Automobilové šrouby: Typy, aplikace a průvodce výběrem

Čím se šrouby pro automobily liší

Automobilové šrouby jsou zkonstruované spojovací prvky speciálně navržené tak, aby vydržely jedinečné požadavky prostředí vozidla, včetně konstantní vibrace, kolísání teploty od -40 °F do 300 °F a vystavení olejům, palivům a silničním solím . Na rozdíl od standardních šroubů pro železářství musí spojovací prvky automobilové třídy splňovat přísné normy kvality, jako je ISO 898-1 pro metrické šrouby nebo SAE J429 pro spojovací prvky palcové řady, což zajišťuje, že si udrží upínací sílu a strukturální integritu po celou dobu životnosti vozidla, která je obvykle 150 000 mil.

Automobilový průmysl využívá přibližně 3 500 až 5 000 jednotlivých spojovacích prvků na vozidlo sahající od drobných šroubů držících součásti palubní desky až po kritické konstrukční šrouby zajišťující závěsné systémy. Tato rozmanitost vyžaduje různé materiály, povlaky, konstrukce závitů a konfigurace hlav optimalizované pro konkrétní aplikace – od samořezných šroubů z nerezové oceli pro ozdobné panely až po vysokopevnostní šrouby třídy 10.9 pro součásti podvozku.

Běžné typy automobilových šroubů a jejich aplikace

Samořezné šrouby

Samořezné šrouby vytvářejí své vlastní závity, když jsou zaváděny do materiálů, což eliminuje potřebu předvrtaných otvorů. Závitotvorné šrouby přemísťují materiál bez řezání, ideální pro plastové součásti, jako jsou dveřní panely, palubní desky a vnitřní obložení. Závitořezné šrouby ve skutečnosti odstraňují materiál a dobře fungují v aplikacích na plechy, jako jsou uchycení blatníků a panely karoserie. Šrouby typu AB s rozmístěnými závity se běžně používají pro plasty (2–4 závity na palec), zatímco šrouby typu B s jemnějším závitem vyhovují kovovým aplikacím (8–15 závitů na palec). .

Strojní šrouby

Strojní šrouby se zašroubovávají do předvrtaných otvorů nebo matic a jsou běžné v motorových prostorech, převodových sestavách a brzdových systémech. Mezi běžné typy hlav patří kruhová hlava pro celkovou montáž, plochá hlava (zapuštěná) pro zapuštěnou montáž a šestihranná hlava pro aplikace s vysokým točivým momentem vyžadující přístup pomocí klíče nebo zásuvky. Standardní automobilové strojní šrouby se pohybují od M4 až M12 v metrických rozměrech, přičemž M6 a M8 jsou nejčastěji používané velikosti .

Specializované automobilové šrouby

• Torx a Torx Plus: Šestibodové hvězdicové pohony, které poskytují lepší přenos točivého momentu a snižují vačku, se stále častěji používají v moderních vozidlech se specifikacemi točivého momentu až o 50 % vyššími než ekvivalenty Phillips
• Bezpečnostní šrouby: Vyznačují se hlavami odolnými proti neoprávněné manipulaci, jako jsou pin-in-Torx nebo jednosměrné konstrukce pro součásti náchylné ke krádeži, jako jsou poznávací značky a sestavy světlometů
• SEMS šrouby: Předem smontované s podložkami (pojistnými podložkami nebo plochými podložkami), aby se ušetřila doba montáže a zajistila se správná instalace, běžná u hromadných výrobních linek
• Ramenní šrouby: Mít hladkou ramenní část mezi hlavou a závity, která se používá jako otočné body v táhlech plynu a mechanismech nastavení sedadla

Třídy materiálů a pevnostní klasifikace

Automobilové šrouby jsou vyráběny z různých materiálů, z nichž každý je vybrán pro specifické požadavky na výkon. Označení třídy na hlavách šroubů udává pevnost v tahu a složení materiálu.

U spojovacích prvků SAE (palcových) se systém třídění liší: Stupeň 2 (nízkouhlíková ocel, 60 000 psi), Stupeň 5 (středně uhlíková ocel, 120 000 psi) a Stupeň 8 (středně uhlíková legovaná ocel, 150 000 psi) . Stupeň 5 slouží většině obecných automobilových účelů, zatímco stupeň 8 je vyhrazen pro kritické vysoce namáhané aplikace, jako jsou ojnice a šrouby setrvačníku.

Ochranné nátěry a povrchové úpravy

Nechráněné ocelové šrouby by v automobilovém prostředí během týdnů zrezivěly. Povrchové úpravy prodlužují životnost a zachovávají vzhled pouze při přidávání Tloušťka 5-20 mikronů .

Zinkování

Nejběžnější automobilový povlak, zinkování (galvanizace) poskytuje Odolnost proti solné mlze 96-720 hodin v závislosti na tloušťce. Čirý zinek nabízí základní ochranu vnitřních součástí, zatímco žluté nebo černé zinko-chromátové povlaky přidávají další konverzní vrstvu pro zvýšenou odolnost proti korozi. Tradiční šestimocné chromátové povrchové úpravy se však z důvodu ekologických předpisů postupně vyřazují a nahrazují se alternativami trojmocných chromátů.

Fosfátové povlaky

Fosforečnan zinečnatý a fosforečnan manganu vytvářejí krystalickou povrchovou vrstvu, která zlepšuje přilnavost barvy a poskytuje mírnou odolnost proti korozi. Černý fosfát (na bázi manganu) se často používá na šrouby, které budou během montáže vozidla natřeny barvou karoserie. Tyto povlaky také snižují tření během instalace a zabraňují zadření závitů.

Pokročilé nátěry

• Geomet/Dacromet: Zinko-hliníkové vločkové povlaky nabízející 1000 hodin odolnosti proti solné mlze bez obav z vodíkového křehnutí, stále oblíbenější pro upevňovací prvky podvozku
• Černý oxid: Poskytuje minimální ochranu proti korozi, ale vynikající vzhled pro viditelné spojovací prvky a zabraňuje odrazu světla v optických sestavách
• Bezproudový nikl: Používá se pro vysokoteplotní aplikace, jako jsou výfukové potrubí, odolávající teplotám až 750 °F
• Keramické povlaky: Používá se pro výkonné aplikace vyžadující extrémní teplotní odolnost (1200°F) a chemickou odolnost

Normy závitů a specifikace rozteče

Konstrukce závitu přímo ovlivňuje upínací sílu, odolnost proti vibracím a rychlost montáže. Moderní vozidla převážně používají metrické ISO závity, ačkoli američtí výrobci stále používají některé SAE (Unified) závity pro určité součásti.

Metrické závity jsou určeny průměrem a stoupáním (M8 x 1,25 znamená průměr 8 mm s 1,25 mm mezi závity). Závity s hrubým stoupáním (M8 x 1,25) umožňují rychlejší instalaci a lepší výkon v měkčích materiálech, jako je hliník, zatímco závity s jemným stoupáním (M8 x 1,0) poskytují jemnější nastavení a větší oblast namáhání v tahu, díky čemuž jsou ideální pro tenkostěnné profily. Automobilový průmysl se standardizoval na specifické kombinace roztečí: M6 x 1,0, M8 x 1,25, M10 x 1,5 a M12 x 1,75 pro většinu aplikací.

Délka záběru závitu je rozhodující pro pevnost kloubu. Zpravidla by se měl záběr rovnat 1,5 násobku průměru šroubu u oceli, 2,0 násobku u hliníku a 2,5 násobku v plastu. Například šroub M8 vyžaduje minimální záběr závitu 12 mm v oceli pro dosažení plné pevnosti v tahu přibližně 18 kN pro stupeň 8.8 .

Výběrová kritéria pro automobilové aplikace

Požadavky na zatížení

Vypočítejte skutečné tahové a smykové zatížení, kterému bude spojovací prvek vystaven. Pro dynamické zatížení (vibrace, rázy) použijte bezpečnostní faktor 3-5. Pro statické konstrukční zatížení je typický faktor 2-3. Pamatujte si to specifikace krouticího momentu vytvářejí 70-90 % zkušebního zatížení spojovacího prvku v upínací síle , ponechává minimální rezervu pro vnější zatížení při přetočení.

Podmínky prostředí

Posuďte vystavení vlhkosti, soli, teplotním extrémům, chemikáliím a UV záření. Komponenty podvozku vyžadují nejvyšší ochranu proti korozi (Geomet nebo nerezová ocel), upevňovací prvky motorového prostoru vyžadují odolnost proti vysokým teplotám (hodnota 300 °F) a vnitřní šrouby mohou používat základní zinkování. Zkušenosti s pobřežními vozidly 5-10krát rychlejší koroze než vnitrozemská vozidla v důsledku vystavení slanému vzduchu.

Materiálová kompatibilita

Přizpůsobte materiál šroubu podkladovému materiálu, abyste zabránili galvanické korozi. Když se různé kovy dostanou do kontaktu v přítomnosti elektrolytu (voda, sůl), anodičtější kov zrychleně koroduje. Použijte nerezové nebo potažené ocelové šrouby s hliníkovými komponenty. U plastových sestav vezměte v úvahu moment odizolování závitu typu plastu: ABS pásy při přibližně 0,8 Nm pro šrouby M5, zatímco nylon plněný sklem toleruje 2,5 Nm .

Úvahy o montáži

1. Přístup k nástroji: Zapuštěné oblasti mohou vyžadovat nízkoprofilové hlavy nebo speciální pohony, jako je vnitřní šestihran (Allen)
2. Rychlost instalace: Samořezné šrouby eliminují operace řezání závitů; Šrouby SEMS s upínacími podložkami snižují manipulaci s díly
3. Přesnost krouticího momentu: Kritické spoje vyžadují upevňovací prvky TTY nebo momentový úhel
4. Provozuschopnost: Bude nutné šroub kvůli údržbě odstranit? Směsi pro zajištění závitů a vlastnosti převažujícího krouticího momentu odolávají uvolnění, ale komplikují demontáž

Specifikace točivého momentu a doporučené postupy instalace

Pro správnou funkci automobilových šroubů je nezbytný správný utahovací moment. Nedotažení umožňuje oddělení spoje a uvolnění upevňovacích prvků; nadměrné utahování způsobuje stahování závitu, zlomení spojovacího prvku nebo poškození materiálu. Přibližně 85 % selhání automobilových upevňovacích prvků je způsobeno nesprávným montážním momentem .

Hodnoty točivého momentu závisí na velikosti šroubu, jakosti, stoupání závitu, povlaku a tření. Suchý šroub M8 x 1,25 třídy 8,8 obvykle vyžaduje 25 Nm, ale stejný šroub s mazáním může potřebovat pouze 20 Nm k dosažení ekvivalentní upínací síly. Vždy dodržujte specifikace výrobce, které zohledňují tyto proměnné.

Metody zajištění závitů

• Pojistné matice nylonové vložky (Nyloc): Plastová vložka vytváří tření; efektivní pro 5-10 instalačních cyklů, než je nutná výměna
• Deformované záplaty závitů: Předem nanesená pryskyřice na šroubových závitech během instalace vytvrdne a poskytuje chemický zámek bez samostatných sloučenin
• Zásobníky tekutých nití: Anaerobní lepidla jako Loctite 243 (střední pevnost) pro provozuschopné spoje nebo 271 (vysoká pevnost) pro trvalé montáže
• Zámkové podložky: Dělené podložky a ozubené podložky jsou méně účinné, než se dříve věřilo; testování ukazuje minimální zlepšení odolnosti proti vibracím oproti obyčejným podložkám

Instalační sekvence

U spojů s více upevňovacími prvky, jako jsou hlavy válců nebo montáž kol, postupujte podle hvězdicového vzoru začínajícího od středu a směrem ven. Utahujte po etapách: první průchod při 50 % točivého momentu, druhý při 75 %, poslední při 100 %. To zajišťuje rovnoměrné rozložení zátěže a zabraňuje deformaci protilehlých povrchů. Některé kritické upevňovací prvky používají metodu krouticího momentu a úhlu: utáhněte na počáteční krouticí moment (přiléhavá specifikace), poté otočte o další stupně (obvykle 90-180°), abyste dosáhli přesného zatížení svorky.

Normy kvality a požadavky na shodu

Výrobci automobilového spojovacího materiálu musí splňovat přísné normy kvality, aby byla zajištěna bezpečnost a spolehlivost. Systém managementu kvality ISO/TS 16949 (nyní IATF 16949) konkrétně řeší požadavky automobilové výroby a nařizuje 100% ověření rozměrů, certifikace materiálu a sledovatelnost prostřednictvím čísel šarží .

Zkušební protokoly zahrnují zkoušky tahem (tah až do porušení), zkušební zátěžovou zkoušku (zatížení do 90 % meze kluzu), zkoušky tvrdosti (Rockwell nebo Vickers) a zkoušky odolnosti proti korozi v solné mlze (ASTM B117). Kritické bezpečnostní spojovací prvky procházejí statistickým vzorkováním s hodnotami Cpk 1,67 nebo vyššími méně než 0,6 defektů na milion příležitostí .

Padělané spojovací prvky představují vážné bezpečnostní riziko. Originální automobilové šrouby mají sledovatelné označení hlavy označující výrobce a třídu. OEM spojovací prvky často obsahují vlastnická označení nebo barvy pro identifikaci. Při nákupu náhradních šroubů ověřte pověření dodavatele a vyžádejte si certifikaci materiálu, abyste zajistili shodu se specifikacemi.

Nové trendy v automobilové spojovací technologii

Automobilový průmysl pokračuje v inovaci technologie spojovacích prvků, aby se zaměřil na cíle v oblasti odlehčení, automatizace montáže a udržitelnosti.

Lehké materiály: Titanové spojovací prvky snižují hmotnost o 40 % ve srovnání s ocelí při zachování pevnosti, i když cena zůstává pro vozidla masového trhu příliš vysoká. Hliníkové šrouby s kaleným závitem slouží nekritickým aplikacím. Kompozitní a hybridní spojovací prvky kombinují typy materiálů pro optimalizovaný poměr pevnosti a hmotnosti.

Chytré spojovací prvky: Vestavěné senzory monitorují napětí šroubů, teplotu a vibrace v reálném čase a přenášejí data bezdrátově. Tato technologie umožňuje prediktivní údržbu a okamžitou detekci závad v užitkových vozidlech a vysoce výkonných aplikacích. Náklady na současné implementace 50-200 $ za upevňovací prvek vybavený senzorem ale může se stát ekonomickým pro kritické spoje jako výrobní měřítka.

Ekologické alternativy: Výrobci vyvíjejí směsi pro zajištění závitů na biologické bázi z obnovitelných zdrojů a bezchromové povlaky splňující předpisy REACH. Některé společnosti zkoumají rozpustné spojovací prvky pro zjednodušenou recyklaci na konci životnosti pomocí polymerů, které se rozkládají za specifických podmínek (teplo, chemická expozice) během demontáže vozidla.

Pokročilé techniky spojování: Šroubování s průtokovým vrtáním (formové vrtání) eliminuje samostatné operace vrtání otvorů tím, že šroub sám vytvoří a zaklepe otvor v jediné operaci, čímž se zkracuje doba montáže. 30-40% pro plechové aplikace . Šrouby pro třecí svařování vytvářejí molekulární vazby rotačním teplem a vytvářejí plynotěsné spoje bez dalších tmelů.