WZAJEMNE ODDZIAŁYWANIE SIŁ W POŁĄCZENIU ŚRUBOWYM

Naturalne jest dążenie do tego, aby połączenia gwintowe były niezawodne i nie stwarzały ryzyka samoczynnego poluzowania. Aby zapewnić wysoki poziom niezawodności, niezwykle ważne jest zrozumienie sił występujących w połączeniu śrubowym, ponieważ każdy jego element wpływa na końcowy rezultat.

Rysunek 1	Rysunek 2

W uproszczeniu w połączeniu śrubowym mogą występować dwa rodzaje obciążenia statycznego:

Bez siły zacisku – siła jest przenoszona pomiędzy płytami przez naciski powierzchniowe oraz siły ścinające działające w trzpieniu śruby lub w gwincie. Łączone płyty przesuwają się względem siebie do momentu, aż ścianki otworów oprą się o trzpień śruby lub gwint. W takim przypadku śruby są obciążone na ścinanie przez obciążenie poprzeczne; patrz rysunek 1.
Z dużą siłą zacisku – siła zacisku zapobiega wzajemnemu przesuwaniu się zaciśniętych elementów. Siła jest przenoszona przez tarcie, a śruby są obciążone rozciągająco przez obciążenie osiowe; patrz rysunek 2. W przypadku połączeń ze stali nierdzewnej zapoznaj się z naszym przewodnikiem dotyczącym zapobiegania zacieraniu elementów złącznych ze stali nierdzewnej.

Wzajemne przemieszczanie się łączonych elementów jest zazwyczaj niepożądane.

Dlatego w połączeniu śrubowym należy wytworzyć odpowiednią siłę zacisku. Jest to siła napięcia wstępnego uzyskana po dokręceniu nakrętki lub śruby.

Wartość napięcia wstępnego, którą można bezpiecznie zastosować, zależy między innymi od klasy wytrzymałości oraz obciążenia próbnego śruby. Wytrzymałość śruby jest określana przez obróbkę cieplną — dowiedz się więcej o obróbce cieplnej elementów złącznych.

Jeżeli siły działające na konstrukcję regularnie zmieniają kierunek lub nie mają stałej wartości, połączenie jest poddawane obciążeniu dynamicznemu. Jak wyjaśniono poniżej, obciążenie dynamiczne może prowadzić do poluzowania połączeń śrubowych lub pękania śrub.

Aby połączenie prawidłowo spełniało swoją funkcję, szczególnie przy obciążeniu dynamicznym, siła zacisku musi zostać utrzymana.

SPRĘŻYSTA PODATNOŚĆ POŁĄCZENIA GWINTOWEGO

Podczas projektowania i wykonywania połączenia gwintowego bardzo ważne jest zrozumienie następujących kwestii:

Śruby i połączone elementy działają jak jeden sprężysty układ. Zaciśnięte elementy są sprężyście ściskane, natomiast śruba wydłuża się podczas montażu. Jeżeli śruba zostanie dodatkowo wydłużona pod wpływem obciążenia zewnętrznego, zaciśnięte elementy sprężyście odciążają się.
Siła rozciągająca w śrubie jest równa sile ściskającej działającej na zaciśnięte elementy, co przedstawiono na rysunku 3.

Rysunek 3

Równowaga sił w połączeniu śrubowym — schemat pokazujący, że siła rozciągająca w śrubie jest równa sile ściskającej działającej na zaciśnięte elementy

Wzajemną zależność pomiędzy siłą a odkształceniem przedstawia tak zwany trójkąt siła–odkształcenie, pokazany na wykresie A poniżej. Linia 1 na wykresie przedstawia odkształcenie śruby pod wpływem siły rozciągającej. Linia 2 odnosi się do zespołu zaciśniętych elementów, który odkształca się pod wpływem siły ściskającej wytworzonej przez śrubę.

Trójkąt siła–odkształcenie (wykres A) — przedstawiający krzywą wydłużenia śruby oraz krzywą ściskania zaciśniętych elementów przy sile zacisku Fm

fsm = wydłużenie śruby wywołane siłą zacisku Fm

fpm = ściśnięcie zaciśniętych elementów wywołane siłą zacisku Fm

Z powyższego wykresu wynika, że przy sile zacisku Fm wydłużenie śruby jest równe fsm, a ściśnięcie zaciśniętych elementów jest równe fpm. Ponieważ materiały i konstrukcja śruby oraz zaciśniętych elementów są różne, wartości fsm i fpm zazwyczaj nie są sobie równe.

Następnie do połączenia śrubowego przykładane jest obciążenie zewnętrzne Fa; patrz rysunek 4.

Rysunek 4

Zewnętrzne obciążenie osiowe Fa działające na połączenie śrubowe — przedstawia sposób oddziaływania siły zewnętrznej na połączenie wstępnie napięte

Aby przedstawić zewnętrzną siłę rozciągającą Fa na wykresie A, należy umieścić ją pomiędzy obiema charakterystykami odkształcenia. Jeżeli śruba wydłuża się pod wpływem siły zewnętrznej, zaciśnięty materiał odciąża się sprężyście o taką samą wartość; patrz wykres B.

Wykres siła–odkształcenie z obciążeniem zewnętrznym (wykres B) — przedstawiający wzrost obciążenia śruby Fsa, zmniejszenie siły zacisku Fpa oraz resztkową siłę zacisku Fkr

Wpływ sprężystej śruby na rozkład sił (wykres C) — pokazujący, że bardziej płaska krzywa odkształcenia śruby zmniejsza wzrost jej obciążenia pod wpływem siły zewnętrznej

Fm = początkowa siła zacisku w połączeniu

Fa = zewnętrzne obciążenie osiowe

Fpa = zmniejszenie siły zacisku wskutek działania Fa

Fsa = wzrost obciążenia śruby wskutek działania Fa

Fkr = resztkowa siła zacisku w połączeniu

Fs = całkowite obciążenie śruby

BARDZIEJ SPRĘŻYSTA ŚRUBA POWODUJE MNIEJSZY WZROST OBCIĄŻENIA ŚRUBY

Z jednej strony Fa powoduje zmniejszenie siły zacisku, oznaczone jako Fpa. Z drugiej strony powoduje wzrost obciążenia działającego na śrubę, oznaczony jako Fsa.

Wzrost obciążenia śruby powinien być możliwie jak najmniejszy, nie tylko po to, aby uniknąć jej przeciążenia. Jeżeli obciążenie zewnętrzne ma charakter dynamiczny, śruba podlega wahaniom Fsa. Duża amplituda Fsa może szybko doprowadzić do pęknięcia zmęczeniowego. Ponadto resztkowa siła zacisku Fkr nigdy nie może spaść do zera. Jeżeli tak się stanie, połączenie rozdzieli się i przestanie prawidłowo funkcjonować.

Wzrost obciążenia śruby Fsa można ograniczyć poprzez zastosowanie bardziej sprężystej śruby. Dzięki temu krzywa odkształcenia śruby jest mniej stroma, a większa część siły zewnętrznej zostaje przejęta przez zmniejszenie siły zacisku; patrz wykres C.

Ten sam efekt można osiągnąć, stosując bardzo sztywne zaciskane materiały. Krzywa odkształcenia zaciśniętych materiałów staje się bardziej stroma, a większa część siły zewnętrznej zostaje przejęta przez zmniejszenie siły zacisku; patrz wykres D.

Wpływ sztywnych zaciśniętych materiałów na rozkład sił (wykres D) — pokazujący, że bardziej stroma krzywa materiału przejmuje siłę zewnętrzną poprzez zmniejszenie siły zacisku

Sztywniejsze zaciśnięte materiały powodują mniejszy wzrost obciążenia śruby.

W SKRÓCIE

Szczególnie przy obciążeniu dynamicznym niezwykle ważne jest utrzymanie każdego dodatkowego obciążenia śruby na możliwie najniższym poziomie, ponieważ może dojść do nagłego pęknięcia zmęczeniowego.

W przypadku działania obciążenia zewnętrznego istnieje kilka sposobów ograniczenia dodatkowej siły działającej na śrubę:

Elementy konstrukcyjne powinny być możliwie jak najsztywniejsze.
Siła zacisku powinna być możliwie jak największa w bezpiecznych granicach i pozostawać większa od zewnętrznej siły rozdzielającej połączenie.
Można stosować bardziej sprężyste śruby. Należy wybrać wysoki stosunek długości zacisku do średnicy, wynoszący co najmniej 5×D, zastosować dłuższy odcinek gwintowany, jeżeli jest to odpowiednie, a w razie potrzeby użyć śruby z przewężonym trzpieniem. W przypadku połączeń obciążonych dynamicznie zapoznaj się z naszym przewodnikiem dotyczącym metod zabezpieczania elementów złącznych.

PARAMETRY PROJEKTOWE POŁĄCZEŃ ŚRUBOWYCH

Parametr projektowy	Wpływ na obciążenie śruby	Wpływ na siłę zacisku	Zalecenie
Bardziej sprężysta śruba z większym stosunkiem L/D	↓ Zmniejsza dodatkowe obciążenie śruby Fsa	↓ Większe zmniejszenie siły zacisku Fpa	Stosuj długość zacisku wynoszącą co najmniej 5×D.
Sztywne zaciśnięte materiały	↓ Zmniejszają dodatkowe obciążenie śruby Fsa	↓ Większe zmniejszenie siły zacisku Fpa	Stosuj sztywne materiały, takie jak stal lub żeliwo, i w miarę możliwości unikaj miękkich uszczelek.
Wyższe napięcie wstępne Fm	Nie zmienia amplitudy Fsa przy określonej sztywności połączenia	↑ Wyższa resztkowa siła zacisku Fkr	Jeżeli konstrukcja połączenia i metoda dokręcania na to pozwalają, dokręcaj do około 90% obciążenia próbnego śruby.
Zmniejszona średnica trzpienia	↓ Zwiększa sprężystość śruby	Patrz „bardziej sprężysta śruba”	Stosuj śruby zaprojektowane specjalnie z przewężonym trzpieniem. W odpowiednich zastosowaniach śruba z częściowym gwintem, na przykład DIN 931, może mieć dłuższy niegwintowany odcinek trzpienia niż śruba DIN 933.
Dłuższy odcinek gwintowany w obrębie długości zacisku	↓ Zwiększa sprężystość śruby	Patrz „bardziej sprężysta śruba”	Wybierz dłuższy odcinek gwintowany, jeżeli pozwalają na to konstrukcja połączenia i wymagania dotyczące długości zazębienia gwintu.
Miękkie uszczelki lub podkładki	↑ Zwiększają wahania obciążenia śruby	↑ Większa utrata napięcia wstępnego w czasie	W miarę możliwości unikaj miękkich elementów. Jeżeli są niezbędne, rozważ zastosowanie sprężyn talerzowych i odpowiedniej metody zabezpieczenia.
Obciążenie dynamiczne lub drgania	↑ Zwiększa się ryzyko zmęczenia	↓ Ryzyko całkowitej utraty siły zacisku	Zastosuj odpowiednie zabezpieczenie, takie jak podkładki klinujące Nord-Lock lub gwinty Spiralock. Zapoznaj się z naszym przewodnikiem dotyczącym metod zabezpieczania.

NAJCZĘŚCIEJ ZADAWANE PYTANIA DOTYCZĄCE SIŁ W POŁĄCZENIACH ŚRUBOWYCH

Czym jest napięcie wstępne w połączeniu śrubowym?

Napięcie wstępne, oznaczone jako Fm, to początkowa siła zacisku powstająca podczas dokręcania śruby. Ściska ono zaciśnięte elementy i wydłuża śrubę, tworząc sprężysty układ odporny na obciążenia zewnętrzne. Bez odpowiedniego napięcia wstępnego siły zewnętrzne działają bardziej bezpośrednio na śrubę, zwiększając ryzyko pęknięcia zmęczeniowego. Niedostateczne lub utracone napięcie wstępne jest powiązane z około 80% pęknięć śrub występujących podczas eksploatacji.

Dlaczego połączenia śrubowe luzują się pod wpływem drgań?

Drgania mogą powodować mikropoślizgi pomiędzy zaciśniętymi powierzchniami, stopniowo zmniejszając siłę zacisku, czyli napięcie wstępne. W miarę zmniejszania się resztkowej siły zacisku Fkr coraz większa część każdego cyklu obciążenia jest przenoszona bezpośrednio na śrubę w postaci zmiennego naprężenia. Gdy Fkr spadnie do zera, połączenie może się rozdzielić. Elementy zabezpieczające, takie jak podkładki klinujące Nord-Lock lub gwinty Spiralock, pomagają utrzymać napięcie wstępne przy obciążeniu dynamicznym. Zapoznaj się z naszym przewodnikiem dotyczącym metod zabezpieczania elementów złącznych.

Jak sprężystość śruby wpływa na jej trwałość zmęczeniową?

Bardziej sprężystą śrubę można uzyskać poprzez zastosowanie większego stosunku długości zacisku do średnicy, wynoszącego co najmniej 5×D, dłuższego odcinka gwintowanego w obrębie długości zacisku lub przewężonego trzpienia. Na wykresie siła–odkształcenie bardziej płaska krzywa śruby oznacza, że mniejsza część zewnętrznej siły Fa zostaje przekształcona we wzrost obciążenia śruby Fsa. Ponieważ wahania Fsa przyczyniają się do zmęczenia, ograniczenie tego wzrostu może wydłużyć trwałość zmęczeniową śruby.

Czym jest stosunek długości zacisku do średnicy śruby i dlaczego ma znaczenie?

Stosunek długości zacisku do średnicy śruby, nazywany również stosunkiem L/D, jest ilorazem całkowitej grubości zaciśniętych materiałów i nominalnej średnicy śruby. Zalecany jest stosunek wynoszący co najmniej 5:1, ponieważ zapewnia on śrubie odpowiednią sprężystość do przenoszenia obciążeń zewnętrznych bez nadmiernych wahań naprężenia. Krótkie śruby o niskim stosunku L/D są stosunkowo sztywne i przenoszą większą część obciążenia dynamicznego bezpośrednio na śrubę.

Jak wybrać pomiędzy połączeniem śrubowym obciążonym na ścinanie a połączeniem obciążonym na rozciąganie?

W połączeniach obciążonych na ścinanie przez obciążenie poprzeczne siła jest przenoszona poprzez oparcie trzpienia śruby lub gwintu o ściankę otworu. Może to wymagać zastosowania śrub pasowanych, otworów o małym luzie lub otworów rozwiercanych. W połączeniach obciążonych na rozciąganie przez obciążenie osiowe siła zacisku wytwarza tarcie zapobiegające przesuwaniu się płyt. Silnie wstępnie napięte połączenia rozciągane są zazwyczaj bardziej przewidywalne, łatwiejsze do zaprojektowania pod kątem zmęczenia i umożliwiają stosowanie standardowych otworów z luzem. W środowiskach korozyjnych zapoznaj się z naszym przewodnikiem dotyczącym elementów złącznych ze stali nierdzewnej.

Ostatnia aktualizacja: 12 lipca 2026 r.

POWIĄZANE PRODUKTY I PRZEWODNIKI TECHNICZNE

Powiązane produkty

Śruby o wysokiej wytrzymałości w klasach 8.8, 10.9 i 12.9 — odpowiednia wytrzymałość śruby i obciążenie próbne są niezbędne do zastosowania wysokiego napięcia wstępnego. Wytrzymałość śrub jest określana przez obróbkę cieplną; zapoznaj się z naszym przewodnikiem dotyczącym obróbki cieplnej.
Nakrętki do połączeń śrubowych o wysokiej wytrzymałości — wybierz nakrętkę o zgodnej klasie wytrzymałości i specyfikacji gwintu.
Podkładki klinujące Nord-Lock — zaprojektowane w celu utrzymania napięcia wstępnego w połączeniach narażonych na drgania i obciążenia dynamiczne.
Wyszukaj śruby z przewężonym trzpieniem — przewężony trzpień może zwiększyć sprężystość śruby i ograniczyć wahania jej obciążenia.
Sprężyny talerzowe i podkładki Belleville’a — odpowiednie do zastosowań wymagających kontrolowanej kompensacji sprężystej.

Powiązane przewodniki techniczne

Metody zabezpieczania elementów złącznych — porównaj sposoby utrzymania napięcia wstępnego i zapobiegania luzowaniu pod wpływem drgań.
Zapobieganie zacieraniu elementów złącznych ze stali nierdzewnej — dowiedz się, jak tarcie, smarowanie i warunki montażu wpływają na połączenia ze stali nierdzewnej.
Obróbka cieplna elementów złącznych — dowiedz się, jak obróbka cieplna określa wytrzymałość, twardość i właściwości mechaniczne śrub.
Elementy złączne ze stali nierdzewnej — wybierz odpowiednie elementy złączne ze stali nierdzewnej do środowisk korozyjnych.