Моменты затяжки метрических болтов, винтов и гаек

Выход из строя резьбовых соединений при чрезмерной затяжке может произойти из-за разрушения стержня болта или из-за срыва резьбы гайки и/или болта.

Болт или винт в сборе с гайкой соответствующего класса предназначены для создания соединений, которые можно затянуть до установленного значения пробной нагрузки болта без срыва резьбы. Пробная нагрузка обычно составляет 85-95% от предела текучести и определяется как максимальное растягивающее усилие, которое можно приложить к болту и которое не приведет к его пластической деформации.

Значение крутящего момента для конкретного размера болта зависит от:

1. Материала и класса прочности болта.
2. Материала соединяемых деталей (сталь, цветной металл или пластик).
3. Наличия или отсутствия антикоррозийного покрытия у винта.
4. Является ли крепеж сухим или в смазке.
5. Длины резьбы.

Таблицы ниже даны только для ознакомления, так как приведенные в них значения являются приблизительными. Из-за множества факторов, влияющих на соотношение крутящего момента и натяжения, единственный способ определить правильный крутящий момент - это провести эксперименты в реальных условиях соединения и сборки.

Таблица 1. Моменты затяжки – винт (болт) без покрытия (черный), коэффициент трения 0,14.

Крупная резьба

Мелкая резьба

Таблица 2. Моменты затяжки –  винт электролитически оцинкованный, коэффициент трения 0,125.

Крупная резьба

Мелкая резьба

Почему важен момент затяжки болта?

Даже опытные мастера иногда затягивают болты с чрезмерным или недостаточным усилием. Честно говоря, значения крутящего момента редко можно найти в технической информации о продукте. А ведь именно недостаточная или чрезмерная затяжка болтового соединения является частой причиной выхода крепежа из строя. Оптимальный момент затяжки жизненно важен для обеспечения безопасного и надлежащего функционирования винта.

Что происходит при затягивании болта?

Прилагаемый к гайке крутящий момент, заставляет ее скользить вверх по наклонной плоскости резьбы. При этом уменьшается расстояние между опорными поверхностями болта и гайки. Этот размер представляет собой длину захвата болтового соединения.

При дальнейшей затяжке на болт действует  нагрузка на растяжение. Его материал, чаще всего сталь, сопротивляется этому этому растяжению и создает усилие зажима на скрепляемых компонентах. Точно так же материалы подложки сопротивляются сжатию, чтобы сбалансировать давление зажима. Создаваемое напряжение называется предварительным натягом крепежа.

Конструктивные соединения, относящиеся к категории ответственных, требуют затяжки до определенного крутящего момента для обеспечения правильного предварительного натяга.

• Правильно затянутый болт немного растягивается, но не выходит за область своей упругой деформации. Находясь под постоянным напряжением, он сохраняет усилие затяжки и проявляет устойчивость к усталостному разрушению.
• Чрезмерно затянутый болт растягивается за границы упругого удлинения, что приводит к его необратимой пластической деформации и последующему разрушению.
• Недостаточно затянутый болт допускает незначительный зазор между соединяемыми заготовками, который будет увеличиваться после постоянной динамической нагрузки или других рабочих нагрузок. Зазор в соединении означает отсутствие предварительного натяжения, что неизбежно приведет к разрушению соединения.

Таким образом, момент затяжки — это оптимальный крутящий момент, приложенный к гайке, чтобы болт мог надежно удерживать нагрузку, не деформируясь и не ломаясь. Единица измерения в системе СИ: Н·м (Ньютон-метр).

Момент силы предварительной затяжки резьбового соединения является расчетным значением и составляет 75-80% от величины пробной нагрузки. Последняя же служит в качестве контрольного показателя, который винт должен выдержать в ходе испытаний. Если вы превысите значение пробной нагрузки при затягивании, вы рискуете вывести из строя крепежный элемент.

Еще одно преимущество предварительного натяга

При первом взгляде на болтовой узел создается впечатление, что резьбовой крепеж сам несет все нагрузки, действующие извне в процессе эксплуатации. Но это не так. Когда к предварительно нагруженному соединению, прикладывается внешняя нагрузка, болт воспринимает неполное ее действие, а обычно только небольшую ее часть. Когда же рабочая нагрузка прикладывается к крепежному узлу, который не был предварительно нагружен, вся величина нагрузки ложится только на болт, что повышает вероятность его отказа.

Но это правило работает только в том случае, когда дополнительные внешние нагрузки не превышают предварительную нагрузку болтов, в противном случае нагрузка на резьбовой крепеж возрастает.

Роль сил трения и смазки в соединении

Для определения затягивающего усилия используются несколько специальных методов расчета, учитывающих не только класс прочности и диаметр резьбы винта, но и влияние гальванических покрытий, специальных смазочных материалов или эффект твердых и гладких сопрягаемых поверхностей и т. д.

Следует иметь в виду, что табличные данные являются грубым расчетом, не учитывающим сколько в реальных условиях сборки будет потеряно крутящего момента из-за трения.

При сухой сборке и грубых поверхностях приблизительно 90% приложенного крутящего момента приходится на преодоление сил трения: 50% на опорную поверхность гайки и 40 % между сопрягаемыми витками резьбы. Таким образом, для создания напряжения используется всего порядка 10% усилия затяжки.

Но выход найден! - Уменьшить трение за счет смазки. При смазанной резьбе потребуется на 15-25% меньший крутящий момент для достижения того же напряжения, кроме того, это снизит вероятность поломки крепежного изделия во время установки и продлит срок его службы. Производители смазочных материалов обычно указывают значение коэффициента трения крепежа, который обеспечивает смазка.

Также можно использовать болты с заданным коэффициентом трения, например, с цинковым покрытием, которое снижает сопротивление при завинчивании.

Инструмент для установки с регулируемым моментом затяжки

Приложение точного момента затяжки к крепежным деталям достигается с помощью динамометрического ключа. При затягивании он показывает прилагаемое усилие в аналоговом или цифровом формате. Однако все динамометрические инструменты имеют определенную погрешность, которую необходимо учитывать для определения подходящего момента затяжки. 

Как правило, о точности динамометрического ключа можно узнать у производителя или продавца. 

Заключение

Хотя предварительная нагрузка является главным приоритетом в болтовом соединении, существует множество внешних факторов, влияющих на возможность достижения или сохранения усилия затяжки, таких как рабочие температуры, коррозионные среды, нагрузки на сдвиг, вибрация. Поэтому для обеспечения длительной гарантии надежности разъемного сопряжения важно контролировать и поддерживать предварительный натяг на уровне в процессе эксплуатации и при ремонтных работах.