U šroubových spojů tahového-typu je celková pevnost spoje určena především nosností- samotného šroubu. Pevnost šroubu je ovlivněna mnoha faktory, včetně materiálových vlastností, konstrukční formy, rozměrových parametrů, výrobních procesů a montážních technik. K efektivnímu zlepšení únosnosti, odolnosti proti únavě a celkové spolehlivosti šroubových spojů lze dosáhnout zvýšení pevnosti pomocí strukturální optimalizace, zlepšení procesu a standardizace montáže. Tento článek systematicky představuje klíčová technická opatření pro zlepšení pevnosti šroubových spojů.
01 Zlepšení rozložení zátěže mezi závitové zuby
Při použití standardních běžných matic je axiální zatížení nerovnoměrně rozloženo mezi každou závitovou otáčku v záběru. Počínaje od dosedací plochy matice nese největší část zatížení první závit a na dalších závitech zatížení postupně klesá. Teoretická analýza a experimentální ověření ukazují, že větší počet závitů v záběru vede k větší nerovnoměrnosti zatížení. Závity za 8. až 10. závitem téměř nesnesou žádné zatížení. Pouhé zvýšení tloušťky matic a závitových závitů proto nemůže zlepšit pevnost šroubových spojů.
Závěsné napínací matice mohou výrazně zlepšit rozložení zatížení závitu. Zúžená zavěšená část matice a dříku šroubu podléhají synchronní deformaci v tahu, čímž se snižuje rozdíl v roztečné deformaci mezimatice a šroubu, čímž se dosáhne rovnoměrného rozložení zatížení na všechny zapojené závity. Kruhové-drážkové matice fungují na podobném principu, účinně vyrovnávají napětí závitu, zlepšují účinnost záběru závitu a zvyšují celkovou pevnost spojení.
02 Předcházení a snižování dodatečného namáhání v ohybu
V procesech navrhování, obrábění a montáže jsou šrouby náchylné k dodatečnému namáhání v ohybu způsobeném konstrukčními chybami, odchylkami při obrábění a ne-standardní instalací. Dodatečné namáhání v ohybu značně zhoršuje únavovou pevnost šroubu a slouží jako hlavní příčina lomu šroubu, které musí být odstraněno v konstrukčních a montážních postupech.
Když jsou šrouby instalovány na neopracované hrubé povrchy odlitků nebo výkovků, nerovné kontaktní povrchy snadno způsobí excentrické zatížení a ohyb šroubu. Ve strojírenských aplikacích se nálitky a sedla s válcovým zahloubením běžně používají s přesným řezáním pro vytvoření plochých nosných povrchů. To zajišťuje celoplošné lícování, eliminuje excentricitu montáže a zabraňuje vzniku dodatečného ohybového napětí.
03 Snížení koncentrace strukturálního napětí
Kořeny závitu a přechodová zóna mezi hlavou šroubu a dříkem jsou typické oblasti koncentrace napětí a polohy náchylné ke-kritickému selhání. Mezi těmito oblastmi má koncentrace napětí v kořenech závitu nejvýznamnější vliv na únavovou pevnost šroubu. Pro rozšíření je zásadní optimalizace konstrukční geometrie pro zmírnění koncentrace napětíšroubúnavový život.
Mezi běžná optimalizační opatření patří zvětšení poloměru zaoblení kořenů závitu ke zmírnění špiček místního napětí, zvětšení přechodového zaoblení mezi hlavou šroubu a dříku a navržení drážek pro odlehčení pnutí a odlehčovacích zářezů v polohách s vysokým-napětím. Tyto metody rozptylují koncentrované napětí, snižují hodnoty špičkového napětí a zlepšují odolnost šroubu proti lomu.
04 Snížení amplitudy stresu pro zlepšení výkonu při únavě
Při konstantním maximálním pracovním namáhání má menší amplituda namáhání za následek lepší únavový výkon a delší životnost. Při stálém pracovním zatížení a zbytkovém předpětí může snížení tuhosti šroubu nebo zvýšení tuhosti připojených součástí účinně snížit amplitudu napětí a zvýšit únavovou pevnost. V takových případech by mělo být předpětí přiměřeně zvýšeno, aby byla zajištěna spolehlivost připojení.
Běžné způsoby snížení tuhosti šroubu zahrnují zvýšení efektivní délky šroubu, mírné zmenšení průměru hladkého dříku, přijetí dutých pružných struktur šroubu a instalaci pružných prvků pod matici pro dosažení efektu pružného šroubu. Pružné šrouby se vyznačují velkou deformační kapacitou a vynikající absorpcí energie, díky čemuž jsou vhodné pro pracovní podmínky s nárazovým a vibračním zatížením.
Ke zlepšení tuhosti spojených součástí je třeba se vyhnout deformovatelným těsněním s nízkou tuhostí, protože komprese těsnění zvyšuje nepoměr tuhosti a zvyšuje amplitudu napětí šroubu. Pro utěsnění spojů se upřednostňují vysoce stabilní těsnicí kroužky, aby byla zachována celková tuhost spoje a optimalizováno rozložení napětí.
05 Optimalizace procesů výroby šroubů
Výrobní procesy přímo určují mikrostrukturu povrchu, stav zbytkového napětí a únavové vlastnosti šroubů, zejména provysokopevnostní ocelové šrouby. Válcování závitů zavádí povrchové zpevnění, vytváří spojité a neporušené linie toku kovu a vytváří příznivé zbytkové tlakové napětí na povrchu závitu. Válcované závity vykazují podstatně vyšší únavovou pevnost ve srovnání s konvenčně soustruženými závity.
Kromě toho mohou povrchové zpevnění, jako je karbonitridace, nitridace a brokování, zjemnit povrchové mikrostruktury, odstranit povrchové mikrodefekty a zavést rovnoměrné zbytkové tlakové napětí. Tyto úpravy inhibují iniciaci a šíření únavových trhlin a výrazně zlepšují únavovou pevnost a celkovou nosnost šroubů-.
