Kalkulačka utahovacího momentu - Přesné specifikace utahovacích momentů upevňovacích prvků

Kalkulátor utahovacího momentu šroubu odhaduje utahovací moment potřebný k dosažení cílové upínací síly. Vychází z průměru šroubu, stoupání závitu, materiálu a třídy pevnosti a vypočítá hodnotu momentu v newtonmetrech (Nm).

Jak funguje utahovací moment šroubu

Otáčením šroubu klíčem působí utahovací moment, tedy rotační síla. Většinu tohoto momentu překonává tření: část v závitech a větší část pod hlavou šroubu. Jen malá část šroub mírně pružně prodlouží a vytvoří upínací sílu, která drží spoj pohromadě. Tato upínací síla se nazývá předpětí neboli tahová síla. Protože tření spotřebuje většinu momentu, stav povrchu šroubu a jeho namazání ovlivňují, jakou upínací sílu daný moment vytvoří.

Jak vypočítat utahovací moment šroubu

Standardní vzorec pro vztah mezi utahovacím momentem a předpětím zní:

T = K × D × F

• T — utahovací moment v newtonmetrech (Nm)
• K — součinitel utahovacího momentu, faktor tření daný materiálem a mazáním
• D — jmenovitý průměr šroubu v metrech
• F — upínací síla (předpětí) v newtonech (N)

Průměr musí být uveden v metrech, nikoli v milimetrech. Šroub o průměru 10 mm se do tohoto vzorce zadává jako 0,01 m. Přímé použití milimetrů způsobí, že vypočtený moment bude 1 000krát větší.

Součinitel utahovacího momentu (K)

Součinitel utahovacího momentu zastupuje tření. Nižší K znamená, že se třením ztrácí méně momentu, a větší část se tak změní v upínací sílu. Hodnota K 0,2 je běžně předpokládaná, skutečné hodnoty se však liší podle tření. Příručka NASA pro spojovací prvky varuje, že 0,2 by se nemělo používat bezmyšlenkovitě, a za realističtější typickou hodnotu pro ocel na oceli označuje asi 0,15. Publikovaný graf závislosti utahovacího momentu na předpětí používá K = 0,20 pro suché šrouby a 0,15 pro mazané šrouby. Tato kalkulačka se tímto rozdělením řídí. „Suchý“ znamená šroub osazený bez oleje, tuku nebo vosku. Výchozí nastavení je suchá ocel, K = 0,20. Mazaná ocel používá 0,15, typickou hodnotu podle NASA. Tato kalkulačka používá tyto hodnoty:

Upínací síla (F)

Upínací síla je osová síla, kterou utažený šroub působí na spoj. Tato kalkulačka nastavuje cílovou upínací sílu na 75 % zkušebního zatížení šroubu, což je běžná cílová hodnota pro spoj, který lze rozebrat a znovu sestavit:

F = 0,75 × Sp × As

Sp je minimální zkušební napětí třídy pevnosti šroubu, definované normou ISO 898-1. As je výpočtový průřez, tedy účinný průřez závitové části dříku, která přenáší zatížení:

As = (π/4) × (d − 0,9382 × P)²

Zde d označuje jmenovitý průměr a P stoupání závitu, obojí v milimetrech. As je menší než plocha průřezu hladkého dříku, protože závit ubírá materiál.

Zkušební napětí podle třídy pevnosti:

Materiál a třída pevnosti se v této kalkulačce nastavují samostatně. Volba „nerezová ocel“ nemění ani neomezuje dostupné třídy pevnosti; výše uvedených pět tříd platí bez ohledu na materiál.

Praktický příklad

Uvažujme ocelový šroub M10 se jmenovitým průměrem 10 mm, stoupáním závitu 1,5 mm, třídou pevnosti 8.8 a suchým utažením.

1. Výpočtový průřez: As = (π/4) × (10 − 0,9382 × 1,5)² ≈ 57,99 mm²
2. Zkušební napětí: Sp = 580 MPa, protože průměr je nejvýše 16 mm
3. Upínací síla: F = 0,75 × 580 × 57,99 ≈ 25 225 N
4. Utahovací moment: T = 0,20 × 0,01 × 25 225 ≈ 50,45 Nm

Tentýž šroub při namazání místo suchého utažení (K = 0,15) vyžaduje přibližně 37,84 Nm, tedy zhruba o čtvrtinu méně. Mazání snižuje tření, takže se méně momentu ztratí a větší část se přemění na upínací sílu.

Rychlý přehled: ocelové šrouby třídy pevnosti 8.8

Přibližný utahovací moment pro standardní hrubé stoupání závitu a 75 % předpětí. Tyto hodnoty se těsně shodují s publikovaným grafem závislosti utahovacího momentu na předpětí podle ISO 898-1, který používá K = 0,20 za sucha a 0,15 pro mazané šrouby:

Tyto hodnoty předpokládají třídu pevnosti 8.8 a cílové předpětí 75 %. Jiná třída, materiál nebo předpětí výsledek změní, proto pro přesnou hodnotu použijte výše uvedenou kalkulačku.

Výpočet utahovacího momentu v kódu

1def bolt_torque(diameter_mm, torque_coefficient, tension_n):
2    diameter_m = diameter_mm / 1000  # convert mm to m
3    return round(torque_coefficient * diameter_m * tension_n, 2)
4
5torque = bolt_torque(10, 0.20, 25225)
6# 50.45
7

Průměr je nutné před vynásobením hodnotami K a F vydělit číslem 1000. Vynechání tohoto kroku vede k utahovacímu momentu 1 000krát většímu.

Předpoklady kalkulačky

• Pokojová teplota, zhruba 20-25°C
• Čisté a nepoškozené závity se správným záběrem
• Cílové předpětí 75 % zkušebního zatížení šroubu
• Statický spoj, který není vystaven silným vibracím ani tepelnému cyklování

Tato kalkulačka podporuje jmenovité průměry od 3 mm do 36 mm. U spojů, jejichž porucha by mohla způsobit zranění nebo značné škody — například u tlakových nádob, ocelových konstrukcí a leteckých součástí — použijte místo ní specifikaci utahovacího momentu od výrobce nebo příslušnou technickou normu. Skutečné spoje zahrnují další faktory, například stlačení těsnění, tepelnou roztažnost a rozdíly tření mezi jednotlivými spojovacími prvky, které obecný vzorec nedokáže zachytit.

Často kladené otázky

Co je kalkulačka utahovacího momentu šroubu?

Nástroj, který odhaduje utahovací moment v newtonmetrech potřebný k tomu, aby šroub dosáhl cílové upínací síly. Jako vstupy používá průměr šroubu, stoupání závitu, materiál a třídu pevnosti.

Jak ručně vypočítat utahovací moment šroubu?

Použijte vztah T = K × D × F, přičemž D musí být v metrech. Hodnota K vychází z tabulky součinitelů utahovacího momentu pro materiál šroubu a stav mazání. Hodnota F vychází z třídy pevnosti šroubu a výpočtového průřezu; u spoje, který se bude znovu používat, se obvykle nastavuje na 75 % zkušebního zatížení.

Co se stane, když je šroub utažen příliš velkým momentem?

Může se prodloužit za mez pružnosti, strhnout závit nebo prasknout. Hliníkové závity se strhávají obzvlášť snadno. Nadměrné utažení také zkracuje únavovou životnost šroubu, protože pracuje blíže k mezi kluzu a při používání mu zbývá menší rezerva pro další zatížení.

Co se stane, když je šroub utažen příliš malým momentem?

Spoj se může vlivem vibrací uvolnit, při stlačení těsnění může začít prosakovat nebo se jeho části mohou při příčném zatížení posouvat. Nedostatečně utažené šrouby také častěji praskají v důsledku opakovaného namáhání, protože upínací síla, která toto namáhání obvykle zachycuje, je příliš malá.

Mění mazání potřebný utahovací moment šroubu?

Ano. Mazání snižuje součinitel utahovacího momentu omezením tření, takže se ztratí méně použitého momentu a větší část se přemění na upínací sílu. Namazaný ocelový šroub obvykle vyžaduje k dosažení stejné upínací síly přibližně o 25 % menší moment než tentýž šroub utažený nasucho.

Jaký je rozdíl mezi utahovacím momentem a tahovou silou ve šroubu?

Utahovací moment je krouticí síla působící prostřednictvím klíče. Tahová síla v šroubu, označovaná také jako předpětí, se projevuje jeho prodloužením a vytváří upínací sílu. Obě veličiny jsou propojeny třením, takže stejná hodnota momentu může v závislosti na mazání a stavu povrchu vytvořit různou tahovou sílu.

Lze tuto kalkulačku použít pro šrouby z nerezové oceli?

Ano. Nerezová ocel má v této kalkulačce vlastní součinitele: 0,22 pro suchý a 0,17 pro mazaný stav, přičemž oba jsou vyšší než u běžné oceli, protože nerezová ocel klade větší odpor klouzání a je náchylná k zadírání, což je forma zadření závitu způsobená třením. U spojů z nerezové oceli s nerezovou ocelí se k tomu běžně používá pasta proti zadírání.

Reference

1. NASA Lewis Research Center. Fastener Design Manual (NASA Reference Publication 1228). Příručka pro navrhování spojovacích prvků — zkrácený vzorec pro utahovací moment T = KFd a běžně předpokládaná hodnota K 0,2.
2. Fastenal Engineering. Torque-Tension Relationship ISO 898-1 Property Class 4.6, 8.8, 10.9 & 12.9, Metric Coarse Thread. Graf závislosti utahovacího momentu na předpětí (PDF) — upínací síla při 75 % zkušebního zatížení, K = 0,20 za sucha a 0,15 pro mazané šrouby a hodnoty momentu v tabulce rychlého přehledu.