí predpätie v prevádzke napriek správnemu počiatočnému krútiacemu momentu, príčinou je často kĺzanie alebo ohýbanie, ktorému trenie nemôže odolať. Porozumenie prečo sa šesťhranné skrutky počas používania uvoľňujú pomáha oddeliť problém predpätia od problému návrhu spoja.

Úprava výpočtu pre špeciálne návrhy spojovacích prvkov

Štandardné stoly pokrývajú bežné šesťhranné skrutky, ale mnohé priemyselné aplikácie používajú spojovacie prvky, ktoré sa nesprávajú ako štandardné skrutky. Tri skupiny ukazujú, kde sa musí výpočet prispôsobiť.

Prírubové skrutky s protišmykovou textúrou

Prírubová skrutka rozdeľuje upínací tlak na širšiu oblasť ložiska, čo znižuje stratu uloženia a zlepšuje zachovanie predpätia. Protišmykové textúry zvyšujú trenie, ktoré odoláva rotácii a robí spoj stabilnejším pri dynamickom zaťažení. Vzorec krútiaceho momentu stále platí, ale faktor matice musí byť stanovený pre skutočnú geometriu príruby a povrchovú úpravu. Typickým príkladom je pozinkovaná prírubová skrutka triedy 10,9 s protišmykovou textúrou a jej špecifikácia krútiaceho momentu by mala pochádzať z testov na skutočnom pokovovanom povrchu a nie z tabuľky šesťhranných skrutiek.

Pozinkované prírubové skrutky triedy 10.9 s protišmykovou textúrou Prírubové skrutky rozdeľujú upínací tlak na širšiu oblasť ložiska a protišmyková textúra pridáva trenie pre stabilitu spoja pri dynamickom zaťažení. Tento príklad zdôrazňuje, prečo musia byť špecifikácie krútiaceho momentu overené na skutočnom pokovovanom povrchu. Zobraziť produkt →

Vysokopevnostné fotovoltaické skrutky

Fotovoltaické montážne konštrukcie často používajú skrutky triedy 12,9, pretože vysoká pevnosť v ťahu poskytuje pevné upnutie v kompaktných rozmeroch. Praktické okno pre výpočet je úzke: pri 75 percentách skúšobného zaťaženia je skrutka 12,9 napnutá na približne 970 MPa a nadmerné utiahnutie o 10 až 15 percent môže posunúť materiál smerom k prieťažnosti. Pri tejto aplikácii sú nevyhnutné overené maticové faktory a kalibrované nástroje. Pozinkované pluhové skrutky so zápustnou hlavou triedy 12.9 používané vo fotovoltaických konštrukciách sú dobrým príkladom spojovacích prvkov, ktoré vyžadujú túto úroveň kontroly.

Pozinkované skrutky do pluhu so zápustným štvorhranom triedy 12.9 Skrutky pluhu 12,9 s vysokou pevnosťou sú namáhané v blízkosti 970 MPa pri 75% medznom zaťažení, čo si vyžaduje overené súčiniteľa matíc a kalibrované nástroje. Ich dizajn so zapusteným štvorcovým krkom vyhovuje fotovoltaickým montážnym konštrukciám, kde je rozhodujúce presné upnutie. Zobraziť produkt →

Duté skrutky na olejové potrubie

Duté skrutky, ako sú skrutky olejových rúrok s vnútornými priechodmi, majú znížený účinný prierez. Oblasť ťahového napätia pevnej skrutky rovnakej menovitej veľkosti nadhodnocuje nosnosť, takže štandardný výpočet vytvára nebezpečné predpätie. Pred dôveryhodnou špecifikáciou krútiaceho momentu sa musí zmerať skutočná oblasť napätia dutého profilu alebo sa musí vykonať ťahová skúška.

Záverečné odporúčania pre spoľahlivé špecifikácie krútiaceho momentu

Každý výpočet krútiaceho momentu skrutky začnite z dôkazového zaťaženia materiálu skrutky, nie z hodnoty v tabuľke. Definujte cieľové predpätie z triedy skrutiek a oblasti napätia, vyberte faktor matice, ktorý presne zodpovedá stavu povlaku a mazania, a overte výsledok na vzorke vždy, keď sa spoj týka bezpečnosti.

Pre kritické kĺby je riadenie uhla krútiaceho momentu spoľahlivejšie ako samotný krútiaci moment. Utiahnite upevňovací prvok na nízky tesniaci moment, potom posuňte maticu o definovaný uhol natočenia. Táto metóda závisí oveľa menej od faktora matice a vytvára konzistentnejšie predpätie pri bežných zmenách povlaku a mazania.

Keď projekt vyžaduje neštandardný tvar hlavy, špeciálny tvar závitu alebo stupeň pevnosti mimo bežných tabuliek, štandardné vzorce strácajú svoj základ. V tomto bode je najrýchlejšou cestou k dôveryhodnej špecifikácii spolupráca priamo s výrobcom spojovacích materiálov. Pre projekty, ktoré potrebujú zákazková výroba spojovacích materiálov , diskusia o dizajne s továrňou je najkratšou cestou k špecifikácii krútiaceho momentu, ktorá funguje na úrovni výroby.