Czym są narzędzia dynamometryczne? Rodzaje i zastosowania

Czym są narzędzia dynamometryczne?

Narzędzia dynamometryczne to bardzo szeroka gama narzędzi dedykowanych przede wszystkim  do precyzyjnego aplikowania określonej wartości momentu na wykonywanych połączeniach śrubowych, ale także do kontroli już wykonanych połączeń, lub wykonywania prac badawczych i laboratoryjnych, w celu zbadania już zastosowanej , lub określenia wymaganej wartości momentu na danym połączeniu.

Jak działa moment obrotowy i dlaczego jest ważny?

Moment obrotowy to wielkość fizyczna, która w układzie SI wyrażana jest w jednostkach Nm, a w jednostkach imperialnych (anglo-amerykańskich) przybiera oznaczenie lb.ft lub lb.in. W skrócie jest to iloraz wartości zastosowanej siły  (N) i długości zastosowanej dźwigni (m). Wartość ta informuje jaką siłę należy zastosować na połączeniu skrętnym  tak aby doprowadzić do trwałego i bezpiecznego połączenia dwóch elementów za pomocą elementu łącznego – w tym wypadku śruby. W procesie łączenia łącznik (śruba) ulega stopniowemu rozciągnięciu a wytwarzana siła działa w kierunku obu łączonych elementów, w efekcie  powodując ich trwałe zaciśnięcie. Każda śruba ma swoją indywidualnie określoną tzw. granicę plastyczności, czyli punkt po przekroczeniu którego, materiał z jakiego jest ona wykonana ulega trwałemu odkształceniu, co powoduje nieodwracalne uszkodzenie śruby, zalecana wartość siły jaką trzeba zastosować aby poprawnie i bezpiecznie połączyć dwa elementy a równocześnie nie zniszczyć śruby stanowi od 75% do 90% granicy plastyczności danej śruby w określonej klasie. Aby poprawnie wykonać połączenie śrubowe należy zastosować na nim precyzyjnie odpowiednią siłę i to właśnie umożliwia  zastosowanie narzędzi dynamometrycznych.

Rodzaje narzędzi dynamometrycznych

Narzędzia dynamometryczne można podzielić na dwie główne grupy – narzędzia dynamometryczne ręczne oraz narzędzia dynamometryczne z napędem.  Każda z tych grup dzieli się dodatkowo na klika podgrup, poniżej przedstawiamy szczegółowy podział:

Narzędzia dynamometryczne ręczne

Klucze dynamometryczne mechaniczne – najczęściej występujące na rynku, dzielą się one na: klucze z mechanizmem sprężynowym które wymagają luzowania po zakończeniu pomiaru, oraz na klucze dynamometryczne z mechanizmem prętowym które nie wymagają luzowania mechanizmu po zakończeniu pracy. Wymagana dokładność kluczy mechanicznych wynosi +/-4%, ale wielu producentów na rynku oferuje już w standardzie wyższą dokładność – na poziomie +/-3%. Klucze dynamometryczne mechaniczne to najczęściej wykorzystywane narzędzia dynamometryczne, zapewniają szybkość procesu montażu, są łatwe w użyciu i nie wymagają żadnego zasilania zewnętrznego, powszechnie dostępne są modele od 1 Nm do aż 3000 Nm.

Klucze dynamometryczne elektroniczne – w ramach tej podgrupy wyróżniamy podział na klucze dynamometryczne elektroniczne z odczytem momentu, oraz na klucze dynamometryczne elektroniczne z odczytem wartości momentu i pomiarem przesunięcia kątowego. Dokładność pomiarowa klucze elektronicznych jest wyższa od ich odpowiedników mechanicznych i kształtuje się w większości przypadków na poziomie +/-2% ale w naszej ofercie posiadamy modele których dokładność pomiarów wynosi +/-1% - zarówno w prawą jak i lewą stronę (CW/CCW). Dużą zaletą kluczy dynamometrycznych elektronicznych jest również to że posiadają pamięć wewnętrzną, dzięki czemu wyniki pomiarowe mogą być w pełni dokumentowane, oraz transferowane z klucza za pomocą oprogramowania do komunikacji z komputerem, w celu dalszej analizy lub zapewnienia dokumentacji z procesu. Klucze elektroniczne występują najczęściej w zakresie od 1 Nm do 2000 Nm.

Unikalnym  połączeniem powyższych typów kluczy dynamometrycznych jest  seria kluczy elektroniczno-mechanicznych – np. seria 730D Stahlwille – klucze z tej serii sygnalizują osiągnięcie zadanego momentu poprzez charakterystyczny „klik”, ale równocześnie mają elektroniczny odczyt momentu i pamięć wewnętrzną, dzięki czemu możliwe jest zgrywanie wyników pomiarowych do PC i ich archiwizacja i dalsza obróbka. Klucze s serii 730D oferowane są w zakresach od 10 Nm do nawet 1000 Nm.

Wkrętaki dynamometryczne –  w ramach tej podgrupy narzędzi dynamometrycznych rozróżniamy wkrętaki dynamometryczne mechaniczne oraz elektroniczne. Mechaniczne dzielą się na dwa typy – wkrętaki dynamometryczne ze sprzęgłem ślizgowym, które stanowią zdecydowaną większość wśród dostępnych na rynku modeli, oraz wkrętaki dynamometryczne z mechanizmem klikowym – oferowane tylko przez kilku producentów. Większość modeli wkrętaków dynamometrycznych mechanicznych cechuje się dokładnością pomiarów na poziomie +/-6% zgodnie z wytycznymi normy ISO6789.Wkrętaki dynamometryczne mechaniczne stosowane są najczęściej w zakresie od 0,05 Nm do 10 Nm.

Wkrętaki dynamometryczne elektroniczne to narzędzia oferujące bardzo wysoka precyzję pomiarów – nawet do 1%,  zazwyczaj oferują też możliwość zapisu wyników pomiarowych w pamięci wewnętrznej, są z tego powodu narzędziami najczęściej wybieranymi  w procesie kontroli jakości, do bardzo precyzyjnego montażu, lub do różnego rodzaju prac badawczych i prototypowych. Wersje elektroniczne wkrętaków dynamometrycznych najczęściej stosowane są w zakresie od 0,05 do 15 Nm.

W tej grupie narzędzi dynamometrycznych wyróżnić można jeszcze jedną podkategorię – wkrętaki dynamometryczne elektro-mechaniczne, podobnie jak klucze elektromechaniczne sygnalizują osiągnięcie zadanego momentu poprzez charakterystyczny „klik”, ale równocześnie mają elektroniczny odczyt momentu i pamięć wewnętrzną, dzięki czemu możliwe jest zgrywanie wyników pomiarowych do PC i ich archiwizacja i dalsza obróbka.

Narzędzia dynamometryczne z napędem

Do tej grupy narzędzi dynamometrycznych zaliczają się wszystkie narzędzia z napędem elektrycznym lub pneumatycznym.

Wkrętarki dynamometryczne pneumatyczne – to wszystkie narzędzia dynamometryczne wykorzystujące napęd pneumatyczny. Wyposażone mogą być w sprzęgła poślizgowe lub znacznie bardziej precyzyjne sprzęgła odcinające. Powszechnie stosowane są na liniach montażowych i charakteryzują się prostotą użycia oraz odpornością na trudne warunki pracy. Wkrętarki dynamometryczne pneumatyczne oferowane są w zakresach od 0,4 Nm do 15 Nm w wersji prostej lub pistoletowej, ale w wersji kątowej ich maksymalny zakres momentu może być znacznie większy – nawet do 150 Nm.  Warto pamiętać że zgodnie z przepisami  BHP,  w przypadku wkrętarek w wersji prostej, przy pracy z momentami powyżej  5Nm, konieczne jest stosowanie ramion reakcyjnych, chroniących zdrowie operatora. Dokładność tego typu narzędzi dynamometrycznych wynosi od 10% do 15%. Osobną kategorią wśród wkrętarek pneumatycznych są wkrętarki typu impulsowego – dzięki swojej unikalnej budowie – z zabudowaną komorą wypełnioną specjalnym olejem, zapobiegają przenoszeniu siły odśrodkowej podczas procesu dokręcania na ramię operatora, pozwalając na osiąganie bardzo wysokich momentów – nawet do 400 Nm, bez konieczności stosowania ramion reakcyjnych, ich dokładność kształtuje się na poziomie między 10% a 15%.

Wkrętarki dynamometryczne elektryczne – to bardzo szeroka i zróżnicowana grupa narzędzi dynamometrycznych. Ich wspólnym mianownikiem jest to że napędzane są silnikami elektrycznymi, ale poza tym różnice pomiędzy nimi potrafią być bardzo duże. Wkrętarki dynamometryczne elektryczne mogą być napędzane standardowymi silnikami szczotkowymi lub nowoczesnymi silnikami bezszczotkowymi – nie wymagającymi żadnej obsługi czy serwisu. Mogą być wyposażone zarówno w sprzęgła poślizgowe (obecnie już rzadko stosowane), precyzyjne sprzęgła odcinające które zapewniają 10% dokładność w realnych warunkach pracy, albo kontrolować moment w oparciu o czujniki tensometryczne – takie rozwiązanie pozwala osiągać dokładność od 3% do 5%.

Ten typ narzędzi dynamometrycznych masowo stosowany jest na liniach produkcyjnych, zapewniają szybkość montażu połączoną z precyzyjną kontrolą procesu, zazwyczaj standardową funkcją tego typu narzędzi dynamometrycznych jest komunikacja z PLC, a bardziej zaawansowane modele mogą łączyć się w czasie rzeczywistym z systemami zbierania danych gwarantując zachowanie bardzo rygorystycznych warunków montażu.

Zakrętarki dynamometryczne elektryczne i akumulatorowe – to narzędzia dynamometryczne dedykowane do pracy z wysokimi wartościami momentu – nawet do 15 000 Nm! Przeznaczone dla przemysłu ciężkiego, montażu konstrukcji stalowych, czy różnego rodzaju prac serwisowych. W tej kategorii narzędzi wyróżniamy zakrętarki z zasilaniem sieciowym oraz zakrętarki akumulatorowe. Obydwa typy zakrętarek dostępne są zarówno w wersji prostej jak i kątowej, umożliwiają łatwe osiągnięcie wysokich wartości momentu, przy jednoczesnym zachowaniu bardzo wysokiej dokładności na poziomie +//3,5% w przypadku zakrętarek z zasilaniem sieciowym, oraz 4% dla zakrętarek akumulatorowych.

Klucze dynamometryczne hydrauliczne – to chyba najwęższa ale równocześnie najbardziej niezwykła kategoria narzędzi dynamometrycznych akumulatorowych. Pozwalają stosować bardzo duże wartości momentu siły, nawet do 70 000 Nm! Ale zapewne jest możliwe uzyskanie jeszcze większych wartości w przypadku narzędzi konstruowanych pod specjalne zamówienie klienta.  Dostępne są w wersji nasadowej – z zabierakiem do montażu nasadek, a także w wersji kasetowej – której niezwykle ceniona zaletą jest zwarta kompaktowa budowa – pozwalająca na zastosowanie w najtrudniejszych aplikacjach, zwłaszcza wszędzie tam gdzie jest mało miejsca i wymagany jest duży moment na wykonywanym połączeniu śrubowym.

Zakrętarki dynamometryczne pneumatyczne – to narzędzia wykorzystujące napęd pneumatyczny do osiągania dużych wartości momentu. Wymagają zastosowania dodatkowej stacji kontroli powietrza zasilającego, co sprawia że są relatywnie rzadko wybieranym narzędziem dynamometrycznym, a zastosowanie znajdują głównie tam gdzie ograniczona jest możliwość użycia zakrętarek z napędem elektrycznym – np. w przemyśle petrochemicznym. Ich zaletą jest możliwość uzyskania dużych momentów siły – nawet do 15 000 Nm, oraz wysoka 5% dokładność pracy.

Gdzie stosuje się narzędzia dynamometryczne?

Narzędzia dynamometryczne znajdują obecnie bardzo szerokie zastosowanie, właściwie trudno znaleźć branżę w której nie są używane. Oczywiście najczęściej stosowane są w szeroko rozumianym przemyśle produkcyjnym – fabrykach, montowniach, zwłaszcza w przemyśle związanym z automotive – przy produkcji komponentów i podzespołów do samochodów,  ale także przemyśle spożywczym – np. do regulacji ruchomych części maszyn, w przemyśle drzewnym – do regulacji siły naciągu pił, przemyśle petrochemicznym – przy wszelkiego rodzaju regulacjach maszyn, serwisach maszyn i urządzeń, warsztatach samochodowych, budownictwie – do montażu konstrukcji stalowych.  Bardzo często narzędzia dynamometryczne znajdują zastosowanie również w przemyśle medycznym – do montażu krytycznie ważnych  części urządzeń medycznych, ale także w sytuacjach i miejscach które rzadko przychodzą nam na myśl w kontekście narzędzi dynamometrycznych – np. w szpitalach – podczas operacji montażu endoprotez, stomatologi – przy montażu implantów zębowych.

Bezpieczeństwo a nawet życie milionów ludzi codziennie zależne jest od stosowania poprawnie działających narzędzi dynamometrycznych – bardzo dobrym tego przykładem jest przemysł lotniczy – gdzie wszystkie istotne połączenia śrubowe wykonywane są odpowiednim narzędziem dynamometrycznym, a mało kto wie że nawet pokrywy osłon świateł na pasach startowych też muszą być dokręcane i regularnie kontrolowane za pomocą specjalnie dedykowanych do tego kluczy dynamometrycznych. Podobnie rzecz ma się w transporcie kolejowym czy lądowym – koła każdego samochodu, niezależnie czy jest to potężny TIR czy samochód osobowy lub motocykl, powinny być dokręcone z odpowiednią wartością momentu – a gwarantuje to tylko zastosowanie klucza dynamometrycznego!

Zapewne nawet niektóre części komputera na którym Państwo czytają ten artykuł też są montowane przy zastosowaniu dedykowanych do tego celu narzędzi dynamometrycznych.

Najczęstsze błędy podczas używania narzędzi dynamometrycznych

Narzędzia dynamometryczne, podobnie jak każde inne narzędzia powinny być wykorzystywane w odpowiedni sposób i zgodnie z ich przeznaczeniem. Najczęściej błędy podczas ich wykorzystywania wynikają z niewiedzy użytkownika, który podczas zakupu często swojego pierwszego narzędzia dynamometrycznego, nie został poinformowany przez sprzedawcę o podstawowych zasad użytkowania (często sprzedawcy sami nie są ich świadomi), dlatego zalecamy zakup narzędzi dynamometrycznych w wyspecjalizowanych  w  tym zakresie sklepach. Do podstawowych błędów należą:

• Przeciąganie/zrywanie połączenia – dotyczy to zwłaszcza kluczy dynamometrycznych mechanicznych, należy pamiętać że klucz dynamometryczny nie jest „narzędziem magicznym”. Osiągnięciu zadanego momentu klucz zasygnalizuje poprzez charakterystyczne kliknięcie i w tym momencie operator powinien zaprzestać dalszego dociągania śruby. Klucz daje sygnał operatorowi że moment został osiągnięty, ale jeśli operator nie zwolni klucza i nadal będzie dociągał połączenie to spowoduje to zastosowanie zbyt dużej wartości momentu siły na tym połączeniu (przeciągnięcie) lub nawet zerwanie połączenia. Taka sytuacja występuje najczęściej przy pracy z niskimi wartościami momentu –  najbardziej wrażliwe są połączenia do 30 Nm, a im mniejszy moment tym bardziej rośnie ryzyko zerwania połączenia z powodu nieostrożnej aplikacji momentu.
• Zostawianie klucza z nastawioną wartością momentu – dotyczy to wszystkich kluczy z mechanizmem sprężynowym. Należy pamiętać że po zakończeniu pracy, mechanizm klucz dynamometrycznego powinien być zluzowany do minimalnej wartości na skali klucza – lub jeśli t możliwe nawet delikatnie poniżej. W przeciwnym wypadku sprężyna mechanizmu będzie ulegała stopniowej degradacji, co po pewnym czasie będzie skutkowało błędnym działaniem klucza.
• Używanie kluczy dynamometrycznych do odkręcania połączeń – Większość kluczy dynamometrycznych mechanicznych dedykowana jest do dokręcania połączeń, ich mechanizmy nie działają w lewą stronę i nie powinny być wykorzystywane do odkręcania połączeń. Używanie ich do tego celu prowadzi do uszkodzeń mechanizmów i w efekcie niewłaściwego działania kluczy, powodując duże błędy pomiarowe. Jest to bardzo istotne gdyż klucze mechaniczne w odróżnieniu od kluczy dynamometrycznych elektronicznych, nie są w stanie dać użytkownikowi informacji o uszkodzeniu i potrzebie kalibracji, co może prowadzić do sytuacji w której dokładność pracy klucza obarczona jest dużym błędem pomiarowym a użytkownik nie jest tego świadomy.
• Zadawanie momentu w niewłaściwym miejscu – każdy ręczny klucz dynamometryczny – czy to elektroniczny czy mechaniczny, ma wyznaczony tzw. punkt reakcyjny. Jest to miejsce w którym przykładana była siła podczas kalibracji narzędzia i w tym samym miejscu operator powinien trzymać klucz podczas dokręcania połączenia. Zazwyczaj punkt ten jest zaznaczony na rękojeści / uchwycie klucza, ale nie wszyscy producenci stosują takie oznaczenie – jeśli klucz go nie posiada, uznaje się że punkt reakcyjny powinien być na środku rękojeści/uchwytu. Zadawanie momentu w innym miejscu podczas dokręcania będzie skutkowało zmianą wartości osiąganego momentu.
• Przekraczanie maksymalnej wartości momentu określonej dla danego narzędzia dynamometrycznego – należy pamiętać że najlepszą praktyką jest stosowanie narzędzia dynamometrycznego z odpowiednim zapasem dla zakresu maksymalnego momentu określonego dla danego modelu. Użytkowanie narzędzia dynamometrycznego z maksymalnym momentem jest oczywiście dopuszczalne, ale permanentne wykorzystywanie go w ten sposób zdecydowanie skraca jego żywotność i czyni go dużo bardziej podatnym na uszkodzenie.
• Brak kontroli i okresowej kalibracji narzędzi dynamometrycznych – każde narzędzie dynamometryczne powinno być regularnie kontrolowane i kalibrowane – niestety nadal obserwujemy że wielu użytkowników nie przykłada do tego należytej wagi, co skutkuje stosowaniem narzędzi które są obarczone dużymi błędami pomiarowymi.

Kalibracja i konserwacja narzędzi dynamometrycznych

Jak już wcześniej wspomnieliśmy wszystkie narzędzia dynamometryczne podlegają okresowej kontroli i kalibracji, a właściwa konserwacja przyczynia się zdecydowanie do ich właściwego funkcjonowania i  wydłuża ich żywotność. Zgodnie z normą ISO6789:2017 wszystkie ręczne narzędzia dynamometryczne, powinny być kalibrowane albo co 12 miesięcy albo co 5000 cykli (jako 1 cykl uznaje się 1 aktywację mechanizmu klucza po osiągnięciu ustawionej wartości momentu). W przypadku kluczy mechanicznych, większość użytkowników stosuje kryterium czasu – kalibracja co 12 miesięcy, zazwyczaj  trudno bowiem kontrolować ile cykli wykonał dany klucz, wyjątkiem są tu użytkownicy którzy stosują narzędzia dynamometryczne na liniach montażowych, gdzie precyzyjnie można określić po jakim czasie narzędzie wykona 5000 cykli. W przypadku klucz elektronicznych zazwyczaj możliwe jest ustawienie w oprogramowaniu klucza opcji przypomnienia o konieczności przeprowadzenia kalibracji albo po wykonaniu 5000 cykli lub po upływie 12 miesięcy od daty ostatniej kalibracji – klucze solidnych producentów pokażą komunikat przypominający o potrzebie kalibracji na wyświetlaczu narzędzia.

Ponieważ norma ISO 6789:2017 odnosi się do narzędzi dynamometrycznych ręcznych, to nieco inaczej sprawa przedstawia się w stosunku do narzędzi z napędem – tu zazwyczaj każdy producent ma swoje wytyczne co do częstości wykonywania kalibracji,  mogą one być bardzo rozbieżne i zależne od typu narzędzia i sposobu jego wykorzystania.

W kontekście konserwacji narzędzi dynamometrycznych należy pamiętać o podstawowych rzeczach – jak regularne czyszczenie, luzowanie mechanizmów po zakończeniu pracy, wymiana uszkodzonych elementów – np. zużytych lub uszkodzonych grzechotek, wymiennych elementów rękojeści, czy uszkodzonych opakowań do przechowywania kluczy i innych narzędzi dynamometrycznych. Ważne jest też ich przechowywanie w odpowiednich warunkach – w suchych i miarę możliwości ogrzewanych pomieszczeniach – przechowywanie kluczy mechanicznych w ujemnych temperaturach przez długi czas może powodować stężenie smarów na wewnętrznych elementach mechanizmu i jego niewłaściwe działanie. 

Jak wybrać odpowiednie narzędzie dynamometryczne?

Aby dokonać odpowiedniego wyboru narzędzia dynamometrycznego, tak aby spełniało nasze wymagania oraz aby służyło nam przez wiele lat istotne jest uwzględnienie kilku istotnych kryteriów:

Określenie maksymalnej wartości momentu jaką chcemy zastosować

Pierwszym, być może najważniejszym krokiem, jest określenie maksymalnej wartości momentu jaką chcemy zastosować. Zalecamy dobór narzędzia dynamometrycznego tak aby jego maksymalny zakresie momentu był najlepiej o 20% większym niż maksymalny moment z jakim chcemy stosować – zapewni to komfort użytkowania, wydłuży żywotność narzędzia i uchroni przed niepotrzebnymi awariami spowodowanymi np. permanentną pracą z maksymalnym momentem dopuszczalnym dla danego modelu.

Określenie wymagań procesu

Określenie wymagań procesu, tak aby dobrać odpowiedni typ narzędzia dynamometrycznego. Czy wystarczy nam tylko aplikacja wymaganego momentu – wtedy w zupełności wystarczy zwykły klucz mechaniczny, czy też konieczne jest zbieranie danych z procesu i dokumentacja uzyskanego momentu – wtedy zalecany jest wybór klucza elektronicznego.

Jaka będzie intensywność eksploatacji?

Jeśli np. szukamy klucza do dokręcenia kół po cyklicznej wymianie opon i będzie on używany tylko 2 razy w roku, to możemy pozwolić sobie na wybór modelu dedykowanego dla zastosowań warsztatowych, ale jeśli klucz będzie wykorzystywany codziennie, to należy wybrać klucz dynamometryczny dedykowany do zastosowania przemysłowego.

Odpowiedni producent

Ważny aspektem jest też zwrócenie uwagi na markę producenta – nie chodzi o to aby wybierać „markowe” produkty, ale o to że narzędzia dynamometryczne uznanych marek, będących długi czas na rynku są po prostu dobrze wykonane i co najważniejsze są do nich dostępne wszystkie części zamienne – co zapewnia bezproblemową eksploatację a także gwarantuje naprawę długo po upływie okresu gwarancji. W przypadku wyboru nieznanych marek, nie ma możliwości naprawy kluczy ze względu na brak dostępnych części zamiennych a usterki występują w nich zdecydowania częściej niż w narzędziach renomowanych producentów.

Cena nie jest bez znaczenia

Nikt nie chce przepłacać za narzędzia ale w przypadku narzędzi dynamometrycznych cena ma jednak znaczenie. Narzędzia bardzo atrakcyjne cenowo, zwłaszcza te od nieznanych producentów, zazwyczaj są bardzo słabej jakości. Absolutnie nie powinno się kupować żadnego narzędzia dynamometrycznego które w komplecie nie ma certyfikatu kalibracji, a takie niestety nadal są dostępne na rynku, wielokrotnie w czasie 16 lat istnienia naszej firmy, zdarzyło się nam że otrzymywaliśmy od klientów do kalibracji klucze które zakupili nowe ale nie posiadały certyfikatu kalibracji, zdecydowana większość z nich nie nadawała się do użytku – błędy pomiarowe znacznie przekraczały dopuszczalną tolerancje +/-4%, a ich regulacja nie była niemożliwa.