INTERACȚIUNEA FORȚELOR ÎNTR-O ÎMBINARE CU ȘURUBURI

În mod firesc, este de dorit ca îmbinările filetate să fie fiabile și să nu existe riscul ca acestea să se slăbească de la sine. Pentru a obține un nivel ridicat de fiabilitate, este extrem de important să înțelegem forțele prezente într-o îmbinare cu șuruburi, deoarece fiecare element al îmbinării influențează rezultatul final.

Figura 1	Figura 2

În termeni simpli, există două tipuri posibile de sarcină statică într-o îmbinare cu șuruburi:

Fără forță de strângere — forța este transmisă între plăci prin presiuni de contact și forțe de forfecare în corpul șurubului sau în filet. Plăcile care trebuie îmbinate se deplasează una față de cealaltă până când pereții găurilor se sprijină pe corpul șurubului sau pe filet. În acest caz, șuruburile sunt solicitate la forfecare printr-o sarcină transversală; consultați figura 1.
Cu o forță ridicată de strângere — forța de strângere împiedică deplasarea relativă a pieselor strânse. Forța este transmisă prin frecare, iar șuruburile sunt solicitate la tracțiune printr-o sarcină axială; consultați figura 2. Pentru îmbinările din oțel inoxidabil, consultați ghidul nostru privind prevenirea gripării elementelor de fixare din oțel inoxidabil.

Deplasarea relativă a pieselor care trebuie îmbinate este, de regulă, nedorită.

Prin urmare, în îmbinarea cu șuruburi trebuie aplicată o forță de strângere suficientă. Această forță reprezintă pretensionarea obținută după strângerea piuliței sau a șurubului.

Pretensionarea care poate fi aplicată în siguranță depinde, printre altele, de clasa de rezistență și de sarcina de probă a șurubului. Rezistența șurubului este determinată prin tratament termic — aflați mai multe despre tratamentul termic al elementelor de fixare.

Dacă forțele care acționează asupra structurii își schimbă periodic direcția sau nu sunt constante, îmbinarea este supusă unei sarcini dinamice. După cum se explică mai jos, sarcina dinamică poate provoca slăbirea îmbinărilor cu șuruburi sau ruperea șuruburilor.

Pentru ca o îmbinare să își îndeplinească funcția, în special în cazul unei sarcini dinamice, forța de strângere trebuie menținută.

ELASTICITATEA UNEI ÎMBINĂRI FILETATE

La proiectarea și realizarea unei îmbinări filetate, este foarte important să fie înțelese următoarele aspecte:

Șuruburile și piesele îmbinate funcționează ca un singur sistem elastic. Elementele strânse sunt comprimate elastic, în timp ce șurubul se alungește în timpul montajului. Dacă șurubul se alungește suplimentar din cauza unei sarcini externe, piesele strânse se destind elastic.
Forța de tracțiune din șurub este egală cu forța de compresiune care acționează asupra elementelor strânse, după cum este ilustrat în figura 3.

Figura 3

Echilibrul forțelor într-o îmbinare cu șuruburi — diagramă care arată că forța de tracțiune din șurub este egală cu forța de compresiune asupra elementelor strânse

Interacțiunea dintre forță și deformare este reprezentată într-un așa-numit triunghi forță–deformare, prezentat în graficul A de mai jos. Linia 1 din grafic indică deformarea suferită de șurub ca urmare a forței de tracțiune. Linia 2 se referă la ansamblul pieselor strânse, care se deformează sub influența forței de compresiune generate de șurub.

Triunghi forță–deformare (graficul A) — prezintă curba de alungire a șurubului și curba de comprimare a elementelor strânse la forța de strângere Fm

fsm = alungirea șurubului datorată forței de strângere Fm

fpm = comprimarea elementelor strânse datorată forței de strângere Fm

Graficul de mai sus arată că, la o forță de strângere Fm, alungirea șurubului este egală cu fsm, iar comprimarea pieselor strânse este egală cu fpm. Deoarece materialele și configurațiile șurubului și ale pieselor strânse sunt diferite, fsm și fpm nu sunt, de regulă, egale.

În continuare, asupra îmbinării cu șuruburi este aplicată o sarcină externă Fa; consultați figura 4.

Figura 4

Sarcină axială externă Fa aplicată unei îmbinări cu șuruburi — arată modul în care forța externă acționează asupra îmbinării pretensionate

Pentru a reprezenta această forță externă de tracțiune Fa în graficul A, aceasta trebuie poziționată între cele două caracteristici de deformare. Dacă șurubul se alungește sub acțiunea forței externe, materialul strâns se destinde elastic cu aceeași valoare; consultați graficul B.

Diagramă forță–deformare cu sarcină externă (graficul B) — prezintă creșterea sarcinii șurubului Fsa, reducerea forței de strângere Fpa și forța reziduală de strângere Fkr

Efectul unui șurub elastic asupra distribuției forțelor (graficul C) — arată că o curbă de deformare mai puțin înclinată reduce creșterea sarcinii șurubului sub acțiunea unei forțe externe

Fm = forța inițială de strângere din îmbinare

Fa = sarcina axială externă

Fpa = reducerea forței de strângere ca urmare a Fa

Fsa = creșterea sarcinii șurubului ca urmare a Fa

Fkr = forța reziduală de strângere din îmbinare

Fs = sarcina totală exercitată asupra șurubului

UN ȘURUB MAI ELASTIC PRODUCE O CREȘTERE MAI MICĂ A SARCINII ȘURUBULUI

Pe de o parte, Fa determină o reducere a forței de strângere, identificată ca Fpa. Pe de altă parte, determină o creștere a sarcinii care acționează asupra șurubului, identificată ca Fsa.

Este de dorit ca această creștere a sarcinii șurubului să fie menținută la un nivel cât mai redus, nu numai pentru a preveni suprasolicitarea șurubului. Dacă sarcina externă este dinamică, șurubul este supus variațiilor Fsa. O amplitudine ridicată a Fsa poate provoca rapid o rupere prin oboseală. În plus, forța reziduală de strângere Fkr nu trebuie să ajungă niciodată la zero. Dacă se întâmplă acest lucru, îmbinarea se separă și nu mai poate funcționa corect.

Creșterea sarcinii șurubului Fsa poate fi limitată prin utilizarea unui șurub mai elastic. Astfel, curba de deformare a șurubului devine mai puțin înclinată, permițând ca o parte mai mare a forței externe să fie absorbită prin reducerea forței de strângere; consultați graficul C.

Același efect poate fi obținut prin utilizarea unor materiale strânse foarte rigide. Curba de deformare a materialelor strânse devine mai abruptă, iar cea mai mare parte a forței externe este absorbită prin reducerea forței de strângere; consultați graficul D.

Efectul materialelor strânse rigide asupra distribuției forțelor (graficul D) — arată că o curbă mai abruptă a materialului absoarbe forța externă prin reducerea forței de strângere

Materialele strânse mai rigide determină o creștere mai mică a sarcinii șurubului.

PE SCURT

În special în cazul sarcinilor dinamice, este extrem de important ca orice sarcină suplimentară asupra șurubului să fie menținută la un nivel cât mai redus, deoarece poate apărea o rupere bruscă prin oboseală.

Atunci când este aplicată o sarcină externă, există mai multe metode de limitare a forței suplimentare care acționează asupra șurubului:

Elementele structurale trebuie să fie cât mai rigide posibil.
Forța de strângere trebuie să fie cât mai ridicată posibil în limite de siguranță și trebuie să rămână mai mare decât forța externă care tinde să separe îmbinarea.
Pot fi utilizate șuruburi mai elastice. Alegeți un raport ridicat între lungimea de strângere și diametru, de minimum 5×D, selectați o lungime filetată mai mare acolo unde este adecvat și, dacă este necesar, utilizați un șurub cu tijă redusă. Pentru îmbinările supuse sarcinilor dinamice, consultați ghidul nostru privind metodele de asigurare a elementelor de fixare.

PARAMETRII DE PROIECTARE AI ÎMBINĂRILOR CU ȘURUBURI

Parametru de proiectare	Efect asupra sarcinii șurubului	Efect asupra forței de strângere	Recomandare
Șurub mai elastic, cu un raport L/D mai mare	↓ Reduce sarcina suplimentară a șurubului Fsa	↓ Reducere mai mare a forței de strângere Fpa	Utilizați o lungime de strângere de minimum 5×D.
Materiale strânse rigide	↓ Reduc sarcina suplimentară a șurubului Fsa	↓ Reducere mai mare a forței de strângere Fpa	Utilizați materiale rigide, precum oțelul sau fonta, și evitați pe cât posibil garniturile moi.
Pretensionare Fm mai ridicată	Nu modifică amplitudinea Fsa pentru o rigiditate dată a îmbinării	↑ Forță reziduală de strângere Fkr mai ridicată	Atunci când proiectarea îmbinării și metoda de strângere permit acest lucru, strângeți la aproximativ 90% din sarcina de probă a șurubului.
Diametru redus al tijei	↓ Mărește elasticitatea șurubului	Consultați „șurub mai elastic”	Utilizați șuruburi proiectate special cu tijă redusă. Acolo unde este adecvat, un șurub parțial filetat, precum DIN 931, poate avea o porțiune netedă mai lungă decât un șurub DIN 933.
Lungime filetată mai mare în interiorul lungimii de strângere	↓ Mărește elasticitatea șurubului	Consultați „șurub mai elastic”	Selectați o lungime filetată mai mare atunci când proiectarea îmbinării și cerințele privind lungimea de angrenare a filetului permit acest lucru.
Garnituri sau șaibe moi	↑ Măresc variațiile sarcinii șurubului	↑ Pierdere mai mare a pretensionării în timp	Evitați pe cât posibil elementele moi. Dacă acestea nu pot fi evitate, luați în considerare utilizarea arcurilor-disc și a unei metode adecvate de asigurare.
Sarcină dinamică sau vibrații	↑ Crește riscul de oboseală	↓ Risc de pierdere totală a forței de strângere	Utilizați o soluție adecvată de asigurare, precum șaibele de blocare cu pană Nord-Lock sau filetele Spiralock. Consultați ghidul nostru privind metodele de asigurare.

ÎNTREBĂRI FRECVENTE DESPRE FORȚELE DIN ÎMBINĂRILE CU ȘURUBURI

Ce este pretensionarea într-o îmbinare cu șuruburi?

Pretensionarea, identificată ca Fm, este forța inițială de strângere creată atunci când un șurub este strâns. Aceasta comprimă piesele strânse și alungește șurubul, creând un sistem elastic care rezistă sarcinilor externe. Fără o pretensionare suficientă, forțele externe acționează mai direct asupra șurubului, crescând riscul unei ruperi prin oboseală. Pretensionarea insuficientă sau pierdută este asociată cu aproximativ 80% dintre ruperile șuruburilor în exploatare.

De ce se slăbesc îmbinările cu șuruburi sub acțiunea vibrațiilor?

Vibrațiile pot provoca microalunecări între suprafețele strânse, reducând treptat forța de strângere sau pretensionarea. Pe măsură ce forța reziduală de strângere Fkr scade, o parte mai mare din fiecare ciclu de sarcină este transferată direct șurubului sub forma unei tensiuni variabile. Atunci când Fkr ajunge la zero, îmbinarea se poate separa. Dispozitivele de asigurare, precum șaibele de blocare cu pană Nord-Lock sau filetele Spiralock, ajută la menținerea pretensionării sub sarcini dinamice. Consultați ghidul nostru privind metodele de asigurare a elementelor de fixare.

Cum influențează elasticitatea șurubului durata de viață la oboseală?

Un șurub mai elastic poate fi obținut printr-un raport mai mare între lungimea de strângere și diametru, de minimum 5×D, printr-o secțiune filetată mai lungă în interiorul lungimii de strângere sau prin utilizarea unei tije reduse. În diagrama forță–deformare, o curbă mai puțin înclinată a șurubului înseamnă că o parte mai mică din forța externă Fa se transformă într-o creștere a sarcinii șurubului Fsa. Deoarece variațiile Fsa contribuie la oboseală, reducerea acestei creșteri poate prelungi durata de viață la oboseală a șurubului.

Ce este raportul dintre lungimea de strângere și diametrul șurubului și de ce este important?

Raportul dintre lungimea de strângere și diametrul șurubului, denumit și raport L/D, reprezintă grosimea totală a materialelor strânse împărțită la diametrul nominal al șurubului. Se recomandă un raport de minimum 5:1, deoarece acesta face șurubul suficient de elastic pentru a prelua sarcinile externe fără variații excesive ale tensiunii. Șuruburile scurte, cu un raport L/D redus, sunt relativ rigide și transferă o parte mai mare din sarcina dinamică direct către șurub.

Cum aleg între o îmbinare cu șuruburi solicitată la forfecare și una solicitată la tracțiune?

În îmbinările solicitate la forfecare printr-o sarcină transversală, forța este transmisă prin contactul corpului șurubului sau al filetului cu peretele găurii. Acest lucru poate necesita șuruburi ajustate, găuri cu toleranțe reduse sau găuri alezate. În îmbinările solicitate la tracțiune printr-o sarcină axială, forța de strângere creează frecare, împiedicând deplasarea plăcilor. Îmbinările la tracțiune cu pretensionare ridicată sunt, în general, mai previzibile, mai ușor de proiectat împotriva oboselii și compatibile cu găuri de trecere standard. Pentru medii corozive, consultați ghidul nostru privind elementele de fixare din oțel inoxidabil.

Ultima actualizare: 12 iulie 2026

PRODUSE ȘI GHIDURI TEHNICE ASOCIATE

Produse asociate

Șuruburi de înaltă rezistență din clasele 8.8, 10.9 și 12.9 — o rezistență adecvată și o sarcină de probă corespunzătoare sunt esențiale pentru aplicarea unei pretensionări ridicate. Rezistența șuruburilor este determinată prin tratament termic; consultați ghidul nostru privind tratamentul termic.
Piulițe pentru îmbinări cu șuruburi de înaltă rezistență — selectați o piuliță cu o clasă de rezistență și o specificație a filetului compatibile.
Șaibe de blocare cu pană Nord-Lock — proiectate pentru a contribui la menținerea pretensionării în îmbinările supuse vibrațiilor și sarcinilor dinamice.
Căutați șuruburi cu tijă redusă — o tijă redusă poate crește elasticitatea șurubului și poate reduce variațiile sarcinii acestuia.
Arcuri-disc și șaibe Belleville — adecvate pentru aplicații care necesită o compensare elastică controlată.

Ghiduri tehnice asociate

Metode de asigurare a elementelor de fixare — comparați metodele de menținere a pretensionării și de prevenire a slăbirii cauzate de vibrații.
Prevenirea gripării elementelor de fixare din oțel inoxidabil — aflați cum influențează frecarea, lubrifierea și condițiile de montaj îmbinările din oțel inoxidabil.
Tratamentul termic al elementelor de fixare — aflați cum determină tratamentul termic rezistența, duritatea și proprietățile mecanice ale șuruburilor.
Elemente de fixare din oțel inoxidabil — selectați elementele de fixare din oțel inoxidabil adecvate pentru medii corozive.