VZÁJEMNÉ PŮSOBENÍ SIL VE ŠROUBOVÉM SPOJI

Je samozřejmě žádoucí, aby závitové spoje byly spolehlivé a nehrozilo jejich samovolné uvolnění. Pro dosažení vysoké spolehlivosti je mimořádně důležité porozumět silám působícím ve šroubovém spoji, protože každý prvek spoje ovlivňuje konečný výsledek.

Obrázek 1	Obrázek 2

Zjednodušeně řečeno existují ve šroubovém spoji dva možné typy statického zatížení:

Bez svěrné síly – síla se mezi deskami přenáší plošným tlakem a smykovými silami v dříku šroubu nebo v závitu. Spojované desky se vůči sobě posouvají, dokud se stěny otvorů neopřou o dřík šroubu nebo závit. V tomto případě jsou šrouby namáhány ve smyku příčným zatížením; viz obrázek 1.
S vysokou svěrnou silou – svěrná síla zabraňuje vzájemnému posunutí sevřených dílů. Síla je přenášena třením a šrouby jsou namáhány v tahu osovým zatížením; viz obrázek 2. U spojů z korozivzdorné oceli si přečtěte náš průvodce prevencí zadírání spojovacích prvků z korozivzdorné oceli.

Vzájemné posunutí spojovaných dílů je obvykle nežádoucí.

Ve šroubovém spoji proto musí být vytvořena dostatečná svěrná síla. Tato síla představuje předpětí, které vznikne po utažení matice nebo šroubu.

Bezpečně použitelná velikost předpětí závisí mimo jiné na pevnostní třídě a zkušebním zatížení šroubu. Pevnost šroubu je určena tepelným zpracováním — zjistěte více o tepelném zpracování spojovacích prvků.

Pokud síly působící na konstrukci pravidelně mění směr nebo nejsou konstantní, je spoj vystaven dynamickému zatížení. Jak je vysvětleno níže, dynamické zatížení může vést k uvolnění šroubového spoje nebo k prasknutí šroubu.

Aby spoj správně plnil svou funkci, zejména při dynamickém zatížení, musí být svěrná síla zachována.

PRUŽNÁ PODDAJNOST ZÁVITOVÉHO SPOJE

Při navrhování a vytváření závitového spoje je velmi důležité porozumět následujícím bodům:

Šrouby a spojované díly fungují jako jeden pružně poddajný celek. Sevřené díly jsou pružně stlačovány, zatímco šroub se při montáži prodlužuje. Pokud se šroub vlivem vnějšího zatížení dále prodlouží, sevřené díly se o stejnou hodnotu pružně odlehčí.
Tahová síla ve šroubu se rovná tlakové síle působící na sevřené díly, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3

Rovnováha sil ve šroubovém spoji — schéma znázorňující, že tahová síla ve šroubu se rovná tlakové síle působící na sevřené díly

Vzájemný vztah mezi silou a deformací je znázorněn v takzvaném silově-deformačním trojúhelníku, jak ukazuje graf A níže. Čára 1 v grafu znázorňuje deformaci šroubu způsobenou tahovou silou. Čára 2 se vztahuje k soustavě sevřených dílů, která se deformuje působením tlakové síly vytvořené šroubem.

Silově-deformační trojúhelník (graf A) — znázorňující křivku prodloužení šroubu a křivku stlačení sevřených dílů při svěrné síle Fm

fsm = prodloužení šroubu v důsledku svěrné síly Fm

fpm = stlačení sevřených dílů v důsledku svěrné síly Fm

Z výše uvedeného grafu vyplývá, že při svěrné síle Fm se prodloužení šroubu rovná fsm a stlačení sevřených dílů se rovná fpm. Protože se materiály a konstrukce šroubu a sevřených dílů liší, nejsou hodnoty fsm a fpm obvykle stejné.

Na šroubový spoj je následně aplikováno vnější zatížení Fa; viz obrázek 4.

Obrázek 4

Vnější osové zatížení Fa působící na šroubový spoj — znázorňuje působení vnější síly na předepnutý spoj

Aby bylo možné tuto vnější tahovou sílu Fa zakreslit do grafu A, musí být vložena mezi obě deformační charakteristiky. Pokud se šroub působením vnější síly prodlouží, sevřené díly se o stejnou hodnotu pružně odlehčí; viz graf B.

Silově-deformační diagram s vnějším zatížením (graf B) — znázorňující zvýšení zatížení šroubu Fsa, snížení svěrné síly Fpa a zbytkovou svěrnou sílu Fkr

Vliv pružnějšího šroubu na rozložení sil (graf C) — znázorňuje, že plošší deformační křivka šroubu snižuje nárůst zatížení šroubu vlivem vnější síly

Fm = původní svěrná síla ve spoji

Fa = vnější osové zatížení

Fpa = snížení svěrné síly v důsledku Fa

Fsa = zvýšení zatížení šroubu v důsledku Fa

Fkr = zbytková svěrná síla ve spoji

Fs = celkové zatížení šroubu

PRUŽNĚJŠÍ ŠROUB ZPŮSOBUJE MENŠÍ NÁRŮST ZATÍŽENÍ ŠROUBU

Na jedné straně způsobuje Fa snížení svěrné síly, označované jako Fpa. Na druhé straně způsobuje zvýšení zatížení působícího na šroub, označované jako Fsa.

Je žádoucí udržet nárůst zatížení šroubu co nejnižší, a to nejen proto, aby nedošlo k přetížení šroubu. Pokud je vnější zatížení dynamické, šroub je vystaven kolísání síly Fsa. Vysoká amplituda Fsa může rychle způsobit únavový lom. Zbytková svěrná síla Fkr navíc nikdy nesmí klesnout na nulu. Pokud k tomu dojde, spoj se otevře a přestane správně fungovat.

Nárůst zatížení šroubu Fsa lze omezit použitím pružnějšího šroubu. Deformační křivka šroubu je pak méně strmá, takže větší část vnější síly je absorbována snížením svěrné síly; viz graf C.

Stejného účinku lze dosáhnout použitím velmi tuhých sevřených materiálů. Jejich deformační křivka se stane strmější a většina vnější síly je absorbována snížením svěrné síly; viz graf D.

Vliv tuhých sevřených materiálů na rozložení sil (graf D) — znázorňuje, že strmější křivka sevřeného materiálu absorbuje vnější sílu prostřednictvím snížení svěrné síly

Tužší sevřené materiály způsobují menší nárůst zatížení šroubu.

STRUČNĚ

Zejména při dynamickém zatížení je mimořádně důležité udržet jakékoliv dodatečné zatížení šroubu co nejnižší, protože může dojít k náhlému únavovému lomu.

Při působení vnějšího zatížení lze dodatečnou sílu působící na šroub omezit několika způsoby:

Konstrukční díly by měly být co nejtužší.
Svěrná síla by měla být co nejvyšší v rámci bezpečných mezí a měla by zůstat vyšší než vnější oddělující síla.
Lze použít pružnější šrouby. Zvolte vysoký poměr upínací délky k průměru, minimálně 5×D, podle potřeby zvolte větší délku závitu a v případě nutnosti použijte šroub se zúženým dříkem. U dynamicky namáhaných spojů si přečtěte náš průvodce metodami zajištění spojovacích prvků.

KONSTRUKČNÍ PARAMETRY ŠROUBOVÝCH SPOJŮ

Konstrukční parametr	Vliv na zatížení šroubu	Vliv na svěrnou sílu	Doporučení
Pružnější šroub s vyšším poměrem L/D	↓ Snižuje dodatečné zatížení šroubu Fsa	↓ Větší snížení svěrné síly Fpa	Použijte upínací délku minimálně 5×D.
Tuhé sevřené materiály	↓ Snižují dodatečné zatížení šroubu Fsa	↓ Větší snížení svěrné síly Fpa	Používejte tuhé materiály, jako je ocel nebo litina, a pokud možno se vyhněte měkkým těsněním.
Vyšší předpětí Fm	Při stejné tuhosti spoje nemění amplitudu Fsa	↑ Vyšší zbytková svěrná síla Fkr	Pokud to konstrukce spoje a metoda utahování umožňují, utahujte přibližně na 90 % zkušebního zatížení šroubu.
Zmenšený průměr dříku	↓ Zvyšuje pružnost šroubu	Viz „pružnější šroub“	Použijte speciálně navržené šrouby se zúženým dříkem. Pokud je to vhodné, může mít částečně závitovaný šroub, například DIN 931, delší hladkou část dříku než šroub DIN 933.
Větší délka závitu v rámci upínací délky	↓ Zvyšuje pružnost šroubu	Viz „pružnější šroub“	Zvolte větší délku závitu, pokud to konstrukce spoje a požadovaná délka závitového záběru umožňují.
Měkká těsnění nebo podložky	↑ Zvyšují kolísání zatížení šroubu	↑ Větší ztráta předpětí v průběhu času	Měkkým prvkům se pokud možno vyhněte. Pokud jsou nezbytné, zvažte použití talířových pružin a vhodného způsobu zajištění.
Dynamické zatížení nebo vibrace	↑ Zvyšuje se riziko únavového poškození	↓ Riziko úplné ztráty svěrné síly	Použijte vhodné zajišťovací řešení, například klínové pojistné podložky Nord-Lock nebo závity Spiralock. Přečtěte si náš průvodce metodami zajištění.

ČASTÉ OTÁZKY O SILÁCH VE ŠROUBOVÝCH SPOJÍCH

Co je předpětí ve šroubovém spoji?

Předpětí, označované jako Fm, je počáteční svěrná síla vytvořená při utažení šroubu. Stlačuje sevřené díly a prodlužuje šroub, čímž vytváří pružný systém odolávající vnějšímu zatížení. Bez dostatečného předpětí působí vnější síly přímočařeji na šroub, což zvyšuje riziko únavového lomu. Nedostatečné nebo ztracené předpětí je spojováno přibližně s 80 % provozních lomů šroubů.

Proč se šroubové spoje při vibracích uvolňují?

Vibrace mohou způsobovat mikropohyby mezi sevřenými povrchy, které postupně snižují svěrnou sílu neboli předpětí. S poklesem zbytkové svěrné síly Fkr se větší část každého zatěžovacího cyklu přenáší přímo na šroub ve formě proměnlivého napětí. Jakmile Fkr klesne na nulu, může se spoj otevřít. Zajišťovací prvky, jako jsou klínové pojistné podložky Nord-Lock nebo závity Spiralock, pomáhají udržovat předpětí při dynamickém zatížení. Přečtěte si náš průvodce metodami zajištění spojovacích prvků.

Jak pružnost šroubu ovlivňuje jeho únavovou životnost?

Pružnějšího šroubu lze dosáhnout vyšším poměrem upínací délky k průměru, minimálně 5×D, delší závitovou částí v rámci upínací délky nebo zúženým dříkem. V silově-deformačním diagramu znamená plošší křivka šroubu, že se menší část vnější síly Fa přemění na zvýšení zatížení šroubu Fsa. Protože kolísání Fsa přispívá k únavě materiálu, může omezení tohoto nárůstu prodloužit únavovou životnost šroubu.

Co je poměr upínací délky k průměru šroubu a proč je důležitý?

Poměr upínací délky k průměru šroubu, označovaný také jako poměr L/D, představuje celkovou tloušťku sevřených materiálů vydělenou jmenovitým průměrem šroubu. Doporučuje se poměr alespoň 5:1, protože šroub je díky němu dostatečně pružný, aby dokázal přenášet vnější zatížení bez nadměrného kolísání napětí. Krátké šrouby s nízkým poměrem L/D jsou poměrně tuhé a přenášejí větší část dynamického zatížení přímo do šroubu.

Jak vybrat mezi šroubovým spojem namáhaným ve smyku a spojem namáhaným v tahu?

U spojů namáhaných ve smyku příčným zatížením se síla přenáší kontaktem dříku šroubu nebo závitu se stěnou otvoru. To může vyžadovat lícované šrouby, otvory s malou vůlí nebo vystružené otvory. U spojů namáhaných v tahu osovým zatížením vytváří svěrná síla tření, které zabraňuje posunutí desek. Vysoce předepnuté tahové spoje jsou obecně lépe předvídatelné, snáze se navrhují s ohledem na únavu a umožňují použití běžných průchozích otvorů. Pro korozivní prostředí si přečtěte náš průvodce spojovacími prvky z korozivzdorné oceli.

Poslední aktualizace: 12. července 2026

SOUVISEJÍCÍ PRODUKTY A TECHNICKÉ PŘÍRUČKY

Související produkty

Vysokopevnostní šrouby pevnostních tříd 8.8, 10.9 a 12.9 — vhodná pevnost šroubu a zkušební zatížení jsou nezbytné pro vytvoření vysokého předpětí. Pevnost šroubu je určena tepelným zpracováním; přečtěte si náš průvodce tepelným zpracováním.
Matice pro vysokopevnostní šroubové spoje — vyberte matici s odpovídající pevnostní třídou a specifikací závitu.
Klínové pojistné podložky Nord-Lock — jsou navrženy tak, aby pomáhaly udržovat předpětí ve spojích vystavených vibracím a dynamickému zatížení.
Vyhledat šrouby se zúženým dříkem — zúžený dřík může zvýšit pružnost šroubu a snížit kolísání jeho zatížení.
Talířové pružiny a Bellevilleovy podložky — jsou vhodné pro aplikace vyžadující řízenou pružnou kompenzaci.

Související technické příručky

Metody zajištění spojovacích prvků — porovnejte způsoby zachování předpětí a prevence uvolňování vlivem vibrací.
Prevence zadírání spojovacích prvků z korozivzdorné oceli — zjistěte, jak tření, mazání a montážní podmínky ovlivňují spoje z korozivzdorné oceli.
Tepelné zpracování spojovacích prvků — zjistěte, jak tepelné zpracování ovlivňuje pevnost, tvrdost a mechanické vlastnosti šroubů.
Spojovací prvky z korozivzdorné oceli — vyberte vhodné spojovací prvky z korozivzdorné oceli pro korozivní prostředí.