Každý spoj závitového spojovacího prvku čelí během své životnosti stejnému nepříteli: postupné ztrátě upínací síly způsobené vibracemi, tepelnými cykly nebo sedáním povrchu. Pojistné podložky byly vyvinuty k potlačení této ztráty tím, že vyvíjejí tlak pružiny a v ozubených provedeních se zarývají do protilehlých ploch, aby bránily rotaci. V rámci ozubené rodiny dominují katalogům průmyslového a spotřebního hardwaru dvě geometrie: the vnější zubová podložka , se zuby ohnutými ven kolem ráfku a vnitřní zubová pojistná podložka se zuby skloněnými dovnitř směrem k otvoru. Oba plní stejný široký úkol, ale umístění těchto zubů mění způsob, jakým je aplikována síla, kde dochází ke kontaktu a které spoje jsou pro každý design nejvhodnější.
Tento rozdíl je důležitější, než se na první pohled zdá. Technik spojovacího materiálu, který volí mezi těmito dvěma, nevybírá kosmetickou variantu; vybírají, kde na přední straně podložky dojde ke kousnutí, jak velká část dosedací plochy bude označena a jak se podložka chová při opakovaném krouticím momentu a vibracích. Pochopení umístění zubů, rozložení zátěže a záměru návrhu umožňuje kupujícímu nebo konstruktérovi přiřadit správnou podložku ke správnému spoji namísto toho, aby plnil jakoukoli část, která se náhodou nachází na polici.
Záměna obou provedení je pochopitelná, protože z dálky obě vypadají jako kovový prsten s vroubkovaným okrajem. Směr zubů je zřejmý pouze tehdy, když člověk jeden zvedne a otočí ve světle, a dokonce i tehdy nejsou praktické důsledky tohoto směru vždy intuitivní bez určitého pozadí toho, jak sevřené spoje ve skutečnosti selhávají. Šroubový nebo šroubový spoj se jen zřídka povolí, protože samotný spojovací prvek se samovolně odšroubuje při stálém, neměnném zatížení. Častěji povolování začíná malým relativním pohybem mezi hlavou spojovacího prvku, podložkou a povrchem pod ní, často vyvolaným vibracemi, tepelnou roztažností a kontrakcí nebo mírným usazením upnutých materiálů krátce po montáži. Jakmile se objeví první střípek pohybu, tření na dosedacích plochách klesne přesně natolik, aby se spojovací prvek začal otáčet v malých krocích, a každý přírůstek se spojuje, dokud spoj měřitelně neztratí upínací sílu.
Ozubené pojistné podložky přeruší tento řetězec událostí tím, že spoji kromě tření, které by jinak odvedlo veškerou práci, dávají mechanický nákupní bod. Namísto spoléhání se čistě na povrchové tření mezi hlavou šroubu a podložkou nebo podložkou a substrátem se zuby fyzicky zakousnou do obou povrchů a vytvoří malé mechanické blokování, které odolá prvnímu střípku rotačního pohybu, než může začít. Protože tento první úlomek pohybu je to, co spustí kaskádu uvolňování, jeho včasné zastavení má mimořádný účinek na dlouhodobou spolehlivost kloubu ve srovnání s tím, co by mohla naznačovat malá velikost zubů.
Základní fyzikální rozdíl mezi těmito dvěma typy podložek je jednoduchý na vyjádření, ale má dalekosáhlé důsledky. Vnější zubová podložka má zuby vytvořené podél svého vnějšího průměru, zkroucené tak, že každý zub představuje ostrou hranu, která se mírně vychyluje z roviny podložky. Vnitřní podložka zubu toto uspořádání překlopí: zuby jsou vyraženy podél vnitřního průměru, blízko dříku šroubu nebo těla šroubu a pod úhlem dovnitř.
Protože se vnější podložka zubu zakousne do vnějšího ráfku, zabírá širší kruh kontaktu s dosedací plochou pod hlavou šroubu nebo maticí. Tento širší kruh šíří odpor proti otáčení přes větší oblouk, což má tendenci pomáhat nejvíce na plochých, měkčích materiálech, jako jsou plechové kryty, lakované panely nebo pouzdra z lehčích slitin. Naproti tomu vnitřní ozubená podložka soustřeďuje svůj záběr bezprostředně kolem dříku, což udržuje vnější povrch podložky relativně neoznačený a je často upřednostňován tam, kde záleží na viditelné povrchové úpravě kolem spojovacího prvku, například na dekorativních panelech, krytech zařízení nebo spojích, kde vnější okraj sedí blízko jiné součásti a nemůže tolerovat vyčnívající zuby.
Podpůrnou roli hraje také počet a úhel zubů. Většina vyražených vzorů umísťuje kolem kroužku osm až tucet zubů, z nichž každý je mírně zkroucený mimo rovinu, takže při stlačení působí jako malé konzolové pružiny a také řezné hrany. Když je upevňovací prvek utahován, zuby se nejprve mírně zploští, čímž se uloží energie pružiny, a poté se zakousnou do povrchu, když je dosaženo plné upínací síly. Tato dvojí činnost, částečná pružina a část řezná hrana, je důvodem, proč jsou ozubené podložky někdy seskupeny v širší rodině pojistných podložek spolu s konstrukcemi s dělenými kroužky, i když mechanismus odporu proti uvolnění je významně odlišný. Podložka s děleným kroužkem se téměř výhradně spoléhá na uložené napětí pružiny, které tlačí zpět proti závitům upevňovacího prvku, zatímco ozubená podložka přidává mechanické zakousnutí nad jakékoli napětí pružiny, které proces lisování poskytuje.
Výběr materiálu také ovlivňuje umístění zubů. Na tvrdším podkladu, jako je tlustá konstrukční ocel, bude mít vnější i vnitřní ozubení problém s hlubokým zakousnutím a praktický rozdíl ve výkonu mezi nimi se zužuje, protože žádný z nich nedosahuje hlubokého zakousnutí do základního materiálu. Na měkčím podkladu, jako je hliníkový plech nebo lakovaný krycí panel, se rozdíl stává mnohem výraznějším, protože zuby se mohou ve skutečnosti zabořit do materiálu, spíše než pouze rýhovat povrch. To je jeden z důvodů, proč zkušení montéři považují výběr zubní podložky za rozhodnutí specifické pro spoj spíše než za plošný standard aplikovaný na každý spojovací prvek v návrhu.
Rozložení zatížení je místo, kde se praktické důsledky umístění zubů stávají nejzřetelnějšími. Podložka pod utaženým upevňovacím prvkem nebrání pouze otáčení; je to také rozložení upínací síly hlavy šroubu nebo matice přes podkladový materiál, takže se napětí nesoustředí do jednoho malého bodu. Průměr, při kterém se zuby dotýkají, mění poloměr tohoto šíření.
Vzhledem k tomu, že vnější zuby mají největší dostupný průměr pro danou velikost podložky, rozdělují skus po širším obvodu, což snižuje tlak na každý jednotlivý zub při stejné upínací síle. Vnitřní zuby umístěné s menším poloměrem koncentrují větší sílu na zub při stejném kroutícím momentu, což zvyšuje místní hloubku záběru, ale také zvyšuje riziko povrchových stop přímo kolem otvoru na tvrdších nebo tenčích materiálech.
Tyto údaje jsou spíše ilustrativní než laboratorní měření, ale představují vzor důsledně pozorovaný v praxi spojování: podložky se širším kontaktním záběrem šíří upínací napětí na větší stopu, což snižuje možnost deformace podkladového povrchu nebo zapuštění spojovacího prvku do měkčího materiálu v průběhu času.
Rozložení zatížení má také sekundární efekt, který lze snadno přehlédnout: ovlivňuje, jak rovnoměrně sevřené části sedí proti sobě, jakmile je spoj plně utažen. Podložka, která soustředí svůj tlak v ložisku do úzkého kroužku, může způsobit mírné kývání, pokud okolní povrch není dokonale plochý, protože dráha zátěže vede přes malý kontaktní pás, spíše než aby byla odpružena v širší oblasti. Širší stopa ložiska má tendenci zprůměrovat malé nepravidelnosti povrchu, což je součástí toho, proč jsou konstrukce vnějších zubů často specifikovány na sestavách, kde může mít protilehlý panel menší zvlnění z výrobních tolerancí, jako jsou lisované plechové kryty nebo extrudované části pouzdra.
Je tu však kompromis, který stojí za zmínku. Rozložení zátěže na širší oblast snižuje špičkový tlak na každý jednotlivý zub, což je dobré pro zamezení poškození povrchu, ale může také znamenat menší průměrnou hloubku záběru ve srovnání s konstrukcí, která koncentruje stejnou upínací sílu do menšího kroužku. Toto je základní mechanický kompromis mezi dvěma typy podložek: konstrukce vnějších zubů upřednostňuje široký, jemný záběr vhodný k ochraně okolního povrchu, zatímco konstrukce vnitřních zubů upřednostňují těsnější, koncentrovanější skus vhodný k tomu, aby odolával rotaci na menší stopě. Ani jeden přístup není univerzálně silnější; každý se jednoduše posune tam, kde na křivce tlak versus plocha kloub sedí.
Obě konstrukce zubů jsou prodávány především na základě jejich schopnosti odolávat uvolnění při vibracích, ale způsob, jakým se každý drží při delším cyklování, se mírně liší kvůli tomu, kde dochází k zákusu vzhledem k ose spojovacího prvku. Zuby umístěné blíže ke dříku šroubu na vnitřní podložce zubu sedí blíže otočnému bodu jakéhokoli rotačního mikropohybu, což jim dává mechanickou výhodu v odolnosti před počátkem cyklu. Zuby umístěné dále na vnější zubové podložce těží z delšího ramena páky, které se může promítnout do stabilnějšího dlouhodobého zadržení, jakmile počáteční skus zapadne do povrchu.
Zde uvedené křivky odrážejí obecný vzorec pozorovaný v mnoha kloubových studiích spíše než pevnou záruku: vnitřní podložky zubů často začínají o něco silnějším raným skusem kvůli kratšímu ramenu páky u dříku, zatímco vnější podložky zubů mají tendenci degradovat pozvolněji, protože jejich širší poloměr skusu odolává uvolnění i po částečném opotřebení jednotlivých zubů. Žádný vzor nedělá jeden design univerzálně lepší; správná volba závisí na tom, zda se očekává, že spoj bude pozorovat intenzivní rané vibrace, například během počátečního záběhu zařízení, nebo stálé dlouhodobé cykly, jako je například nepřetržitý provoz strojů.
Ozubené podložky také nejsou určeny ke kompenzaci špatně specifikovaného spojovacího prvku. Pokud je průměr šroubu nebo šroubu poddimenzován pro zatížení nebo jsou upnuté materiály příliš měkké na to, aby vůbec udržely krouticí moment, žádná geometrie zubů tuto neshodu plně nevyrovná. Jsou zdokonalením navrstveným na jinak správně dimenzovaný spoj, nenahrazují správné dimenzování upevňovacích prvků.
Volby designu spojovacích prvků se zřídkakdy týkají jedné vlastnosti. Inženýři společně zvažují tvrdost povrchu, viditelnost hotového spoje, dostupnou radiální vůli a očekávaný profil vibrací. Níže uvedená tabulka shrnuje běžné rozhodovací body z praxe valné hromady.
| Ohleduplnost | Vnější myčka na zuby | Vnitřní myčka na zuby |
|---|---|---|
| Poloměr záběru | Vnější lem, široký obvod | Vnitřní vývrt, blízko dříku |
| Povrchové značení | Širší prstenec světelného značení | Malý kroužek blízko otvoru |
| Nejlépe | Měkké nebo tenké plechové materiály | Tvrdší, tlustší spojovací části |
| Viditelný dopad na povrch | Výraznější na ráfku | Většinou skryté pod hlavou šroubu |
| Typické použití | Panelové skříně, držáky | Elektrické svorky, malé sestavy |
| Potřeba povolení | Vyžaduje prostor na ráfku | Hodí se na místa s užším otvorem |
Skříně a konstrukční držáky, které jsou často vyrobeny z tenčích plechů, se přiklánějí k konstrukcím s vnějším ozubením, protože širší skus rozkládá upínací sílu bez deformace panelu. Elektrické koncovky a kompaktní pouzdra, kde musí viditelná plocha zůstat čistá a prostor kolem otvoru je omezený, se přiklánějí k konstrukcím vnitřních zubů. Ani jeden vzor není striktním pravidlem; odráží obecnou logiku, která vede výběr, jakmile jsou pochopena dvě mechanická chování.
Zemnící a lepené spoje jsou jedním z běžnějších míst, kde se zubní podložky objevují mimo obecné konstrukční upevnění. Protože zuby při zakusování prořezávají lehkou povrchovou oxidaci, jsou obě provedení běžně specifikována v aplikacích lepení, přičemž výběr obvykle závisí na dostupném prostoru kolem koncového oka.
Jediné číslo málokdy vypráví celý příběh součásti spojovacího prvku, takže při procesu výběru je často užitečnější srovnání více atributů. Níže uvedená radarová tabulka zobrazuje pět atributů, které jsou běžně vzájemně porovnávány: odolnost proti vibracím, povrchová ochrana, pevnost hran, snadné vyrovnání během montáže a obecná nákladová efektivita při typických objemech výroby.
Vnější podložky zubů mají tendenci dosahovat vyššího skóre z hlediska odolnosti vůči vibracím a nákladové efektivity, protože širší poloměr skusu dobře odolává uvolnění a proces lisování vnějších zubů je obecně jednodušší, pokud jde o objem. Vnitřní podložky zubů mají tendenci dosahovat vyššího skóre z hlediska ochrany povrchu a snadnosti vyrovnání, protože menší vnější profil udržuje ráfek mimo okolní hardware a zuby se přirozeněji samostředí kolem stopky během montáže. Síla skusu hrany probíhá těsně mezi nimi, přičemž výhoda se posouvá v závislosti na tvrdosti spojovacího materiálu.
Čtení takového grafu je nejužitečnější, když jsou atributy váženy podle konkrétního spoje, který je navrhován, a nikoli jako stejně důležité pro každou aplikaci. Návrhář pracující na venkovním konstrukčním držáku, kde odolnost proti vibracím a dlouhodobá spolehlivost převažují nad kosmetickými problémy, se přirozeně přikloní k atributům, u nichž mají vnější konstrukce zubů vyšší skóre. Návrhář pracující na kompaktním elektronickém pouzdře, kde viditelný šev kolem každého šroubu záleží na hotovém výrobku a dostupný radiální prostor je těsný, bude klást větší váhu na ochranu povrchu a snadné vyrovnání a místo toho se přikloní k designu vnitřních zubů. Tabulka je výchozím bodem pro tuto konverzaci, nikoli konečným verdiktem, protože skutečné projekty obvykle vyvažují několik těchto atributů současně, místo aby optimalizovaly pouze jeden.
Výběr správné geometrie zubu je jen polovinou úspěšného spoje. Několik praktických kontrol snižuje pravděpodobnost, že pračka po instalaci nebude fungovat správně:
Tyto kontroly jsou běžnou praxí v rámci obecných montážních prací a platí bez ohledu na to, která geometrie zubu je nakonec vybrána. Jejich vynechání je častější příčinou uvolnění kloubů než výběr špatného typu podložky.
Obvykle se používají jeden po druhém, spíše než stohované, protože každý je již navržen tak, aby sám o sobě poskytoval dostatečný záběr a stohování přidává zbytečnou výšku kloubu bez úměrného zvýšení síly držení.
Umístění zubů ovlivňuje hlavně to, jak je upínací síla distribuována, jakmile je upevňovací prvek utažen, spíše než točivý moment potřebný k dosažení této upínací síly, i když může dojít k mírně vyššímu tření, když se zuby začnou kousat.
Mohou být použity na potažené povrchy, ale zuby obvykle prorazí povlak v kontaktních bodech, což je očekávané chování, protože skus závisí na dosažení základního materiálu pod ním.
Vnitřní podložky zubů mají tendenci se snadněji samostředit kolem dříku šroubu, což může mírně urychlit vyrovnání během opakované montáže ve srovnání s kontaktem vnějšího ráfku u konstrukcí vnějších zubů.
Snižují pravděpodobnost uvolnění v důsledku vibrací, ale nenahrazují směsi pro zajištění závitů ve spojích, kde je retence chemikálií specificky vyžadována aplikací.
