SMART MONT - Inteligentná montáž skrutkových spojov

Abstrakt

Ako je známe, v bežnej strojárskej praxi prevláda nekontrolované uťahovanie skrutkových spojov ručne alebo pomocou nepresných momentových kľúčov. Na príčine nie je iba neochota investovať do kvalitného náradia, ale hlavne utkvelá predstava o dostatočnej kontrole uťahovania podľa citu. Obidva dôvody sú však irelevantné. Veľmi ľahko sa totižto dá dokázať, že investícia do presného uťahovania sa rýchlo vráti, a že cit v ruke nie je žiadna technická kategória. Preto je dôležité uťahovať exaktne, na stanovenú úroveň montážneho predpätia, determinovaného pevnosťou skrutky a matice a predikciou zmeny predpätia počas prevádzky. Jedným zo spôsobov regulovanej (nie chaotickej) montáže skrutkových spojov a udržania nemenného predpätia je aj prezentovaný systém SmartMont. Kľúčové slová: skrutkové spoje, samovoľné uvoľňovanie skrutkových spojov, montáž skrutkových spojov, poistné podložky

1. Uťahovanie skrutkových spojov

Vložený uťahovací moment MA, ktorým sa udelí skrutke potrebné montážne predpätie sa skladá z troch častí (obr. 1):

Ako vyplýva zo Sankeyovho diagramu na obr. 1, iba časť (MU) vloženého momentu (MA) sa užitočne využije na predpätie skrutky. Zvyšok (MZ a MH) sa spotrebuje na prekonanie trenia medzi závitmi a pod hlavou skrutky a matice a premení na teplo. V dôsledku trenia v závite je skrutka namáhaná aj na krútenie, čím vyvoláva torzné napätie M τ . Výsledkom je dvojosový napäťový stav, pozostávajúci z ťahového M σ a torzného napätia τM. Z týchto dvoch napäťových zložiek sa podľa dá sformulovať tzv. ekvivalentné napätie σ ekv [1]:

Potom je už priamo porovnateľné s medzou sklzu materiálu R po, 2 resp. R el. Podľa klasických názorov, reprezentovaných najmä odporúčaním VDI 2230, by sa mali skrutkové spoje uťahovať maximálne na úroveň 0,9 Rp 0,2 t.j. s 10%-nou bezpečnostnou rezervou. Najnovšie poznatky predovšetkým z automobilového priemyslu (ŠKODA AUTO, VW), ale aj niektorých výrobcov skrutiek ako je napr. RIBE [2], však príliš túto zásadu neuznávajú a skôr preferujú uťahovanie až na medzu sklzu, príp. ešte vyššie, využívajúc pritom uvoľnenie torzného napätia a tým aj σ ekv po odbúraní vloženého uťahovacieho momentu [3]. Pochopiteľne, takýto odvážny postup si vyžaduje určité predpoklady, ktoré je možné zhrnúť do nasledovných bodov:

Uvedené podmienky nie sú jednoduché a v bežnej strojárskej praxi vždy splniteľné, preto má význam hľadať aj pre menej vyspelú výrobu ako je automobilový priemysel adekvátne metódy montáže. Jednou z takýchto metód je systém SMART MONT (ďalej len SM).

2. Samočinné uvoľňovanie

Samostatným problémom skrutkových spojov je ich sklon k samočinnému uvoľňovaniu v dôsledku zosadania materiálu na dotykových plochách a vplyvom vibrácií z interných a externých zdrojov a dynamickým účinkom prevádzkových síl. Napriek tvrdeniu, že správne dimenzované a správne utiahnuté, podložiek prosté skrutkové spoje nepotrebujú špeciálne istenie [4], v praxi sú takéto prípady zriedkavé. Platí pravidlo, že neistený skrutkový spoj predstavuje latentné nebezpečenstvo rozpadu konštrukcie [5]. Preto dnes rad významných výrobcov spojovacieho materiálu (SCHNORR, VARGAL, NORD LOCK, HARD LOCK a i.) ponúka široký sortiment poistných prvkov s rôznou účinnosťou istenia. Príspevkom k riešeniu tejto problematiky je aj prezentovaný systém montáže SMART MONT. Ako je uvedené v ďalšom texte, jeho výhodou je nielen účinné istenie (obr. 3), ale aj kvázi exaktná montáž, a to bez použitia náročných momentových kľúčov.

3. Princíp montáže SMART MONT

Prezentovaný systém montáže skrutkových spojov je založený na použití páru špeciálnych poistných podložiek z cementačnej ocele [6], montovaných pod maticu (obr. 4). 

Podložky predstavujú dvojicu medzikruží, ktoré sú na dotykovej ploche opatrené jamkami resp. výstupkami (obr.5) alebo variantne vlnovkami (obr. 6) a vonkajšie plochy sú ryhované.

Medzikružia sa vzájomne dotykajú vnútornými plochami, pričom výstupky a jamky alebo vlnovky majú rovnakú rozteč a hĺbku, resp. výšku k a vzájomne do seba zapadajú, čím plnia pri montáži funkciu bezpečnostnej spojky. Výška k je dimenzovaná na určitú hodnotu montážneho predpätia FM. Po jeho prekročení sa medzikružia pootočia o uhol ϕ (obr. 6) a znovu zapadnú do stabilnej polohy, pričom sa skrutka krátkodobo predĺži o celkovú hodnotu:

kde s je predĺženie skrutky pri utiahnutí montážnou silou FM

γ – uhol stúpania

x – počet vlnoviek

D – priemer závitu

Podmienkou pre správnu funkciu SM je, aby moment na prekonanie trenia MT bol väčší ako moment na prekonanie odporu bezpečnostnej spojky (podložky SM) MS, čiže MT > MS. Táto podmienka je splnená vhodným ryhovaním resp. rebrovaním vonkajších plôch SM. Vlastná montáž prebieha v troch etapách (obr. 7):

Utiahnutie na montážnu silu predpätia FM

1. Pootočenie do polohy 2, čím sa krátkodobo zvýši predpätie skrutky na úroveň FV.

2. Zapadnutie výstupkov do susedných jamiek a uvedenie sústavy takmer do pôvodnej montážnej polohy FM.

Ako vidno z obr. 7, prechod z polohy 1 do polohy 3 prebieha cez medzipolohu 2, kedy vlnovky vzájomne do seba nezapadajú, čo je doprevádzané krátkodobým natiahnutím skrutky o hodnotu k a montážnym spevnením za studena (obr. 8).

V polohe 3 sa sústava vráti do stabilizovaného prevádzkového stavu takmer na úroveň FM a zároveň sa tým vytvorí rezerva predpätia pre prípad dodatočného prevádzkového namáhania skrutkového spoja axiálnou ťahovou silou FA (obr. 2), čím sa učiní zadosť aj odporúčaniu VDI 2230 o uťahovaní pod medzu sklzu. Prešmyknutie z polohy 1 a opätovné zapadnutie do polohy 3 je signalizované badateľným trhnutím kľúča, takže montáž sa môže ukončiť kvázi kontrolovane.

4. Výhody montáže skrutkových spojov systémom SmartMont

Svojou schopnosťou istiť skrutkové spoje, využiť spevnenie za studena a zabezpečiť kontrolovanú montáž, sú podložky SM vysokosofistikovaným polyfunkčným spojovacím prvkom. Okrem toho, že plnia funkciu klasických podložiek [7], poskytujú následovné hlavné výhody:

1. Spoľahlivé zaistenie

2. Kvázi exaktná montáž bez použitia momentových kľúčov

3. U ocelí s výraznou medzou klzu možnosť využitia efektu montažného spevnenia za studena a tým možnosť náhrady zušľachtených ocelí oceľou v žíhanom stave

4. Rezerva predpätia skrutky

5. Úspora drahých momentových kľúčov

6. Lepšie využitie pevnosti ocele

Poistné podložky SM a samotný systém montáže Smart Mont majú využitie u konštrukčných uzlov, vystavených v prevádzkových podmienkach účinkom dynamického namáhania a vibrácií a všade tam, kde je aktuálna náhrada nepresného ručného uťahovania kontrolovaným postupom bez nárokov na investície.

- Jozef Dominik

Zdroje:

[1] VDI – Richtlinie 2230, 2003

[2] Blauheft RIBE Nr. 30

[3] ILLGNER, K.H. und Koll.: Schraubenvademecum,Textron, 2001

[4] BAUER, C.O. und Koll.: Handbuch der Verbindungs- technik, Carl Hanser Verlag 1997

[5] DOMINIK, J.: Magický svet skrutkových spojov, Vydavateľstvo Techpark Žilina, 2007,s, ISBN

[6] Úžitkový vzor č. 4574/2006

[7] ECCLES, B.: Why use washers? In Fastener and Fixing Europe, July 2007