Ruuvikierre: määritelmä, tyypit, toiminta ja mekaaninen etu

Ruuvikierre: selkeä määritelmä, tyypit, toiminta ja mekaaninen etu — tekninen opas kierteiden valintaan ja laskentaan. Lue lisää.

Ruuvikierre, usein lyhennettynä kierteeksi, on spiraalimainen rakenne. Se muodostuu harjasta, joka on kierre ja joka on kierteen muodossa kääritty sylinterin tai kartion ympärille; ensin mainittua kutsutaan suoraksi kierteeksi ja jälkimmäistä kartiokierteeksi. Ruuvikierre muuttaa pyörimisliikkeen aksiaaliliikkeeksi ja toimii samalla eräänlaisena vinona tasona (kiila/inclined plane) kierretapaan käärittynä.

Mutterin kiristäminen pulttiin on analogista kiilan työntämiselle aukkoon: kierteen muoto ja kitka sekä pieni plastinen muodonmuutos (kahden pinnan limittyminen hieman toisiinsa) pitävät osat kiinni toisiaan vasten.

Ruuvikierre on yksi kuudesta yksinkertaisesta koneesta, jotka tuottavat mekaanista hyötyä. Ruuvikierteen mekaaninen etu riippuu sen etumatkasta (lead), eli lineaarisesta matkasta, jonka ruuvi kulkee yhdellä kierroksella, sekä siitä missä kohtaa ruuvia voimaa käytetään.

Peruskäsitteet

• Nousu (pitch): matka kahden vierekkäisen kierteenkärken aksiaalisuunnassa. Yleensä merkitään millimetreinä (esim. 1,25 mm).
• Etumatka (lead): lineaarinen etenemä yhdellä pyörähdyksellä. Yhdellä alkuperällä (single-start) etumatka = nousu; monikärkisissä (multi-start) ruuveissa etumatka = karkausluku × nousu.
• Helix-kulma (λ): kierteen muodostaman helixin kaltevuuskulma, λ = arctan(etumatka / (2πr)), jossa r on käytetyn työkalun tai ruuvin keskimääräinen säde.
• Oikeakätinen / vasenkätinen kierre: useimmat kierteet ovat oikeakätisiä (kiristetään myötäpäivään). Vasenkätisiä käytetään tilanteissa, joissa ruuvin pyöriminen kuormituksen vaikutuksesta voisi löystyä (esim. jotkut polkupyörän akselit, kaasuputkiliitokset).

Kierremuodot ja tyypit

• Kolmioristinen (vakio, metric / unified): yleisin koneistuksessa ja kiinnityksissä (esim. M-kierteet). Tunnusmerkkinä terävä profiili ja hyvät liitoseigenschaften.
• Trapezoidinen / Acme: käytetään voimasiirtoon, esim. ruuvipenkissä, nostoruuvissa; profiili on tukevampi ja kulutusta kestävämpi kuin kolmioristinen.
• Neliskulmainen (square): korkein hyötysuhde voimansiirrossa (vähäisin sivuttaisvoimin), mutta vaikea valmistaa.
• Buttress: epäyhtenäinen profiili, suunniteltu kestämään suuria aksiaalikuormia yhteen suuntaan.
• Kartiokierteet: käytetään tiivistyksissä ja putkiliitoksissa, sillä kartiomainen muoto parantaa tiiviyttä.

Mekaaninen etu ja laskenta

Ideaali (kitkattomassa) mekaaninen etu MA voidaan arvioida kaavalla:

Mekaninen etu ≈ (2πr) / etumatka,

missä r on voiman sovelluspisteen säde (esim. avaimen puolikas pituus) ja etumatka on ruuvin etenemä yhdellä kierroksella. Esimerkiksi, jos r = 5 mm ja etumatka = 1,5 mm, MA ≈ (2π·5) / 1,5 ≈ 21. Tämä tarkoittaa, että 1 N:n kiertovoima (momentinjakautuneena tällä säteellä) tuottaisi noin 21 N aksiaalista voimaa (ideaalisesti).

Käytännössä kitka ja pinnan muodot vähentävät hyötysuhdetta merkittävästi. Lisäksi ruuvin takaisinajautuminen (back-driving) riippuu helix-kulmasta λ ja kitkakertoimesta μ: ruuvi on itsejarruttava (ei pysty palautumaan ilman ulkoista momenttia), jos tan(λ) < μ. Tämä tarkoittaa, että pienellä etumatkalla ja/tai korkealla kitkakertoimella ruuvi pysyy paikallaan ilman lukitusta.

Merkinnät ja käytännön esimerkkejä

• Yleisiä merkintöjä: esim. M10×1,5 tarkoittaa metrinen kierre, nimellishalkaisija 10 mm ja nousu 1,5 mm.
• Monikärkiset ruuvit: kaksikärkinen ruuvi (double-start) voi esim. edetä 2×nousu yhdellä kierroksella, jolloin etumatka on suurempi ja liike nopeampaa mutta mekaaninen etu pienempi.
• Käyttökohteita: kiinnitysruuvit ja pultit, nostoruuvit (tunkit), ruuvipenkki, leivänpaahtimien tai koneistojen säätöruuvit, karamoottorit (worm), sekä putkikierreliitokset.
• Vasen/ oikea kierre: vasenkätisiä käytetään esimerkiksi oikeanpuoleisen pyörän polkimessa (samankaltaisuuksia): tarkoituksena estää luonnollinen löystyminen.

Valmistus ja standardit

Kierteet valmistetaan mm. kierteentapilla (tapping), kierteitysruuvilla, kierteensorvauksella tai kierrevalssauksella (thread rolling). Kierteille on olemassa useita standardeja, esimerkiksi ISO-metriikkakierteet (M), UNC/UNF (Yhdysvaltain standardit) ja erilaiset putkikierteet ja trapezoidiprofiilit. Oikean kierretyypin valinta riippuu kuormituksesta, vaadittavasta tiiviydestä, valmistuskustannuksista ja siitä, halutaanko korkea hyötysuhde vai itsejarruttavuus.

Yhteenveto

Ruuvikierre on monipuolinen ja tärkeä mekanismi, joka muuntaa pyörimisliikkeen aksiaaliliikkeeksi ja tarjoaa mekaanista etua. Sen toiminta perustuu kierteen geometriaan: nousuun, etumatkaan ja helix-kulmaan. Oikean kierreprofiilin ja nousun valinta vaikuttaa ruuvin kantavuuteen, kitkaan, tehokkuuteen ja siihen, tuleeko ruuvi itsejarruttavaksi vai takaisinajettavaksi.

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mikä on ruuvikierre?

K: Mitä kahta ruuvikierretyyppiä on olemassa?

K: Miten mutterin kiristäminen pulttiin toimii?

K: Mistä ruuvikierteen mekaaninen etu riippuu?

K: Kuinka moni yksinkertainen kone antaa mekaanisen edun?

K: Mikä on suora kierre?

K: Mikä on kartiokierre?

Hae kirjaimella