Fot. Böllhof, Gedore, Würth, archiwum

System naprawy uszkodzonych gniazd gwintowanych za pomocą nakładki spiralnej

W pojazdach drogowych części wszelkich mechanizmów łączone są przeważnie śrubami. Umożliwia to wielokrotną ich rozbiórkę, lecz przy nieprawidłowym montażu może być też przyczyną groźnych awarii.

Połączenia śrubowe w silnikach spalinowych i ich osprzęcie, a także w różnych częściach układów przeniesienia napędu mają tendencję do samoczynnego rozkręcania się, ponieważ pracują pod zmiennymi obciążeniami lub/i uczestniczą w drganiach złączonych elementów. ĺruba jest bowiem w sensie fizycznym odmianą równi pochyłej nawiniętej na walec, czyli maszyny prostej o odwracalnym działaniu. W czasie dokręcania połączenia siła przyłożona stycznie do obwodu walca dzieli się na dwie składowe, z których pierwsza działa wzdłuż osi śruby, powodując naprężenie jej rdzenia, a druga wymusza wzajemne, ślizgowe przemieszczanie się zwojów gwintu zewnętrznego i wewnętrznego.

^{Rys.: Kinematyka gwintu na przykładzie jednego zwoju: S - siła styczna do obwodu śruby; Q - siła działająca wzdłuż osi śruby; O, O' - punkty wyznaczające oś śruby; M, M1, M2 - punkty wyznaczające obrót gwintu}

^{Rys.: Linia śrubowa jako równia pochyła nawinięta na walec}

^{Rys.: Podstawowe wymiary połączenia gwintowanego}

Proporcje pomiędzy tymi siłami zależą od kąta nachylenia równi pochyłej, czyli od skoku gwintu. Im skok gwintu jest mniejszy, tym większa część siły obracającej śrubę służy do jej naprężania.

W sytuacji odwrotnej siła działająca na śrubę w kierunku zgodnym z jej osią dzieli się na składową dociskającą wzajemnie zwoje współpracujących ze sobą gwintów i składową wymuszającą obrót śruby. Im większy jest skok gwintu, tym większa część siły obciążającej śrubę działa w kierunku stycznym do obwodu jej walca, czyli powoduje rozkręcanie połączenia.

Prawidłowy montaż połączeń śrubowych

	Stabilny stan połączenia śrubowego, niezbędny dla jego prawidłowego funkcjonowania, wymaga zabezpieczenia śruby przed samoczynnym odkręcaniem się. Jeśli wzdłuż osi śruby działa tylko jej naprężenie wstępne, wprowadzone w czasie montażu połączenia, i drgania mogące powodować wzajemne przemieszczanie się gwintów - wystarczy jedynie zabezpieczyć śrubę (lub nakrętkę) przed obracaniem się. Służą do tego celu rozmaite rodzaje podkładek sprężystych i cierne wkładki nakrętek, zakleszczające się na gwincie śruby. Przy połączeniach poddawanych intensywnym i zmiennym obciążeniom zewnętrznym (np. w mocowaniu głowic silników i panewek wałów korbowych) tego rodzaju zabezpieczenia są nieskuteczne, ponieważ nie zapewniają powrotu śruby do jej pierwotnego położenia po ewentualnym, krótkotrwałym przemieszczeniu kątowym, wywołanym wzdłużnym obciążeniem rdzenia. Jedyną prawidłową metodą zabezpieczenia jest w tym wypadku wywołanie odpowiedniego wstępnego naprężenia śruby, zdolnego dzięki jej sprężystości kompensować osiowe obciążenia zewnętrzne. Konstruktor danego mechanizmu uzyskuje ten efekt przez odpowiedni dobór takich parametrów połączenia gwintowego, jak: średnica nominalna śruby, skok jej gwintu, cechy wytrzymałościowe rdzenia i wartość jego wstępnego naprężenia przy pełnym dokręceniu. Dlatego w trakcie przeprowadzanych napraw obowiązuje bezwzględnie zachowanie wszystkich wymienionych tu parametrów jakościowych przy wymianie śrub. Naprężenie rdzenia nie daje się w praktyce warsztatowej mierzyć bezpośrednio, więc w instrukcjach naprawczych określało się dawniej odpowiadającą mu wartość momentu dokręcenia, regulowaną dzięki użyciu klucza dynamometrycznego.
Rys.: Najczęściej stosowane przekroje gwintów
Rys.: Typowe połączenia śrubowe. Od lewej: śruba z nakrętką, wkręt, śruba dwustronna (szpilka)
Rys.: Statyczne zabezpieczenia śrub i nakrętek

Dla nowszych konstrukcji silników metoda ta okazała się za mało dokładna. Wraz ze wzrostem naprężenia w rdzeniu zwiększa się bowiem tarcie pomiędzy współpracującymi ze sobą powierzchniami połączenia gwintowego (zwojami gwintu wewnętrznego i zewnętrznego, a także płaszczyznami oporowymi śrub i nakrętek). Część momentu obrotowego zużywana na pokonanie tego tarcia jest trudna do jednoznacznego określenia, gdyż zależy ona od gładkości współpracujących ciernie powierzchni, dokładności wykonania gwintów i ich ewentualnego pokrycia różnymi rodzajami materiałów smarnych. Dlatego obecnie coraz powszechniej stosowana jest zasada dokręcania dwustopniowego: w pierwszej fazie naprężania śruby korzysta się z pomiaru momentu kluczem dynamometrycznym, a potem konieczne staje się użycie klucza z wbudowanym kątomierzem dla dalszego obrócenia śruby lub nakrętki o określony kąt.

Rodzaje śrub stosowanych w pojazdach

Połączenia standardowe wykonywane są z użyciem klasycznych śrub z łbami sześciokątnymi i sześciokątnych nakrętek bądź też wkrętów obsługiwanych wkrętakami płaskimi albo krzyżowymi. Stosowane są w nich przeważnie gwinty metryczne drobnozwojowe (o zmniejszonym skoku). Gwinty zwykłe (o standardowym skoku) spotyka się tylko w połączeniach mniej odpowiedzialnych, np. przy mocowaniu elementów poszycia nadwozi, osłon silników, misek olejowych itp.

Śruby specjalne stosowane są wówczas, gdy producent pojazdu celowo chce utrudnić rozbiórkę jego elementów osobom niekompetentnym lub w konstrukcji danego mechanizmu nie ma miejsca na standardowe kształty nakrętek i łbów. Do tego rodzaju elementów łączących należą:

• śruby z łbami o sześciokątach (lub czworokątach) wewnętrznych, przystosowanych do współpracy z kluczami wewnętrznymi (imbusowymi);
• śruby z wielokarbowymi zazębieniami łbów typu torx (wewnętrznymi lub zewnętrznymi);
• śruby lub nakrętki z zazębieniem otworkowym lub mimośrodowym, dające się obracać wyłącznie specjalnymi kluczami pazurkowymi lub mimośrodowymi.

Do śrub specjalnych zaliczyć można również tzw. szpilki, czyli śruby z obustronnym gwintem. Do ich wkręcania w otwory gwintowane lub wykręcania z nich używa się specjalnych kluczy zaciskowych o konstrukcji kleszczowej lub krążkowej, obejmujących środkową, niegwintowaną część trzpienia.

Nowym, lecz coraz powszechniej stosowanym śrubowym elementem łączącym są wkręty samogwintujące. Główną zaletą tego rozwiązania jest znaczna obniżka kosztów produkcji łączonych w ten sposób podzespołów. Wkręt tego rodzaju współpracuje z gniazdem wykonanym w jednym z łączonych elementów i otworem przelotowym w drugim. Do wykonania gniazda wystarcza tylko wywiercenie otworu o odpowiedniej średnicy lub nawet jego uformowanie w trakcie wykonywania odlewu bądź blaszanej wytłoczki.

Tradycyjne śruby w połączeniach elementów odlewanych osadza się w gwintowanych gniazdach, a te z kolei można wykonywać różnymi metodami. Wariant najdroższy polega na wywierceniu otworu w litym materiale i zukosowaniu pogłębiaczem jego krawędzi, nacięciu gwintu (w jednym lub kilku przejściach gwintownika) oraz usunięciu opiłków powstających w trakcie wcześniejszych faz obróbki. W najtańszym wykorzystuje się otwór wykonany podczas odlewania, pozostaje więc tylko gwintowanie i czyszczenie z opiłków. Koszty obróbki są więc podobne, jak przy zastosowaniu wkrętu samogwintującego w wierconym otworze. Jeśli jednak taki sam wkręt osadzi się w otworze odlewanym, koszty obróbki gniazda nie występują w ogóle.

Rys.: Przyrządy do awaryjnego demontażu połączeń: po lewej - wkrętaki do usuwania śrub urwanych w gniazdach, w środku - przecinak śrubowy do zapieczonych nakrętek, po prawej - klucz samozaciskowy do obsługi szpilek

Wkręt samogwintujący przenosi obciążenia całą długością swej gwintowanej części, a dodatkowa jego zaleta w porównaniu z tradycyjną śrubą polega na tym, że gwint w gnieździe kształtowany jest z luzem zerowym lub nawet ujemnym, a poszczególne zwoje wykonywane są na zasadzie obróbki plastycznej. Dzięki temu wkręty samogwintujące są też bardziej niż tradycyjne śruby odporne na samoczynne odkręcanie się.

Naprawa połączeń uszkodzonych

Uszkodzenia połączeń śrubowych w naprawianych pojazdach dzielą się na dwa zasadnicze rodzaje. W pierwszym stan połączenia uniemożliwia jego normalny demontaż - mimo zastosowania odpowiednich narzędzi, w drugim na skutek uszkodzenia gwintu połączenie zdemontowane nie daje się ponownie zmontować.

W pierwszym wypadku konieczne staje się postępowanie awaryjne, polegające na przecinaniu zapieczonych nakrętek specjalnymi przecinakami hydraulicznymi. Końcówki urwanych śrub i wkrętów usuwa się z gniazd za pomocą tzw. wykrętaków, czyli specjalnych wkrętów o odwrotnym kierunku stożkowego gwintu wykonanych ze stali narzędziowej, a współpracujących z otworami wierconymi w uszkodzonych rdzeniach.

^{Rys.: Naprawa otworów gwintowanych metodą tulejowania: 1. kompletne oprzyrządowanie, 2. tulejka dwustronnie gwintowana, 3. charakterystyczne wymiary tulejki, 4. przygotowanie otworu do gwintowania}

Naprawa uszkodzonych gwintów stosowana bywa tylko w przypadku otworów gwintowanych w dużych elementach mechanizmów (kadłuby, głowice, obudowy). Może ona polegać wyłącznie na tulejowaniu gniazd gwintowanymi elementami pośrednimi (systemowymi bądź wykonanymi doraźnie za pomocą klasycznych metod ślusarskich) lub na zastosowaniu spiralnych wkładek naprawczych.

Tweet

Redakcja Miesięcznika Branżowego Autonaprawa