Wprowadzenie do gwintów.

Gwint (np. Gwint metryczny) to spiralny wzór na powierzchni wewnętrznej(gwint wewnętrzny) lub zewnętrznej (gwint zewnętrzny) elementu, który jest używany głównie w technice do łączenia części. Gwinty są powszechnie spotykane w różnego rodzaju śrubach, nakrętkach, wkrętach i innych podobnych elementach złącznych. Najczęściej używany jest gwint metryczny. Kluczowymi elementami gwintu są:

1. Średnica gwintu: może być zewnętrzna (dla gwintów na wałkach) lub wewnętrzna (dla gwintów w otworach).
2. Skok gwintu: odległość między sąsiednimi zwojami gwintu, która określa, jak szybko śruba lub nakrętka przemieszcza się wzdłuż osi podczas obracania.
3. Kąt gwintu: kąt między zwojami gwintu a osią śruby lub nakrętki.
4. Profil gwintu: kształt przekroju gwintu, który może być trójkątny, kwadratowy, trapezowy, okrągły itp., w zależności od zastosowania.

Znaczenie gwintów w inżynierii:

Gwinty odgrywają główną rolę w inżynierii mechanicznej i są podstawowym elementem złącznym dla urządzeń i systemów mechanicznych. Gwinty należą do połączeń demontowanych. To oznacza, że możliwe jest skręcanie i rozkręcanie elementów bez konieczności ich niszczenia. Jest to bardzo ważne ze względu na serwisowanie i montaż maszyn. Gwinty stosowane są nie tylko jako elementy złączne, ale stosowane są także w precyzyjnych mechanizmach regulacyjnych, takich jak śruby mikrometryczne, obrabiarko, gdzie precyzyjne gwinty pozwalają na dokładne ustawienia, co za tym idzie dokłade pomiary.

Wytrzymałość i bezpieczeństwo zapewniane przez gwinty:

W konstrukcjach inżynierskich, gdzie bezpieczeństwo i wytrzymałość są priorytetami, gwinty zapewniają mocne połączenia zdolne wytrzymać duże obciążenia, wibracje i inne warunki eksploatacyjne.

Wszechstronność zastosowań: gwinty znajdują zastosowanie niemal w każdej gałęzi inżynierii – od mechaniki pożądanej w sektorze motoryzacyjnym, przez precyzyjne gwinty w elektronice, aż po wielkie gwinty stosowane w konstrukcjach budowlanych czy przemyśle ciężkim.

Możliwość zastosowania gwintów w różnych materiałach:

Gwinty mogą być wykonane w różnorodnych materiałach – od stali po tworzywa sztuczne , a nawet drewno, co pozwala na ich zastosowanie w różnych środowiskach, od wysokich temperatur po środowiska korozyjne.

Minimalizacja kosztów i masy urządzeń za pomocą gwintów:

Stosowanie gwintów umożliwia czasami konstruowanie lżejszych i mniej kosztownych konstrukcji – zwłaszcza dla gwintów o wysokiej wytrzymałości. W porównaniu do innych metod łączenia, takich jak spawanie czy nitowanie, zwłaszcza na dużych powierzchniach, gwinty pozwalają na łatwiejszą modyfikację i konserwację co za tym idzie niższy koszt eksploatacji urządzeń.

Zastosowania specjalistyczne:

W niektórych zastosowaniach, jak w technice medycznej (implanty, śruby chirurgiczne), gwinty muszą spełniać wyjątkowo wysokie standardy precyzji i biokompatybilności. W medycynie zazwyczaj używa się gwintów tytanowych i austenitycznych. W przypadku łączenia ścięgien do kości stosowane są gwinty ze specjalnych materiałów Biowchłanialnych np. PLDL lub PLLA-uHA, to takie materiały, które są wchłaniane z czasem przez organizm oraz nie powodujące reakcji (stanu zapalnego) miedzy gwintem a kością.

Podstawowe Informacje o Gwintach

Linia śrubowa.

Linia śrubowa jest ścieżką, która wyznacza szczyt zwoju gwintu, gdy śruba – w tym gwint –  jest rozpatrywany jako trójwymiarowy obiekt. Jest to linia, która wyznacza bieg gwintu i podziałkę gwintu wzdłuż osi śruby.

Jeśli spojrzymy na śrubę z boku, linia śrubowa będzie wyglądać jak ciągła spirala lub helisa owijająca się wokół walca. Spirala określona przez linię śrubową , będącą odzwierciedleniem zarysu gwintu pozwala na przekształcenie ruchu obrotowego na ruch liniowy. W praktyce, kiedy nakrętka porusza się wzdłuż gwintu śruby, śledzi właśnie tę linię śrubową. Zazwyczaj gwinty są prawo stronne.

Linia śrubowa jest także nazywana „helisą” – można spotkać te określenie w krzyżówkach.

Opis matematyczny linni śrubowej gwintu

Ph – skok gwintu dla gwintu jednozwojnego, oznaczany też jako litera h,

P – skok gwintu w przypadku gwintu dwuzwojowego

y – kąt wzniosu gwintu

h – skok gwintu

d, dp – średnica podziałowa (w śrubie) – średnica walca po którym zawijamy linię śrubową

Ponadto :

Skok gwintu

Podziałka gwintu

z – krotność zwojów

Wymiary gwintów i nakrętek

Standardowe wymiary gwintów i nakrętek są ustalane przez międzynarodowe i krajowe normy, które zapewniają kompatybilność i wymienność elementów złącznych w różnych aplikacjach. Oto najczęściej stosowane gwinty według standardów wymiarów gwintów i nakrętek.

Gwint metryczny (ISO)

Najpowszechniej stosowane na świecie, oparte na systemie metrycznym:

• Średnice: typowe średnice zewnętrzne wahają się od M2 do M30 (gdzie M oznacza metryczny, a liczba to średnica w milimetrach). Większe średnice, takie jak M36, M42, itp., są również używane, ale rzadziej, w dużych konstrukcjach np. mostach.
• Skok gwintu: Zależy od średnicy; dla małych śrub (np. M2, M3) skok może wynosić od 0,4 mm do 0,5 mm, dla większych (np. M10, M12) – około 1,5 mm do 1,75 mm.

Gwinty UNC i UNF (ANSI/ASME)

Mają zastosowanie głównie Stanach Zjednoczonych i innych krajach używających systemu imperialnego. Często używane w zaworach i czujnikach:

• UNC (Unified Coarse Thread): grubsze gwinty, często używane w konstrukcjach ogólnego zastosowania.
• UNF (Unified Fine Thread): drobniejsze gwinty, zapewniające większą siłę zacisku i dokładność; używane w precyzyjnych aplikacjach.
• Średnice: począwszy od #0 (bardzo małe) do ponad 1 cala. Średnice wyrażane są w calach, np. ¼”, ½”.

Gwinty Whitwortha (BSW i BSF)

Tradycyjne brytyjskie standardy, nadal stosowane w hydraulice, nazywane także gwintami rurowymi lub poprostu gwintem rurowym:

• BSW (British Standard Whitworth): grubszy gwint.
• BSF (British Standard Fine): drobniejszy gwint.
• Średnice: podobnie jak w przypadku systemu imperialnego, wyrażane są w calach.

Nakrętki

• Rozmiary nakrętek: nakrętki dopasowane są do średnic gwintów. Na przykład nakrętka M10 pasuje do gwintu M10.
• Wysokość nakrętki: standardowa wysokość nakrętki często wynosi około 0,8 razy średnica gwintu. Wysokośc jest różna i zależna od typu nakrętki. Więcej o nakretkach i ich rodzajach znajdziesz na naszej stronie w  poniższym linku

Najczęściej stosowane wymiary

W praktyce najczęściej stosowane są gwinty o średnicach M3, M4, M5, M6, M8, M10, M12 w systemie metrycznym oraz ¼”, ½”, ¾” w systemie imperialnym. Wybór skoku i rodzaju gwintu (gruby czy drobny) zależy od specyfiki aplikacji, wymagań dotyczących wytrzymałości i precyzji.

Zastosowania

• Mniejsze średnice (np. M3, M4, ¼”): elektronika, drobna mechanika.
• Średnie średnice (np. M6, M8, ½”): ogólne zastosowania w budownictwie, motoryzacji.
• Większe średnice (np. M12, M16, ¾” i większe): ciężka mechanika, konstrukcje budowlane, sprzęt przemysłowy.

Rysunek przedstawiający gwint metryczny normalny.

P – podziałka

H – wysokość trójkąta

Średnice śruby:

d  – nominalna średnica zewnętrzna

d1 – nominalna średnica wewnętrzna

d2 – nominalna średnica podziałowa

d3 – średnica rdzenia śruby

Średnice nakrętki:

D – nominalna średnica zewnętrzna

D1 – nominalna średnica wewnętrzna

D2 – nominalna średnica podziałowa

Przykłady oznaczeń gwintów: 

Tolerancje gwintów metrycznych.

Tolerancja gwintu to dopuszczalne odchylenia od nominalnych wymiarów gwintu, które są akceptowalne w procesie produkcji. Jest to zakres, w którym rzeczywiste wymiary gwintu mogą się mieścić od idealnych wymiarów określonych w projekcie, przy czym nadal uznaje się je za funkcjonalne i zgodne ze standardami.

W praktyce, ze względu na ograniczenia technologiczne i warunki produkcyjne, niemożliwe jest wykonanie gwintu o absolutnie idealnych wymiarach. Tolerancja uwzględnia te różnice, pozwalając na pewien zakres odchyleń, które nie wpłyną negatywnie na działanie lub zastosowanie gwintu.

Kluczowe aspekty tolerancji gwintu to:

Wymiary Gwintu: tolerancje dotyczą różnych wymiarów gwintu, takich jak średnica, skok, kąt zwoju czy głębokość gwintu.

Pasowanie gwintu: tolerancje są istotne dla zapewnienia odpowiedniego pasowania pomiędzy gwintami męskimi (np. śruby) i żeńskimi (np. nakrętki). Zbyt mała tolerancja może prowadzić do zbyt ciasnego pasowania, a zbyt duża – do zbyt luźnego.

Jakość i funkcjonalność: dzięki tolerancjom producenci mogą zapewnić, że nawet jeśli gwinty nie są idealne, nadal będą dobrze funkcjonować w swoim przeznaczeniu, np. w tworzeniu mocnych i stabilnych połączeń śrubowych.

Normy i standardy: tolerancje gwintu są często określone przez normy międzynarodowe lub krajowe (takie jak ISO, ANSI), które ustalają dopuszczalne granice dla różnych typów gwintów.

Przykłady tolerancji wykonania gwintów zewnętrznych dla gwintów metrycznych.

Oznaczają one granice w których może zostać wyokonany dany gwint metryczny

Przykłady tolerancji wykonania gwintów zewnętrznych dla gwintów metrycznych.

Oznaczają one granice w których może zostać wyokonany dany gwint metryczny.

Dla śrub ogólnego przeznaczenia tolerancji średnicy rdzenia d1 nie określa się.

Dla śrub obciążonych zmęczeniowo – pola tolerancji średnicy rdzenia d3.

Położenie pól tolerancji średnicy gwintu d i średnicy otworu D1.

Położenie pól tolerancji średnicy podziałowych śruby d2 i nakrętki D2.

Znormalizowane zarysy gwintu

Gwint trójkątny

Gwint prostokątny

Gwint trapezowy – symetryczny

Gwint trapezowy – niesymetryczny

Gwint okrągły

α – kąt zarysu gwintu

h – podziałka gwintu

H – wysokość zarysu podstawy

H’ – wysokość zarysu odniesienia – od wierzchołka do dna gwintu

p – podziałka gwintu dla jednego zwoju

Standardowe wymiary gwintu metrycznego

Poniżej przedstawiono podstawowe wymiary gwintów metrycznych. Tabela może się przydać w pomiarach, kontroli gwintu lub do obliczeń wytrzymałościowych gwintu. Głównym parametrem obliczeniowym jest rdzeń gwintu.

Gwinty i ich geometrie opisane są w poniższych normach:

Poniżej znajdziesz normy/standardy opisujące geometrie gwintów metrycznych i calowych

ISO (Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna):
ISO 68-1: Gwinty metryczne ogólnego zastosowania – Wybrane wymiary gwintu.
ISO 261: Gwinty metryczne ogólnego zastosowania – Średnice nominalne i skoki gwintu.
ISO 262: Gwinty metryczne ogólnego zastosowania – Wybrane serie średnic i skoków.
ISO 724: Gwinty metryczne ogólnego zastosowania – Wymiary nominalne.

ANSI/ASME (Amerykański Instytut Normalizacji/Amerykańskie Towarzystwo Inżynierów Mechaników):
ANSI/ASME B1.1: Gwinty jednocalowe (UNC, UNF, UNEF i inne).
ANSI/ASME B1.13M: Gwinty metryczne drobnozwojowe.

DIN (Niemiecki Instytut Normalizacji):
DIN 13: Gwinty metryczne ISO.
DIN 8140: Gwinty naprawcze.

Regionalne i Specjalistyczne Normy:
BS (British Standards):
BS 84: Gwinty brytyjskie.
BS 3643: Gwinty metryczne ISO i tolerancje.

JIS (Japanese Industrial Standards):
JIS B 0205-1/2: Gwinty metryczne i tolerancje w Japonii.

SAE (Society of Automotive Engineers):
SAE J476: Gwinty rurowe stosowane w przemyśle motoryzacyjnym.

Normy Specyficzne dla Branż:
Aerospace standards (np. NAS, MS): Stosowane w przemyśle lotniczym i kosmicznym.

SAE AS71051: Ta norma określa wymagania dotyczące gwintów ANPT, w tym wymiary i tolerancje. Jest to kluczowa norma dla gwintów ANPT stosowanych w przemyśle lotniczym.

Praktyczne Wskazówki:

Analiza wymagań: zanim dobierzemy gwint musimy sprecyzować jego wymagania. Jakie będzie przenosić obciążenia , jaki będzie ich charakter – czy będą to obciążenia dynamiczne czy statyczne, oraz jaki będzie miało to wpływ na konstrukcję. Należy przewidzieć miejsca łączeń konstrukcji w taki sposób, aby śruby były jak najmniej obciążone, jednocześnie zapewniając stabilne połaczenie. W przypadku dużych obciążeń występujących na gwincie należy wziąć pod uwagę skok gwintu. Dla gwintów drobnozwojowych, rdzeń jest grubszy co przekłada się na większą wytrzymałość rdzenia gwintu/śruby.  Należy zwrócić uwagę na warunki specjalne, takie jak wysoka lub niska temperatura a także różnice tych temperatur w okresie pracy gwintu. Kompatybilność materiałowa jest także istotnym czynnikiem w przypadku doboru gwintu.

Dobór materiału: wybierz gwint zgodnie z właściwościami materiału elementu, w którym będzie on umieszczony. Różne metale i ich stopy mają odmienne cechy, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, odporność na ścieranie, czy reakcje na zmiany temperatury. Nie zaleca się łączenia mocno obciążonych gwintów z miękkimi materiałami – np aluminium. W celu zabezpieczania  takich połączeń można zastosować np. specjalne wkręcane wkładki Helicoil.

Specyfikacja gwintu: bardzo ważne jest zdefiniowane czy określone wcześniej wymagania dopasują się do gwintów o standardowych wymiarach czy potrzebne jest zastosowanie gwintu specjalistycznego. Jaki rodzaj gwintu będzie odpowiedni: metryczny, calowy, drobny lub zwykły. Czy gwint będzie przenosić obciążenia, czy służyć zmianie kierunku ruchu. W przypadku zmiany kierunku ruchu najlepsze są gwinty trapezowe. Na rynku można spotkać specjalne śruby trapezowe. Śruba trapezowa służące do przenoszenia ruchu i wywierania obciążenia na inne elementy.

Przestrzeganie norm: wybór gwintu zgodnego z międzynarodowymi standardami (takimi jak ISO czy ANSI) zapewnia kompatybilność i łatwość wymiany elementów. Dla standardowych gwintów średnio obciążonych zaleca się użycie tolerancji 6H/6h

Dostępność narzędzi i sprzętu: sprawdź, czy dysponujesz odpowiednim sprzętem do wykonania i kontroli wybranego gwintu, np. specjalnymi gwintownikami czy kluczami. 

Przestrzeganie czystości: po wykonaniu gwintu należy pamiętać aby dobrze go wyczyścić i odtłuścić. Często po obróbce występują drobinki metalu między zwojami gwintu. Należy je przeczyścić dokładnie sprężonym powietrzem i odtłuścić (specjalnymi płynami lub alkoholem 😉 ). Drobinki mogą zarysować powierzchnię zwoju gwintu, uplastycznić ją i wpłynąć na wytrzymałość. Szczególnie wazne w przypadku obciążeń zmiennych. Odtłsuzczenie ma wpływ na moment dokręcenia, gdyż zmienia się współczynnik tarcia na gwincie.

 Źródła:

1. J.Dietrych, Podstawy Konstrukcji Maszyn I, Wydawnictwo Naukowo Techniczne – Warszawa

2. Mały poradnik mechanika, Nauki matematyczno- fizyczne i ogólnotechniczne, Wydawnictwo Naukowo Techniczne – Warszawa, 1969

3. Witold Korewa, Części maszyn, część I, Państwowe wydawnictwo naukowe 1969