Princip točivého momentu šroubu a šest způsobů ovládání utahování

Ve skutečných montážních podmínkách nelze upínací sílu mezi spojenými součástmi a axiální předpětí šroubů přímo měřit ani přesně řídit. Proto průmysl obecně přijímá metody nepřímého řízení založené na točivém momentu k dosažení standardizovaného řízení předpětí. Tento článek systematicky vysvětluje hlavní metody řízení utahování šroubů založené na mechanickém vztahu mezi kroutícím momentem a upínací silou během utahování.

1. Princip točivého momentu šroubu a upínací síly

Když je na šroub aplikován utahovací moment, dřík je pružně natažen, což vytváří axiální upínací sílu pro upevnění spoje. Základní vzorec točivého momentu je definován jako: Točivý moment (M)=Síla (F) × Rameno momentu (L). Teoreticky větší úhel natočení vytváří vyšší točivý moment; většina aplikovaného točivého momentu je však spotřebována třením ve skutečném provozu.

Následuje obecné utahování šroubůPravidlo rozdělení točivého momentu 50-40-10: 50 % točivého momentu překoná tření pod hlavou šroubu, 40 % překoná tření páru závitů a pouze 10 % se účinně přemění na použitelnou axiální upínací sílu.

Například, když je šroub utažen na 10 N·m na procesní požadavek, pouze přibližně 1 N·m přispívá k účinnému axiálnímu upnutí, zatímco většina točivého momentu je ztracena třením.

Tento poměr rozdělení točivého momentu není pevný. Poškození závitu, otřepy, nečistoty a povrchové nečistoty výrazně zvýší ztráty třením. Při vadném stavu závitu se rozložení změní na 50 % tření hlavy, 45 % tření závitu a pouze 5 % efektivní upínací síly.

V takových případech, ačkoli sledovaný utahovací moment odpovídá normě, je skutečná upínací síla silně nedostatečná, což má za následekfalešné utahování. Při aplikaci na vysokorychlostní pohyblivé části, jako jsou setrvačníky a klikové hřídele, nesprávné utažení snadno způsobí uvolnění nebo uvolnění šroubu a vede k selhání zařízení.

Kromě defektů závitu způsobují měkká elastická těsnění také pokles točivého momentu a ztrátu předpětí, známé jako útlum točivého momentu měkkých spojů. Běžné měkké součásti, jako jsou těsnění hlavy válců a těsnění olejové vany, se při nepřetržité kompresi deformují a uvolňují, což má za následek postupné snižování předpětí. Sekundární dotahovací procesy jsou široce používány k minimalizaci útlumu upínací síly u sestav s měkkými spoji.

Vyšší točivý moment nemusí vždy znamenat lepší upevnění. Nadměrné utahování protahuje šroub za jeho mez pružnosti a vyvolává plastickou deformaci. Jakmile napětí překročí mez kluzu, šroub utrpí trvalé zlomení a zcela ztratí schopnost upevnění.

2. Šest hlavních metod kontroly utahování šroubů

2.1 Způsob řízení točivého momentu

Metoda řízení krouticího momentu je nejjednodušší a nejrozšířenější strategií utahování. Jeho základním principem je proporcionální vztah mezi utahovacím momentem a axiálním předpětím, vyjádřený vzorcem:T=K·F, kde T=utahovací moment, F=axiální předpětí a K=koeficient momentu.

Po dokončení návrhu šroubu se zafixuje cílové axiální předpětí F a lze kalibrovat standardní utahovací moment T. Kvalifikované hodnoty točivého momentu však ne vždy zaručují kvalifikovanou kvalitu montáže, zejména kvůli kolísání součinitele točivého momentu K.

Koeficient točivého momentu K je vysoce citlivý na komplexní koeficient tření, který je ovlivněn přesností šroubu, poškozením závitu, znečištěním a stavem povrchu. Důležitou roli hraje také teplota. Experimenty Sumitomo Japan dokazují, že součinitel točivého momentu K klesá o 0,31 % s každým zvýšením okolní teploty o 1 stupeň.

Podle zkušebních zpráv VDI (Association of German Engineers) i při nulové chybě točivého momentu může chyba axiálního předpětí při čistě řízení točivého momentu dosáhnout ±27,2 %, což ukazuje na omezenou přesnost.

Vlastnosti aplikace: Utahování se provádí v rámcišroub elastická oblast. Cílový krouticí moment je obecně nastaven mezi 50 % a 85 % kluzného krouticího momentu. Přibližně 90 % aplikovaného točivého momentu překoná tření, což má za následek přesnost předpětí ±25 %.

Výhody: Jednoduchá obsluha, nízká cena a kontrola pomocí standardních momentových klíčů, vhodné pro hromadnou montáž.

Nevýhody: Nízká přesnost utažení, nedostatečné využití materiálu a vysoká náchylnost k teplotě, stavu závitu a znečištění povrchu, což vede ke špatné stabilitě.

2.2 Metoda řízení krouticího momentu a úhlu (metoda TA / superelastická kontrola)

Metoda řízení úhlu krouticího momentu je vylepšená strategie vysoce přesného utahování založená na základním řízení krouticího momentu. Proces se skládá ze dvou fází: nejprve utáhněte šroub na přednastavený předběžný utahovací moment (obvykle 40 %–60 % standardního utahovacího momentu, stanoveného procesní validací), aby se odstranily spáry a zajistil se celoplošný kontakt; potom otočte šroubem o určený úhel, abyste dosáhli přesného axiálního prodloužení.

Rotace s pevným úhlem přesně řídí prodloužení šroubu a kompresi spoje, čímž eliminuje nerovný povrchový kontakt a nekonzistenci tření. Ve druhé fázi utahování je předpětí přesně určeno úhlem natočení, čímž se výrazně snižuje interference tření a dosahuje se mnohem vyšší přesnosti než u pouhého řízení točivého momentu.

Tato metoda vyžaduje elektrické utahovací nástroje vybavené motory, ozubenými převody a vysoce přesnými senzory pro přesné nastavení předběžného krouticího momentu a úhlů otáčení pro přesné výrobní linky.

Vlastnosti aplikace: Dvoustupňové utahování (inicializace točivého momentu + rotace úhlu) v rámci elastického rozsahu. Parametry počátečního momentu a úhlu vyžadují experimentální kalibraci. Přesnost předpětí dosahuje ±15 %.

Výhody: Vyšší přesnost utažení a stabilní axiální upínací síla, vhodné pro středně a vysoce přesné montáže součástí.

Nevýhody: Komplexní řídicí systém vyžadující duální monitorování točivého momentu a úhlu; obtížné ověřování kvality konvenčními kontrolními nástroji.

2.3 Metoda řízení bodu výtěžnosti (metoda TG)

Metoda řízení meze kluzu je vysoce přesná technologie utahování založená na vlastnostech materiálu a plastu. Nepřetržitě monitoruje sklon křivky krouticího momentu a úhlu, aby identifikoval práh kluzu šroubu a přestane utahovat okamžitě po dosažení meze kluzu.

V počáteční fázi utahování se sklon točivého momentu rychle zvyšuje a poté se stabilizuje v elastickém rozsahu. Jak se šroub blíží plastické poddajnosti, sklon se postupně zmenšuje. Utahování se automaticky zastaví, když sklon klesne na 50 % své maximální hodnoty, což indikuje mez kluzu.

Ve srovnání s utahováním v elastické oblasti minimalizuje utahování v oblasti průtažnosti chyby předpětí způsobené úhlovou odchylkou, maximalizuje využití materiálu a eliminuje interferenci tření.

Vlastnosti aplikace: Monitorování točivého momentu a gradientu v reálném čase; přesnost předpětí v rozmezí ±8 %; šrouby dosáhnou kritického stavu kluzu a po utažení je nelze znovu použít.

Výhody: Extrémně vysoká přesnost, vynikající stabilita předpětí a plné využití mechanické pevnosti šroubu.

Nevýhody: Vyžaduje špičkové přesné vybavení s vysokými náklady; vysoce závislé na stálé meze kluzu šroubu a kvalitě suroviny.

2.4 Metoda řízení úhlu sedla a bodu (metoda SPA)

Metoda Seat-Point Angle (SPA) je pokročilá vysoce přesná technika utahování optimalizovaná z konvenční metody TA. Na rozdíl od počátečního bodu pevného točivého momentu používaného v řízení TA, SPA vypočítává přesný počátek sezení přes průsečík lineárního sklonu křivky točivého momentu a horizontální osy, čímž eliminuje počáteční odchylku točivého momentu.

Testy potvrzují, že křivky točivého momentu a úhlu se výrazně liší při různých koeficientech tření, zatímco referenční bod sezení zůstává téměř konzistentní. Otáčení z jednotného bodu sedadla účinně eliminuje chyby předpětí způsobené rozdíly tření a počáteční odchylkou točivého momentu, což přináší vyšší přesnost než metoda TA.

Hlavní výhody: Kompenzuje chyby točivého momentu v rané fázi a poruchy tření, výrazně zlepšuje konzistenci a přesnost utahování pro vysoce spolehlivé aplikace, jako je letecký průmysl a montáž přesných zařízení.

2.5 Metoda řízení prodloužení šroubu (QA metoda)

Způsob řízení prodloužení šroubu přímo určuješroub předpětí měřením prodloužení stopky. Ultrazvuková detekce je hlavním přístupem, který využívá lineární vztah mezi frekvencí ultrazvukového echa a délkou natažení šroubu k přesné kvantifikaci prodloužení a stavu kluzu.

Tato metoda zabraňuje nepřímé interferenci od krouticího momentu a tření, pouze s malými chybami způsobenými individuálními rozdíly v meze kluzu šroubu. Je třeba poznamenat, že křivky frekvence ultrazvuku se během utahování a povolování liší; stoupající frekvence při předpětí je nižší než uvolňovací frekvence při povolování, což vyžaduje diferencovanou kalibraci.

2.6 Metoda řízení gradientu točivého momentu

Metoda řízení gradientu točivého momentu monitoruje v reálném čase změny sklonu křivky točivého momentu a úhlu, aby přesně řídila počáteční předpětí se zaměřením na axiální sílu kluzu šroubu. Používá se ve vysoce standardních sestavách vyžadujících minimální rozptyl předpětí a maximální využití pevnosti materiálu.

Jeho řídicí logika je podobná řízení úhlu v plastické oblasti, ale poskytuje přesnější regulaci meze průtažnosti, což snižuje degradaci výkonu způsobenou opakovanou plastickou deformací. Nabízí vynikající stabilitu ve srovnání s tradičními metodami utahování plastů.

Nevýhody: Vyžaduje sofistikované a drahé utahovací zařízení s vysoce přesnou procesní kalibrací a požadavky na ladění.