Obliczanie wytrzymałości na ścinanie i rozciąganie dla śrub

Wytrzymałość na ścinanie i rozciąganie to dwa ważne parametry przy wyborze i stosowaniu śrub. Śruby są używane do łączenia elementów w sposób blokujący tarcie i wytrzymujący obciążenia mechaniczne. Aby zapewnić, że śruby spełniają wymagania wytrzymałościowe w danym zastosowaniu, należy wiedzieć, czym są wytrzymałość na ścinanie i wytrzymałość na rozciąganie, a także znać sposoby ich obliczania.

Wytrzymałość śrub

Na wybór śrub wpływa wiele różnych czynników. Oprócz grubości i wytrzymałości podłoża należy zwrócić uwagę na inne ważne czynniki, takie jak materiał i średnica śruby, oczekiwane obciążenie itp. Wszystkie te czynniki wpływają na wytrzymałość śruby. Wytrzymałość zastosowanej śruby ma ogromne znaczenie. Odnosi się to do zdolności śrub do wytrzymywania sił ścinających i rozciągających. Wytrzymałość jest określana za pomocą oznaczeń lub systemów klasyfikacji, które mogą się różnić w zależności od stosowanego systemu norm i norm krajowych. Klasa wytrzymałości śruby dostarcza informacji na temat wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności. Śruby stalowe są oznaczone inaczej niż śruby ze stali nierdzewnej. Śruby stalowe są oznaczone dwiema cyframi (na przykład 10,9), natomiast śruby ze stali nierdzewnej są oznaczone kombinacją liter i cyfr (na przykład A4-80).

Wytrzymałość śrub na ścinanie

Ścinanie występuje, gdy na śrubę działają przesunięte względem siebie pary sił. Powoduje to powstanie sił ścinających, które mogą prowadzić do wydłużenia, odkształcenia lub skręcenia śruby. Śruby wymagają pewnej wytrzymałości na ścinanie, aby przeciwdziałać tym siłom ścinającym. Wytrzymałość na ścinanie wskazuje, jakiemu obciążeniu może być poddana śruba bez ugięcia lub zniszczenia. Siły ścinające o różnej sile i kierunku mogą być wywierane na śrubę w tym samym czasie.

Sposób obliczania wytrzymałości na ścinanie.

Ogólnie rzecz biorąc, istnieją różne metody badania wytrzymałości materiałów na ścinanie. Zwykle stosowane są znormalizowane metody pomiarowe, które są również określane jako testy ścinania. Testy ścinania poddają próbkę materiału stale rosnącej sile ścinającej. Siła zmierzona podczas ścinania próbki jest maksymalną siłą ścinającą F_m, z której wyprowadzana jest wytrzymałość na ścinanie.

W praktyce jednak materiały nie są w pełni wykorzystywane do maksymalnego limitu obciążenia, ale zawsze uwzględniany jest pewien margines bezpieczeństwa. Ten margines bezpieczeństwa zapewnia, że dopuszczalne naprężenie ścinające (T_rated) jest znacznie niższe niż rzeczywista wytrzymałość na ścinanie (T_B). Znamionowe naprężenie ścinające jest określane przy użyciu tak zwanego współczynnika bezpieczeństwa (v):

Znamionowa siła ścinająca (F_rated) może być następnie określona za pomocą tego znamionowego naprężenia ścinającego (T_rated). Obliczenia są wykonywane przez pomnożenie dopuszczalnej siły ścinającej przez powierzchnię ścinania (S):

Należy jednak podkreślić, że w praktyce preferowane jest zaprojektowanie połączenia śrubowego w taki sposób, aby na śrubę wywierana była tylko siła rozciągająca, ale nie siła ścinająca, aby zapobiec możliwemu uszkodzeniu z powodu obciążeń ścinających.

Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności śrub

Podobnie jak wytrzymałość na ścinanie, wytrzymałość na rozciąganie jest naprężeniem wyrażającym stosunek siły (F) do powierzchni (A), gdzie siła jest siłą rozciągającą (wzdłużną do osi śruby).

Wytrzymałość śrub na rozciąganie wskazuje, jak bardzo materiał śruby może być narażony na naprężenia rozciągające. Wskazuje maksymalne naprężenie rozciągające, które materiał może wytrzymać na milimetr kwadratowy swojej powierzchni przekroju poprzecznego.

Specyfikacja wytrzymałości śrub zawiera nie tylko informacje o wytrzymałości na rozciąganie, ale także o granicy plastyczności. Granica plastyczności odnosi się do naprężenia, przy którym materiał doświadcza przejścia od odkształcenia sprężystego do plastycznego. Innymi słowy: Jest to maksymalne naprężenie, które materiał może wchłonąć, zanim materiał niezmiennie się odkształci. Jeśli materiał nie może powrócić do swojego pierwotnego kształtu po wydłużeniu, granica plastyczności została przekroczona.

Określanie wytrzymałości na rozciąganie za pomocą testów rozciągania

Wytrzymałość na rozciąganie (_Rm) jest określana za pomocą testów rozciągania. Próba rozciągania to znormalizowana procedura, w której próbka materiału jest rozciągana w kierunku wzdłużnym aż do rozerwania. Podczas testu mierzona jest siła i zmiana długości (= wydłużenie) próbki materiału. Wytrzymałość na rozciąganie jest obliczana na podstawie maksymalnej osiągniętej siły rozciągającej i pola przekroju poprzecznego próbki materiału. Wytrzymałość na rozciąganie jest określona w N/mm².

Obliczanie wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności śrub stalowych

Jak już wspomniano, śruby są oznaczone klasą wytrzymałości. Ta klasa wytrzymałości dostarcza informacji na temat ich wytrzymałości na rozciąganie, tj. siły rozciągającej, jaką może wytrzymać śruba. Wytrzymałość na rozciąganie śruby można zatem z łatwością obliczyć na podstawie klasy wytrzymałości i pola przekroju śruby.

W celu określenia wytrzymałości na rozciąganie dla śrub stalowych, pierwsza liczba specyfikacji wytrzymałości jest mnożona przez współczynnik 100. W poniższej przykładowej ilustracji wynik obliczeń byłby następujący:

W celu obliczenia granicy plastyczności lub granicy wydłużenia (R_p-0,2) śrub stalowych, obie liczby specyfikacji wytrzymałości są najpierw mnożone razem, a następnie mnożone przez współczynnik 10. Na podstawie powyższego przykładu (10,9) otrzymujemy następujące obliczenia:

Obliczanie wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności śrub ze stali nierdzewnej

W przypadku śrub ze stali nierdzewnej specyfikacja wytrzymałości różni się tym, że śruby wykonane ze stali nierdzewnej są oznaczone kombinacją liter i cyfr (np. A4-80). Zapis po lewej stronie myślnika odnosi się do typu stali nierdzewnej zastosowanej śruby. W poniższym przykładzie oznaczenie A4 wskazuje, że śruba ze stali nierdzewnej jest wykonana z austenitycznej stali nierdzewnej (stal V4A). Aby określić wytrzymałość na rozciąganie, wartość po prawej stronie myślnika (80) jest mnożona przez współczynnik 10:

Granica wydłużenia śrub ze stali nierdzewnej często nie jest jasno określona w teście rozciągania. Z tego powodu dla stali nierdzewnej stosowany jest limit rozszerzalności 0,2% określony w próbie rozciągania. Zależy to od surowca i jest dostarczane przez producenta lub musi być określone w normie. Norma DIN EN ISO 3506-1 zawiera informacje na temat limitu wydłużenia określonego dla A1 do A5 w połączeniu z klasami wytrzymałości 50-80 i określonymi zakresami średnic.

Konwersja z MPa na N/mm^2

Wytrzymałość na rozciąganie i ścinanie można określić w różnych jednostkach, a mianowicie w megapaskalach (MPa) i niutonach na milimetr kwadratowy (N/mm²). Obie jednostki są jednak równoważne, ponieważ 1 MPa odpowiada 1 N/mm². Megapaskal jest częścią międzynarodowego układu jednostek (SI) i dlatego jest szeroko stosowany w wielu dziedzinach technicznych i naukowych. Newton na milimetr kwadratowy opiera się bardziej na starszych konwencjach i jest nadal szeroko rozpowszechniony w szczególności w inżynierii mechanicznej. W wielu zastosowaniach technicznych, zwłaszcza w teorii wytrzymałości, siły są mierzone w niutonach (N), a pola powierzchni w milimetrach kwadratowych (mm²). Dlatego jednostka N/mm² jest naturalnym wyborem do obliczania wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie.

Nasza linia produktów w sklepie internetowym MISUMI

Śruby są podstawowymi komponentami w świecie inżynierii mechanicznej i budowy maszyn niestandardowych. MISUMI dostarcza szeroką gamę śrub o różnych klasach wytrzymałości i wykonanych z różnych materiałów. MISUMI oferuje również dodatkowe akcesoria w zależności od wymagań dotyczących połączeń śrubowych, takie jak podkładki, nakrętki, wsporniki lub blokady gwintów.