Šrouby JIS 8.8, 10.9, 12.9: třídy pevnosti a utahovací moment
Z Japonska přijde stroj se sestavným výkresem, na kterém je u šroubů M10 uvedeno 強度区分 12.9 a utahovací moment v N·m. Vaše údržba ale pracuje s tabulkami podle VDI 2230 a se součiniteli tření µ, a hned padnou tři otázky. Je japonská 10.9 totéž co 10.9 podle ČSN EN ISO 898-1? Proč je japonská hodnota znatelně nižší než naše tabulka? A proč na některé šestihranné šrouby M10 sedí klíč 17 místo 16?
Tento článek je určen konstruktérům, technikům údržby, kvalitě a nákupu, kteří pracují s japonskými výkresy, stroji a dodavateli. Vysvětluje, jak číst třídy pevnosti 8.8, 10.9 a 12.9 podle JIS B 1051, jaké matice k nim patří a jak se počítají japonské tabulky utahovacích momentů, včetně srovnání s VDI 2230. Hlavní zásada pro utahovací moment zní: platí hodnota, kterou předepsal konstruktér nebo výrobce stroje. Tabulka je jen výpočet za určitých předpokladů, a když se změní mazání nebo povrchová úprava, dá stejný moment úplně jinou předpínací sílu.
Obsah
- Přehled v kostce
- Jak číst 8.8, 10.9 a 12.9
- Srovnání tříd 8.8, 10.9 a 12.9
- „Šroub JIS“: velikosti klíče jako u dřívější DIN 931/933
- Jaká matice patří k jaké třídě pevnosti
- Utahovací moment a předpínací síla
- Jak se počítají japonské tabulky utahovacích momentů
- Utahování momentem, úhlem a řízené mezí kluzu podle JIS B 1083
- Proč se šrouby uvolňují i při správném momentu
- Proč šrouby praskají: přetažení, únava, zpožděný lom
- Kontrolní seznam před utahováním
- Kde tento návod neplatí
- Časté otázky
Přehled v kostce
Následující tabulka stručně odpovídá na nejčastější otázky. Podrobnosti najdete v dalších kapitolách.
| Otázka | Krátká odpověď |
|---|---|
| Co znamená 10.9? | Jmenovitá pevnost v tahu 1000 N/mm² (10 × 100), poměr meze kluzu k pevnosti 0,9, tedy jmenovitá mez kluzu 900 N/mm² |
| Liší se japonská 10.9 od 10.9 podle ČSN EN ISO 898-1? | Ne. JIS B 1051:2014 je japonské identické převzetí ISO 898-1:2013, takže třídy pevnosti i požadované hodnoty jsou stejné |
| Jakou matici? | Třídu pevnosti matice 8 pro šrouby do 8.8, třídu 10 do 10.9, třídu 12 do 12.9. Matice vyšší třídy je přípustná, nižší ne |
| Jaký utahovací moment? | Hodnotu z výkresu, z dokumentace výrobce nebo z vaší podnikové normy. Tabulky berte jen jako orientační hodnoty, a to jen tehdy, když jejich předpoklady odpovídají vašim podmínkám |
| Proč jsou japonské tabulkové hodnoty nižší než tabulka podle VDI 2230? | Tabulky MISUMI a Yura Sansyo míří na střed rozsahu předpínací síly, jehož horní mez je 70 % síly na minimální smluvní mezi kluzu. Tabulka Würth podle VDI 2230 udává moment pro 90% využití meze kluzu redukovaným napětím z tahu a krutu |
| Proč klíč 17 na M10? | Japonské šrouby v „provedení JIS“ mají často ještě původní velikosti klíče, stejné jako dřívější DIN 931/933 (M10: 17 místo 16 mm podle ISO 4014/4017) |
| Je 12.9 vždy bezpečnější volba? | Ne. Má nižší tažnost a JIS B 1051 výslovně žádá opatrnost při použití 12.9 kvůli riziku vodíkové křehkosti |
Jak číst 8.8, 10.9 a 12.9
Na japonských výkresech a v kusovnících se třída pevnosti uvádí jako 強度区分 (kyōdo kubun, doslova „třída pevnosti“). Označení stanoví JIS B 1051:2014, která odpovídá ISO 898-1:2013, a tedy obsahově i evropské EN ISO 898-1:2013 (v ČR ČSN EN ISO 898-1). Mechanické vlastnosti šroubů z uhlíkové a legované oceli popisuje dvěma čísly:
- Číslo před tečkou: jmenovitá pevnost v tahu Rm v N/mm² (MPa) dělená 100.
- Číslo za tečkou: poměr jmenovité meze kluzu ke jmenovité pevnosti v tahu, násobený 10.
Když jmenovitou pevnost v tahu vynásobíte tímto poměrem, dostanete orientační napětí, od kterého se šroub začíná trvale prodlužovat. Obrázek 1 to ukazuje na příkladu 10.9.
Dvě čísla oddělená tečkou udávají jmenovitou pevnost v tahu a jmenovitou mez kluzu.
1 MPa = 1 N/mm². Jmenovité hodnoty slouží k označení třídy a ne vždy se shodují s minimálními hodnotami, které norma zaručuje (viz další kapitola).
U třídy 8.8 je jmenovitá pevnost v tahu 800 N/mm² a poměr meze kluzu 0,8. Z toho vychází 800 × 0,8 = 640 N/mm² jako jmenovitá smluvní mez kluzu Rp0,2, tedy napětí, po kterém zůstane trvalé prodloužení 0,2 %.
Třída je vyznačena i přímo na dílu. JIS B 1051:2014 vyžaduje u šestihranných šroubů a šroubů s válcovou hlavou s vnitřním šestihranem od jmenovitého průměru 5 mm ve všech třídách pevnosti značku výrobce a třídu pevnosti. Označení „8.8“, „10.9“ nebo „12.9“ na hlavě vychází z tohoto pravidla, stejně jako u šroubů podle ČSN EN ISO 898-1.
Tento systém platí jen pro šrouby z uhlíkové a legované oceli. Šrouby z korozivzdorné oceli řeší JIS B 1054-1:2013 (odpovídá ISO 3506-1:2009) s vlastním označením, například A2-70: skupina oceli A2 a třída pevnosti 70, tedy minimální pevnost v tahu 700 N/mm² dělená 10. Pevnost i korozní odolnost závisí na druhu oceli, proto hodnoty pro ocelové šrouby nelze přenášet na šrouby z nerezu.
Srovnání tříd 8.8, 10.9 a 12.9
JIS B 1051 i ISO 898-1 znají devět tříd pevnosti: 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9 a 12.9. Ve strojích a zařízeních se nejčastěji používají 8.8, 10.9 a 12.9 a jejich požadované mechanické vlastnosti shrnuje obrázek 2.
S vyšší třídou roste pevnost v tahu, mez kluzu i napětí při zkušebním zatížení, tažnost naopak klesá.
(d ≤ 16 mm)
(d > 16 mm)
Napětí v N/mm² (= MPa), d = jmenovitý průměr závitu. Hodnoty z tabulky 3 normy JIS B 1051:2014, porovnané se specifikační tabulkou Nippon Fastener a příručkou o šroubech firmy Yura Sansyo. Tažnost platí pro obrobené zkušební tyče. Napětí při zkušebním zatížení je napětí ve zkoušce zkušebním zatížením: po odlehčení nesmí na šroubu zůstat trvalé prodloužení.
Všimněte si, že jmenovitá hodnota vypočtená z třídy a minimální hodnota zaručená normou se ne vždy shodují. U 10.9 je jmenovitá mez kluzu 900 N/mm², minimální hodnota ale 940 N/mm². U 12.9 je to 1080 N/mm² jmenovitě proti 1100 N/mm² minimálně, a do výpočtu utahovacího momentu se dosazuje minimální hodnota.
Na spodním konci stupnice má třída 4.8 jmenovitou pevnost v tahu 400 N/mm² (minimálně 420 N/mm²). Od třídy 8.8 výše norma předepisuje zušlechtěnou uhlíkovou nebo legovanou ocel, pevnost tedy pochází z tepelného zpracování.
Proto 12.9 není automaticky bezpečná volba. Jak ukazuje tabulka, s rostoucí pevností klesá minimální tažnost a šroub má menší schopnost plastické deformace. JIS B 1051:2014 navíc výslovně uvádí, že při použití 12.9 je nutná opatrnost kvůli zpožděnému lomu (náhlé křehké porušení nějakou dobu po utažení), kterému se věnujeme níže. Třídu volte podle potřebné předpínací síly, pevnosti spojovaných dílů a provozních podmínek, ne podle zásady „pevnější je bezpečnější“.
„Šroub JIS“: velikosti klíče jako u dřívější DIN 931/933
Třída pevnosti je v JIS a ISO stejná, šestihranná hlava ale nemusí. Japonská norma pro šestihranné šrouby JIS B 1180:2014 vychází z ISO 4014 až ISO 4018 a souvisejících norem ISO. Obsahuje však navíc přílohu (Annex JA) pro šestihranné šrouby, které těmto normám ISO neodpovídají, protože se v Japonsku dál vyrábějí a používají.
Tyto šrouby mimo ISO se v japonských katalozích často označují jako „provedení JIS“ (JIS 規格品, JIS kikakuhin) a mají původní japonské rozměry hlavy. Ve vydáních JIS B 1180 z let 1994 a 2004 uváděla příloha velikost klíče 17 mm pro M10, 19 mm pro M12, 22 mm pro M14 a 32 mm pro M22. Jsou to stejné hodnoty jako ve zrušených normách DIN 931 a DIN 933, zatímco jejich nástupci ISO 4014 a ISO 4017 předepisují pro tyto velikosti 16, 18, 21 a 34 mm. Přílohu obsahuje i vydání 2014, velikosti klíče jsme ale ověřili podle vydání 1994 a 2004.
Následující tabulka porovnává čtyři rozměry, které se liší. U konkrétního náhradního dílu rozhoduje sjednané vydání normy a výkres výrobce.
| Závit | Provedení JIS (JIS B 1180, příloha, vyd. 1994/2004) | DIN 931/933 (zrušeno) | ISO 4014/4017, v ČR ČSN EN ISO 4014/4017 |
|---|---|---|---|
| M10 | klíč 17 | klíč 17 | klíč 16 |
| M12 | klíč 19 | klíč 19 | klíč 18 |
| M14 | klíč 22 | klíč 22 | klíč 21 |
| M22 | klíč 32 | klíč 32 | klíč 34 |
Pro údržbu v Česku je to známá situace z přechodu z DIN na ISO: starší japonská zařízení a částečně i současné japonské skladové zásoby potřebují na M10 klíč 17, šroub ISO klíč 16. Na třídě pevnosti to nic nemění, ovlivňuje to ale náhradní díly, nářadí a volný prostor kolem hlavy. Odlišná může být i dosedací plocha pod hlavou, proto utahovací moment a podmínky utahování ověřte u konstruktéra nebo výrobce.
Když japonský kusovník uvádí jen „šestihranný šroub M10“, zeptejte se na úplné označení výrobkové normy a její vydání, tedy zda jde o provedení podle ISO, nebo o provedení podle přílohy JIS B 1180. Kromě hlavy zkontrolujte také délku závitu a tvar dosedací plochy.
Jaká matice patří k jaké třídě pevnosti
Vysokopevnostní šroub nepomůže, když je matice příliš slabá, protože spoj pak selže na matici. Třídy pevnosti matic stanoví JIS B 1052-2:2014, která přebírá ISO 898-2:2012. V ČR platí ČSN EN ISO 898-2, katalog uvádí vydání z roku 2023; pravidlo přiřazení níže je stejné, u konkrétních hodnot ale uvádějte vydání normy a ověřte je. Každá třída matice nese stejné číslo jako levé číslo nejvyšší třídy šroubu, se kterou se smí kombinovat:
- Matice třídy pevnosti 8: šrouby do 8.8
- Matice třídy pevnosti 10: šrouby do 10.9
- Matice třídy pevnosti 12: šrouby do 12.9
Norma dovoluje nahradit matici nižší třídy maticí vyšší třídy. Matice třídy 10 na šroubu 8.8 je tedy v pořádku, opačný případ, například matice třídy 8 na šroubu 10.9, ne.
Toto přiřazení je záměrné. Normální a vysoké matice jsou navrženy tak, aby se při přetažení nejdřív přetrhl šroub a nestrhl se závit matice. Příloha JIS B 1052-2:2014 to zdůvodňuje tím, že lom na straně šroubu jasně ukáže, že se při utahování něco pokazilo.
Výjimkou jsou nízké matice (低ナット, tei-natto; třídy pevnosti 04 a 05). Mají menší únosnost a nejsou navrženy tak, aby zabránily stržení závitu. Pokud vás zástavbový prostor nutí použít nízkou matici jako nosnou, poraďte se s konstruktérem.
Utahovací moment a předpínací síla
Při utahování se šroub mírně prodlouží a jeho tahová síla stáhne díly k sobě. Tato osová síla je předpínací síla (předpětí), japonsky 軸力 (jikuryoku, doslova „osová síla“). Právě ona zajišťuje funkci spoje, v dílně ji ale přímo změřit je obtížné, a proto se místo ní kontroluje utahovací moment (締付トルク, shimetsuke torque).
JIS B 1083:2008 (všeobecná pravidla pro utahování šroubových spojů) popisuje vztah mezi utahovacím momentem T a předpínací silou F v pružné oblasti pomocí jmenovitého průměru d a součinitele utahovacího momentu K:
T = K × F × d
Kdo pracuje s VDI 2230, zná místo toho oddělené součinitele tření v závitu (µG) a pod hlavou (µK). Součinitel K shrnuje oba podíly tření i geometrii závitu a dosedací plochy do jediného čísla. Z tabulky Würth podle VDI 2230 pro M10, 10.9 při µG = µK = 0,12 vychází K = 71 N·m ÷ (43,4 kN × 10 mm) ≈ 0,164, tedy hodnota blízká 0,17. Samotné µ ale k jednoznačnému určení K nestačí, protože přepočet závisí i na stoupání závitu a účinném průměru dosedací plochy.
Vzorec je jednoduchý, obtížné je určit K. JIS B 1083 upozorňuje, že při utahování momentem se zhruba 90 % momentu spotřebuje na tření v závitu a pod hlavou. Na předpínací sílu připadne jen malý zbytek.
Malá změna tření proto při stejném momentu znamená velkou změnu předpínací síly. Jako orientační hodnoty uvádí Yura Sansyo K = 0,17 pro ocel bez povrchové úpravy s olejem a 0,25 bez maziva, 0,24 pro galvanicky zinkované šrouby a 0,45 pro nerezovou ocel. MISUMI uvádí pro černěné ocelové šrouby podle materiálu protikusu 0,145–0,215 s olejem a 0,25–0,55 za sucha. Obě firmy tato čísla označují jako orientační.
Vypočtená předpínací síla šroubu M10, třída 10.9, utaženého momentem 55,6 N·m, podle F = T ÷ (K × d).
Síla na mezi kluzu = minimální smluvní mez kluzu 940 N/mm² × výpočtový průřez 58 mm². Moment 55,6 N·m byl vypočten pro K = 0,17 (viz další kapitola). Hodnoty K jsou příklady z rozsahů v podkladech MISUMI a Yura Sansyo; skutečnou hodnotu je nutné ověřit zkouškami utahování.
Jak ukazuje obrázek 3, moment stanovený pro K = 0,17 vyvodí jen asi dvě třetiny plánované předpínací síly, pokud je skutečné K 0,25. Platí to i naopak: když někdo použije mazivo, se kterým předpis nepočítá, a K klesne, vyvodí stejný moment větší předpínací sílu, než se plánovalo, a roste riziko přetažení. Dosáhnout předepsaného momentu tedy ještě neznamená dosáhnout cílové předpínací síly.
Jak se počítají japonské tabulky utahovacích momentů
Tabulky utahovacích momentů japonských dodavatelů a obchodníků, jako jsou MISUMI a Yura Sansyo, vycházejí ze stejné logiky. Nejprve omezí předpínací sílu na 70 % síly na mezi kluzu, tedy Fmax = 0,7 × Rp0,2 min × As. Obě firmy uvádějí, že při utahování momentem zůstává předpínací síla v pružné oblasti a tato hodnota je její maximum. Také japonský výrobce nářadí TONE vysvětluje, že se šrouby s ohledem na rozptyl obvykle utahují na zhruba 60–70 % meze kluzu, aby zůstaly pod mezí pružnosti.
Dále tabulky zohledňují rozptyl předpínací síly součinitelem utahování Q, tedy poměrem maximální a minimální předpínací síly. Q odpovídá součiniteli utahování αA ve VDI 2230. MISUMI a Yura Sansyo počítají s Q = 1,4 pro šroub s olejem utahovaný momentovým klíčem. S horní mezí 70 % síly na mezi kluzu a dolní mezí 1/Q z této hodnoty vychází moment pro střed rozsahu:
TA = 0,35 × K × (1 + 1/Q) × σy × As × d
Zde σy je dolní mez kluzu nebo smluvní mez kluzu Rp0,2, As výpočtový průřez závitu a d jmenovitý průměr. Jde o zjednodušený vzorec z technických podkladů dodavatelů, ne o vzorec z JIS B 1083:2008.
Postup podle JIS B 1083 stanoví cílový moment z minimálního a maximálního součinitele utahovacího momentu (zjištěného zkouškami utahování, například podle JIS B 1084), z konstrukčně daných mezí předpínací síly a z rozptylu momentu nářadí. Zjednodušený vzorec tento postup nahrazuje typickým K a součinitelem utahování Q, aby byl výpočet snadný.
Příklad výpočtu pro M10, třída 10.9: mez kluzu 940 N/mm² × výpočtový průřez 58 mm² dává sílu na mezi kluzu asi 54,5 kN. Horní mez je 70 % z toho, zhruba 38,2 kN, dolní mez 38,2 ÷ 1,4 ≈ 27,3 kN a střed asi 32,7 kN. Při K = 0,17 vychází 0,17 × 32,7 kN × 10 mm ≈ 55,6 N·m.
Příklad výpočtu za uvedených předpokladů, ne předepsaný utahovací moment. Jiné podmínky dávají jiné hodnoty.
(výpočtový průřez)
Hodnoty v N·m. Vypočteno redakcí MONOSCOPE podle uvedeného vzorce a porovnáno s referenční tabulkou v příručce o šroubech firmy Yura Sansyo (K = 0,17, Q = 1,4). Pro 8.8 a 10.9 se hodnoty shodují. Pro 12.9 počítá příručka s mezí kluzu 1098 N/mm², její hodnoty jsou proto asi o 0,2 % nižší (65,0 N·m pro M10).
Tyto hodnoty neznamenají, že je spoj při tomto momentu bezpečný. Zinkované šrouby, suché závity, nerezová ocel nebo protikusy z hliníku či litiny mění K, a tím i předpínací sílu. Rozhoduje výkres, předpis výrobce nebo podniková norma; kritické spoje konzultujte s konstruktérem.
Obrázek 4 platí jen pro ocelové šrouby bez povrchové úpravy, s olejem, utahované momentovým klíčem. U zinkovaných šroubů, suchých závitů, nerezu nebo protikusů z hliníku či litiny je K jiné a hodnoty neplatí. Také příručka Yura Sansyo upozorňuje, že se tabulkové hodnoty podle podmínek výrazně mění a slouží jen pro orientaci a že je třeba počítat se skutečnými podmínkami.
Srovnání s tabulkami podle VDI 2230
Kdo položí japonské hodnoty vedle tabulky podle VDI 2230, zde tabulky 6.4 firmy Würth Industrie Service (DINO, kapitola 6), uvidí výrazně vyšší čísla. Důvodem nejsou jiné šrouby, ale jinak položená otázka, jak ukazuje srovnání pro M10, třída 10.9.
| M10, třída 10.9 | Japonská tabulka dodavatelů (MISUMI, Yura Sansyo) | Tabulka podle VDI 2230 (Würth, µG = µK = 0,12) |
|---|---|---|
| Vztažná veličina | Horní mez předpínací síly = 70 % síly na mezi kluzu (Rp0,2 min × As, čistý tah) | 90% využití meze kluzu redukovaným napětím z tahu a krutu při utahování |
| Co tabulková hodnota představuje | Moment pro střed rozsahu (rozptyl Q = 1,4 už je započten) | Moment pro maximální montážní předpínací sílu FM Tab; minimální montážní předpínací síla se z ní odhadne jako FM Tab ÷ αA |
| Předpínací síla | Střed asi 32,7 kN (rozsah 27,3–38,2 kN) | FM Tab = 43,4 kN |
| Utahovací moment | 55,6 N·m | 71 N·m |
Oba přístupy jsou samy o sobě konzistentní, jen se nesmějí míchat. Hodnota z tabulky Würth použitá na japonském stroji může šroub přiblížit mezi kluzu víc, než konstruktér zamýšlel. Zda naopak 55,6 N·m u spoje navrženého podle VDI 2230 dosáhne potřebné minimální montážní předpínací síly, závisí na tření a součiniteli utahování a ze samotného srovnání tabulek to rozhodnout nelze. U japonských strojů proto platí hodnota udaná výrobcem, a pokud se liší od vašich zvyklostí, vyjasněte předpoklady s výrobcem.
Některé tabulky vycházejí z úplně jiných předpokladů. Japonský výrobce momentového nářadí Tohnichi zveřejňuje „standardní utahovací moment (řada T)“, vypočtený s K = 0,2 tak, aby osové napětí ve výpočtovém průřezu dosáhlo 210 N/mm². Tyto hodnoty nejsou odvozeny z meze kluzu jednotlivých tříd pevnosti, jde o návrh, jak sjednotit momenty u spojů bez předepsané hodnoty. V příručce Tohnichi je hodnota řady T pro M10 24,5 N·m, tedy méně než polovina z 55,6 N·m pro 10.9 v obrázku 4.
Tabulky se tedy podle zdroje liší a žádná z nich není „ta správná hodnota“. Pravidlo proto zní: řiďte se výkresem, předpisem výrobce nebo podnikovou normou. U kritického spoje bez předepsané hodnoty, nebo když vaše podmínky neodpovídají předpokladům tabulky, se zeptejte konstruktéra a nevybírejte číslo z tabulky sami.
Utahování momentem, úhlem a řízené mezí kluzu podle JIS B 1083
JIS B 1083:2008 uvádí tři typické metody řízení utahování: utahování momentem, utahování úhlem a gradientní metodu, která odpovídá utahování řízenému mezí kluzu ve VDI 2230. Liší se tím, jaký signál ukončí utahování. Obrázek 5 je shrnuje.
Součinitel utahování Q je poměr maximální a minimální předpínací síly (obdoba αA); čím menší Q, tím menší rozptyl.
Hodnoty Q jsou orientační hodnoty z tabulky 2 normy JIS B 1083:2008. Norma upozorňuje, že skutečný rozptyl silně závisí na vlivech specifických pro každou metodu a nelze jej uvést přesně.
Nejrozšířenější je utahování momentem. Stačí k němu momentový klíč, ale jak ukázaly předchozí kapitoly, přímo na něj působí tření. Stejné povrchové úpravy šroubů a matic a stále stejné mazání jsou základem stabilní předpínací síly.
Chybu přidává i nářadí. JIS B 1083 stanoví cílový moment včetně rozptylu nářadí a v poznámkách odkazuje na tehdy platnou JIS B 4650 (momentové klíče) s chybou ±3 %, u přesných ručičkových klíčů ±1 %. JIS B 4650 byla v roce 2008 zrušena a dnes platná JIS B 4652:2008 (ruční momentové nářadí, požadavky a zkušební metody) připouští podle typu nářadí a maximálního momentu ±4 % nebo ±6 %.
V Evropě stanoví přípustné odchylky podle typu a třídy nářadí EN ISO 6789-1:2017 (v ČR ČSN EN ISO 6789-1) a kalibraci EN ISO 6789-2. Výrobci u cvakacích momentových klíčů podle této normy většinou uvádějí ±4 %, někdy ±6 %. Momentové klíče pravidelně kalibrujte a volte klíč s vhodným rozsahem.
Utahování úhlem do plastické oblasti a gradientní metoda se používají tam, kde je potřeba vysoká předpínací síla s malým rozptylem, například u motorů automobilů. JIS B 1083 ale varuje, že se šroub přitom trvale deformuje, a u šroubů s nízkou tažností nebo při opakovaném použití je proto nutná opatrnost. Zda se smějí šrouby utažené úhlem použít znovu, určuje předpis údržby výrobce stroje.
Proč se šrouby uvolňují i při správném momentu
V japonských odborných textech znamená „uvolnění“ (緩み, yurumi) jakoukoli ztrátu předpínací síly vyvozené při utahování. Patří sem matice, které se samy povolí, ale i spoje, které ztratí předpínací sílu, aniž by se matice pohnula. První případ je samovolné povolování otáčením, druhý ztráta předpětí bez otáčení, například sedáním, otlačením dosedací plochy, tečením nebo vlivem teploty. Obrázek 6 ukazuje nejdůležitější formy.
Uvolnění bez otočení matice a s otočením matice má různé příčiny i nápravu.
Podle příručky o šroubech Yura Sansyo a technických podkladů Hard Lock Industry. Předpínací sílu snižuje také opakovaná tepelná roztažnost a tečení těsnění.
Počáteční sedání je typická forma uvolnění bez otáčení. Hned po utažení je předpínací síla správná a pak klesá, jak se kontaktní plochy usazují. Jedním z opatření je dotažení po určité době (増し締め, mashijime), zda a kdy je potřeba, ale obvykle určuje pracovní postup daného zařízení nebo stroje.
Samovolné povolování otáčením vzniká u spojů s opakovaným vnějším zatížením. Podle Hard Lock Industry, japonského výrobce pojistných matic, je opakované zatížení kolmo k ose šroubu (ve směru střihu) nejnepříznivější ze tří druhů namáhání: tahu, krutu a střihu. Jakmile díly začnou nepatrně příčně prokluzovat, matice se může začít otáčet ve směru povolování.
Základním opatřením je předpínací síla, která prokluzu dílů zabrání. Konstruktéři navíc přidávají šrouby, aby snížili zatížení na jeden šroub, nebo upraví konstrukci tak, aby vnější zatížení nepůsobilo přímo na šrouby. Doplňkově lze kombinovat kontramatice, korunové matice se závlačkou, lepidla na zajištění závitů a pojistné matice.
Pro kontramatice s nízkou maticí stanoví JIS B 1052-2:2014 pořadí: nejdřív utáhnout nízkou matici a pak proti ní utáhnout normální nebo vysokou matici.
Proč šrouby praskají: přetažení, únava, zpožděný lom
Lomy šroubů se snáz diagnostikují, když je rozdělíte podle okamžiku a příčiny: přetažení při montáži, únavový lom opakovaným zatížením v provozu a zpožděný lom, který nastane náhle nějakou dobu po utažení. Obrázek 7 porovnává tyto tři případy.
Kdy šroub praskl a jak byl zatížen, jsou první vodítka k příčině.
Podle JIS B 1083:2008, ISO 4042:2022 a technických podkladů Hard Lock Industry. Ve skutečnosti často působí více faktorů zároveň a příčinu lze spolehlivě určit až rozborem lomové plochy.
Přetažení
Když utahování překročí mez kluzu, šroub se plasticky deformuje a další utahování ho přetrhne. Je-li slabší stranou matice nebo vnitřní závit, může se místo toho strhnout závit. Jak ukazuje obrázek 3, moment určený pro suché závity použitý na šroub s nepředepsaným mazivem vyvodí vyšší předpínací sílu, než se plánovalo, a přiblíží spoj k tomuto porušení.
Únavový lom
U spojů s opakovaným vnějším zatížením přechází část kolísání zatížení do šroubu. Při dostatečné předpínací síle zůstává tento podíl malý. Je-li předpínací síla příliš nízká nebo se spoj uvolní, díly se oddálí a celé kolísání zatížení jde do šroubu.
Únavové trhliny začínají tam, kde se koncentruje napětí. Hard Lock Industry uvádí dno závitu šroubu u prvního nosného závitu v matici, výběh závitu a přechod mezi hlavou a dříkem. Uvolnění a lom tedy nejsou oddělené problémy: ztráta předpínací síly uvolněním může únavový lom spustit.
Zpožděný lom a galvanicky pokovené šrouby 12.9
Zpožděný lom (遅れ破壊, okure hakai) je náhlé křehké porušení nějakou dobu po utažení u šroubu, který byl při montáži bez závad. ISO 4042:2022 (v Evropě EN ISO 4042), která řeší galvanické povlakové systémy spojovacích součástí, se zabývá lomy způsobenými vodíkem pohlceným při pokovování (vnitřní vodíková křehkost).
Riziko vzniká, když se sejdou tři podmínky: vysoká pevnost v tahu nebo tvrdost, tahové napětí a vodík pohlcený v oceli. Vodík se do oceli dostane při galvanickém pokovování nebo při předchozím moření a tvrdší ocel je citlivější. Proto norma odstupňovává opatření podle třídy pevnosti.
Japonsko v únoru 2024 revidovalo JIS B 1044 jako identické převzetí (IDT) ISO 4042:2022. Pro šrouby podle ISO 898-1 rozlišuje tabulka 3 normy ISO 4042:2022 opatření takto:
- Pod 10.9: není nutné žádné dodatečné ověření procesu, zkoušení výrobků ani odvodíkování.
- 10.9: dodatečné ověření procesu a zkoušení výrobků, nebo odvodíkování (podle volby výrobce).
- 12.9: dodatečné ověření procesu a zkoušení výrobků a navíc odvodíkování.
Odvodíkování znamená ohřev po pokovení, který vodík z oceli vypudí. Teplotu a dobu stanoví galvanovna a výrobce šroubů podle doporučení normy, tvrdosti dílu a druhu povlaku. Uživatel by tyto parametry neměl určovat sám.
Důležitá je i předúprava. Příloha dřívější JIS B 1044:2001 nedoporučovala moření u dílů s tvrdostí 385 HV a vyšší nebo od třídy pevnosti 12.9 a dávala přednost postupům bez kyseliny, jako je otryskání nebo alkalické odrezení. Stejná příloha varovala, že doporučené odvodíkování nemusí vodíkové křehkosti zabránit v každém případě. JIS B 1051:2014 navíc požaduje, aby se při použití 12.9 zvážily schopnosti výrobce, provozní prostředí a metoda utahování.
JIS B 1051 dále poznamenává, že podle prostředí může zpožděný lom postihnout i nepokovené šrouby, protože vodík může vnikat také korozí v provozu. Z těchto důvodů někteří výrobci šroubů třídu 12.9 galvanicky vůbec nepokovují. Japonská databáze Failure Knowledge Database popisuje případ vysokopevnostních šroubů, které praskly vodíkovou křehkostí, protože se po galvanickém pokovení vynechalo odvodíkování.
Nekupujte tedy černěné šrouby 12.9 s tím, že je sami necháte galvanicky pokovit; pokud potřebujete ochranu proti korozi, obraťte se na výrobce šroubů.
Jednou z alternativ jsou zinkové lamelové povlaky (JIS B 1046:2020; v Evropě je řeší EN ISO 10683). Při jejich neelektrolytickém nanášení nevzniká vodík, předúpravu a pohlcování vodíku v provozu je ale nutné posoudit zvlášť. Norma JIS jako použití uvádí zejména vysokopevnostní spojovací součásti s pevností v tahu 1000 MPa a vyšší, aby se předešlo riziku vodíkové křehkosti. Kromě změny povlaku lze zvážit i snížení třídy pevnosti o stupeň a dosažení potřebné předpínací síly větším rozměrem nebo více šrouby.
Kontrolní seznam před utahováním
Před utahováním postupujte v následujícím pořadí. Nejde jen o to najít číslo momentu, ale i ověřit podmínky, ze kterých toto číslo vychází.
Začněte hledáním předepsané hodnoty. Pokud podmínky nesedí, vraťte otázku konstruktérovi.
Pokud předepsaná hodnota chybí nebo jí skutečné podmínky neodpovídají, nevybírejte hodnotu z tabulky sami. Zeptejte se konstruktéra nebo výrobce stroje.
Na straně konstrukce výrazně snížíte riziko chybného výkladu, když údaj o momentu na výkrese doplníte o třídu pevnosti, povrchovou úpravu a mazání. V údržbě a montáži může výměna maziva nebo náhradní šroub změnit součinitel utahovacího momentu, aniž by si toho kdo všiml. Změna povrchové úpravy znamená, že je nutné moment přezkoumat, proto změny dílů sdílejte s konstrukcí.
Ve velkosériové montáži je užitečným nástrojem procesní FMEA (PFMEA), která pomůže sepsat, co může způsobit vynechaný nebo nedotažený šroub. Podle rizika pak můžete stanovit cílový moment a jeho přípustné meze, četnost kontrol nářadí a rozsah záznamů.
V Česku k tomu patří i rámec BOZP: zákon č. 309/2006 Sb. ukládá zaměstnavateli zajistit, aby stroje a nářadí byly pravidelně a řádně udržovány a kontrolovány, a podrobnější požadavky na bezpečný provoz strojů stanoví nařízení vlády č. 378/2001 Sb. Návod výrobce je jedním z podkladů pro bezpečnou obsluhu a údržbu. Pro konkrétní spoj proto používejte hodnotu z technické dokumentace a schváleného pracovního postupu a rozpory vyjasněte s výrobcem nebo konstruktérem před zahájením práce.
Otázky na japonského dodavatele nebo výrobce stroje
Následující otázky se hodí, když v dokumentaci chybí údaje nebo když chcete díly nahradit evropskými.
- Jaký utahovací moment (nebo úhel) je pro tento spoj předepsán a ve kterém dokumentu je uveden?
- Z čeho byl moment odvozen: z 70 % meze kluzu podle japonských tabulek, podle VDI 2230, nebo ze zkoušek utahování?
- Jaká je třída pevnosti šroubů a matic a smíme použít jinou třídu nebo šroub podle ČSN EN ISO?
- Platí předepsaný moment pro suchý, nebo mazaný závit? Pokud mazaný, jakým mazivem a kam se nanáší?
- Jakou povrchovou úpravu šrouby mají (bez úpravy, černění, galvanické zinkování, zinkový lamelový povlak)? Mění se moment při jiné úpravě?
- Mají šestihranné hlavy rozměry ISO, nebo provedení JIS (u M10 klíč 16, nebo 17)?
- Je po záběhu nutné dotažení? Pokud ano, kdy a na jakou hodnotu?
- Smějí se šrouby utahované úhlem použít znovu, nebo se musí vyměnit?
- U šroubů 12.9: je galvanické pokovení přípustné, a pokud ano, proběhlo dodatečné ověření procesu a zkoušení výrobků i odvodíkování?
Vzor dotazu e-mailem
Pro komunikaci s dodavatelem v angličtině můžete použít následující vzor. Hranaté závorky nahraďte vlastními údaji.
Subject: Tightening torque for [machine model], [assembly name]
Dear [name],
We are preparing maintenance procedures for [machine model, serial no.]. Drawing [no.] lists M10 bolts, property class 12.9, at [assembly], but we could not find a tightening torque. Could you please confirm:
1. The specified tightening torque or angle, and the document it comes from
2. Whether the value assumes dry or lubricated conditions, which lubricant is specified, and where it must be applied (threads, bearing surface)
3. The bolt surface finish, and whether a different finish or class is acceptable
4. Whether the bolts may be reused after removal
Thank you for your help.
[Your name, company]
Kde tento návod neplatí
Článek vysvětluje souvislosti, nenahrazuje pracovní postup. Pro tyto případy platí vlastní pravidla:
- Předepsané hodnoty mají vždy přednost. Tabulky a výpočty v tomto článku jsou příklady za uvedených podmínek. Výkresy, návody výrobce a podnikové normy mají přednost.
- Šrouby z nerezu a neželezných kovů se řídí jinými normami (pro nerez JIS B 1054-1 / ISO 3506-1) a mají jiné součinitele utahovacího momentu.
- Ocelové konstrukce (vysokopevnostní šrouby pro ocelové stavby a mosty, v Evropě např. EN 14399 a EN 1090-2) mají vlastní normy a postupy utahování, které tento článek nepokrývá.
- Tlaková zařízení a přírubové spoje potrubí mohou mít požadavky na sílu ve šroubech v příslušných předpisech a v údajích těsnění. Řiďte se technickou specifikací projektu.
- Srovnání s VDI 2230 vychází z jedné tabulky (Würth, µ = 0,12) pro M10, 10.9. Při jiném tření nebo jiné geometrii se hodnoty liší.
- Normy se mění. Hodnoty zde vycházejí z vydání uvedených v pramenech. Před použitím ve specifikaci ověřte aktuální vydání.
Časté otázky
Je šroub JIS totéž co šroub podle ČSN EN ISO?
Co do pevnosti ano: JIS B 1051:2014 je identické převzetí ISO 898-1:2013, takže japonský šroub 10.9 a šroub 10.9 podle ČSN EN ISO 898-1 mají stejné požadované vlastnosti. Rozměry se ale mohou lišit. JIS B 1180 obsahuje v příloze i šestihranné šrouby v „provedení JIS“ mimo ISO; podle vydání 1994 a 2004 mají u M10, M12, M14 a M22 jinou velikost klíče než ISO 4014. U konkrétního dílu rozhoduje sjednané vydání normy a výkres výrobce.
Jaký je rozdíl mezi třídou pevnosti 8.8 a 10.9?
Šroub 10.9 má minimální pevnost v tahu 1040 MPa a minimální smluvní mez kluzu 940 MPa, třída 8.8 má 800–830 MPa a 640–660 MPa. Ve výpočtovém příkladu na obrázku 4 vychází pro M10 za stejných podmínek 55,6 N·m u 10.9 proti 37,9 N·m u 8.8. Třída 10.9 navíc vyžaduje matici třídy pevnosti 10 nebo vyšší a při galvanickém pokovení přísnější opatření proti vodíkové křehkosti.
Proč jsou momenty z japonských tabulek MISUMI a Yura Sansyo nižší než naše tabulka podle VDI 2230?
Protože tabulky odpovídají na jinou otázku. Japonské tabulky MISUMI a Yura Sansyo míří na střed rozsahu předpínací síly s horní mezí 70 % síly na mezi kluzu a Q = 1,4 (M10, 10.9: 55,6 N·m). Tabulka Würth podle VDI 2230 udává moment pro 90% využití meze kluzu redukovaným napětím (M10, 10.9, µ = 0,12: 71 N·m). Porovnávejte předpoklady, ne jen čísla, a řiďte se předepsanou hodnotou.
Mohu pro jistotu použít 12.9 místo 10.9?
Ne bez souhlasu konstruktéra. Třída 12.9 má nižší tažnost a JIS B 1051 kvůli zpožděnému lomu žádá při jejím použití opatrnost. Při stejném průměru a stejném součiniteli utahovacího momentu dá stejný moment stejnou vypočtenou předpínací sílu bez ohledu na třídu pevnosti, samotná záměna za 12.9 tedy předpětí nezvýší. Galvanicky pokovené šrouby 12.9 navíc podle ISO 4042 vyžadují dodatečná opatření.
Na M10 u japonského stroje sedí jen klíč 17. Je šroub špatný?
Většinou ne. Jde nejspíš o šroub v „provedení JIS“ podle přílohy JIS B 1180, který má stejně jako dřívější DIN 931/933 klíč 17, zatímco ISO 4014/4017 předepisuje 16. Třída pevnosti tím není dotčena. Při náhradě ověřte u výrobce, zda smíte použít šroub ISO, a zkontrolujte i dosedací plochu a utahovací moment.
Prameny
- Označení tříd pevnosti, značení a upozornění k 12.9: JIS B 1051:2014, mechanické vlastnosti spojovacích součástí z uhlíkové a legované oceli – šrouby a svorníky se stanovenými třídami pevnosti (identická s ISO 898-1:2013, japonsky); Japonská asociace pro normy (JSA), záznam JIS B 1051:2014 (japonsky); EN ISO 898-1:2013, záznam normy (anglicky)
- Mechanické vlastnosti podle třídy: JIS B 1051:2014, tabulka 3 (viz výše); Nippon Fastener, společná specifikační tabulka (japonsky); Yura Sansyo, příručka o šroubech, mechanické vlastnosti (2) (japonsky)
- Stupně tříd pevnosti a přiřazení matic: Yura Sansyo, označení tříd pevnosti ocelových šroubů a matic (japonsky); JIS B 1052-2:2014, matice se stanovenými třídami pevnosti (ISO 898-2:2012, japonsky); ČSN EN ISO 898-2 (02 1005), záznam normy
- Rozměry šestihranných šroubů: JIS B 1180:2014, náhled JSA (japonsky); Global Fastener, tabulky přílohy JIS B 1180; Wermac, rozměry šestihranných šroubů (DIN 931 / ISO 4014); Dresselhaus, přechod DIN 931-1 → DIN EN ISO 4014; Kramp, poznámka k velikostem klíče ISO 4014
- Šrouby z korozivzdorné oceli: JIS B 1054-1:2013, spojovací součásti z korozivzdorné oceli – část 1: šrouby a svorníky (ISO 3506-1:2009, japonsky)
- Vztah moment–předpínací síla a metody utahování: JIS B 1083:2008, všeobecná pravidla pro utahování šroubových spojů (japonsky); TONE, metody řízení utahování (japonsky); Ikeda Kinzoku, metody řízení utahování (japonsky)
- Součinitele utahovacího momentu, součinitel utahování, vzorec a referenční tabulky, druhy uvolnění: Yura Sansyo, správné utahování šroubových spojů; Yura Sansyo, mechanické vlastnosti a referenční utahovací momenty; MISUMI, správná předpínací síla a utahovací moment (vše japonsky)
- Tabulka podle VDI 2230: Würth Industrie Service, DINO kapitola 6, technická část (tabulky 6.3 a 6.4) (německy); VDI 2230 list 1:2015-11, obsah (německy)
- Standardní utahovací moment (řada T): Tohnichi, FAQ; Tohnichi, příručka o momentech, kapitola 2 (japonsky)
- Tolerance ručního momentového nářadí: JIS B 4652:2008, ruční momentové nářadí – požadavky a zkušební metody (japonsky)
- Uvolnění a únavový lom: Hard Lock Industry, proč se závitové spoje uvolňují; Hard Lock Industry, jak uvolnění vede k únavovému lomu šroubu (japonsky)
- Galvanické pokovení a vodíková křehkost: ISO 4042:2022, spojovací součásti – galvanické povlakové systémy; záznam JIS B 1044:2024 (identická s ISO 4042:2022, japonsky); JIS B 1044:2001 (předchozí vydání) (japonsky)
- Zinkové lamelové povlaky: JIS B 1046:2020, neelektrolyticky nanášené zinkové lamelové povlakové systémy pro spojovací součásti (japonsky)
- Omezení pokovení 12.9 a případ poruchy: Nippon Fastener, otázky a odpovědi; Failure Knowledge Database, galvanicky pokovené vysokopevnostní šrouby prasklé vodíkovou křehkostí (japonsky)
- BOZP v Česku: Práce a mzda, péče o technická zařízení (zákon č. 309/2006 Sb., nařízení vlády č. 378/2001 Sb.)
Původní článek v japonštiněTento návod vychází z článku MONOSCOPE napsaného pro čtenáře v Japonsku: ボルトの強度区分と締付トルクの決め方｜8.8・10.9・12.9の疑問9つ
O redakci
Redakce MONOSCOPEFOUNDER & EDITORZhruba deset let praxe u výrobce průmyslových zařízení a v inženýrské firmě pro výstavbu závodů: nabídky, projektování a uvádění zařízení do provozu, poté přechod k online marketingu. Dnes webové poradenství pro výrobce B2B a pomoc s tím, aby srozumitelně představili své produkty a technologie. Japonské státní licence Energy Manager a hlavního elektroinženýra třetí třídy.
Od roku 2017 provoz technického blogu (přes 500 článků) a japonského kanálu na YouTube s přibližně 20 000 odběrateli. Každý návod vzniká z pohledu japonské výrobní haly a je ověřen podle citovaných norem.
