Момент затяжки и усилие затяжки

При проектировании, сборке и монтаже узлов, очень важно учитывать момент затяжки болтов. Момент затяжки болта контролируется динамометрическим ключом, а назначается исходя из определённых условий.

Требуемое осевое усилие болта

По сути, момент затяжки болта создает силу прижатия поверхностей. Усилие очень важно, так как соединения бывают разные, в некоторых случаях важно прижать поверхности, например при контакте метал-метал, а в некоторых излишнее усилие может навредить соединению, например установка крышки через резиновую прокладку, или установка пластиковой детали на металлический каркас.

Сначала конструктор определяет необходимое усилие прижатия поверхностей, затем определяет диаметр болтов или их количество. О том, как определить диаметр и количество, я рассказывал в уроке «Расчет болтов». Затем назначается момент затяжки. Тут есть маленькая хитрость: Когда требуется небольшое усилие (прокладка или пластик), лучше назначить чуть больше болтов меньшего диаметра, что позволит их расположить с меньшим шагом и более равномерно прижать поверхности. И, чем ближе момент затяжки болта к рекомендуемому значению, тем меньше шансов, что произойдет самопроизвольное откручивание.

Прочность болта

Рекомендуемые значения затяжки болтов назначаются из условия прочности болтов. В уроке «Прочность болтов» я рассказывал про прочность, какие бывают болты и как маркируются. Обычно рекомендуемый момент затяжки обеспечивает осевое усилие болта в 2/3 от предела текучести, то есть затянутый болт будет иметь запас прочности.

Ниже представлена таблица для затяжки болтов и гаек со стандартным шагом метрической резьбы.

Как видим из таблицы, момент затяжки любого болта прочностью 12.9 в разы выше момента затяжки болта класса прочности 4.6. Обращаю Ваше внимание, что данные моменты затяжек действуют только для болтов и гаек из углеродистых сталей со стандартным шагом. Ни в коем случае нельзя затягивать с такими значениями в алюминиевый или чугунный корпус. Данная таблица также не распространяется на самоконтрящиеся гайки и на элементы с мелким шагом резьбы.

Контроль момента затяжки болтов

Как я писал выше, требуемый момент затяжки обеспечивается динамометрическим ключом или иным настраиваемым инструментом (пневматический или электрический гайковерт). При затяжке обращаем внимание на качество резьбы, следим, чтобы гайка или болт закручивались от усилия пальцев и без закусывания.

Иногда, при осуществлении контролируемой затяжки, смазывают резьбу и поверхность под головкой болта или гайки. Раскрутить соединение обычно сложнее, может понадобиться значительно больший момент. Связано это с деформациями, окислением между болтом и поверхностью, коррозией в резьбе. Если требуется проверить, с нужным моментом затянут болт или нет, достаточно просто настроить ключ и попробовать подтянуть болт.

В соединениях с несколькими болтами, контролируемая затяжка осуществляется в несколько приёмов, о том, как это сделать, я расскажу в уроке «Порядок затяжки болтов».

Прочитав данный урок, Вы знаете, с каким усилием можно тянуть болты в обычных соединениях. Помимо простых соединений, меня часто спрашивают какой момент затяжки болтов ГБЦ (головки блока цилиндров) и некоторых других ответственных узлов. Этому вопросу будет посвящен отдельный урок.

В одной из следующих статей мы более подробно обсудим момент затяжки гаек на конкретных примерах, а на сегодня все, спасибо за внимание.

Основные типы крепежных деталей

Для соединения деталей можно применять болты, винты и шпильки (рис 16.7). Основным преимуществом болтового соединения является то, что оно не требует нарезания резьбы в соединяемых деталях.

Это особенно важно в тех случаях, когда материал детали не может обеспечить достаточную прочность и долговечность резьбы. Винты и шпильки применяют в тех случаях, когда по конструкции соединения постановка болта нерациональна.

При затягивании резьбовой пары детали прижимаются друг к другу с силой F_зат (рис 16.8). Со стороны деталей на головку болта и гайку действует также сила F_зат, которая через резьбу передается на стержень болта и вызывает его растяжение. Затяжка производится ключом с усилием F_кл, который создает момент T_кл=F_клL. Момент внешней силы F_кл уравновешивается моментом внутренних сил трения в резьбе и на торце гайки. Таким образом

где Т_р – момент трения в резьбе; Т_т— момент трения на торце гайки.

Болт находится в сложнонапряженном состоянии – скручивается и растягивается от осевой силы. Определим каждую из составляющих T_кл.

1. Определение момента трения на торце гайки.При затяжке резьбовой пары, когда торец гайки касается поверхности детали, возникает момент сил трения на поверхности гайки (рис 16.9). Введем допущение: усилие затяжки равномерно распределено по торцевой поверхности гайки. Под действием усилия F_зат на торце гайки возникает давление

,

где d– диаметр отверстия, D– диаметр под ключ. Проведем две концентрические окружности с радиусами r и r+dr. Выделяем элемент торца гайки dj . На этот элемент действует нормальная сила

где dS-площадь выделенного элемента. Рис.16.9

Элементарная сила трения определяется как

где f – коэффициент трения на торце гайки. Элементарный момент трения

Тогда момент трения на торце гайки определяется в виде

или .

2. Определение момента трения в резьбе. Рассмотрим взаимодействие гайки и витка резьбы болта, которое можно заменить действием груза на наклонную плоскость (рис 16.10,а). Развернем виток резьбы на плоскость.

Под действием сил F_зат, F_t и R тело находится в равновесии. Из треугольника сил (рис. 16.10,б) имеем

,

где b — угол подъема витка резьбы, r’ – угол трения.

Определим момент трения в резьбе

или.

Условия самоторможения резьбы

Самотормозящаяся резьба — это такая, в которой гайка удерживается под нагрузкой за счет сил трения. При свинчивании гайки сила трения F_тр меняет свое направление и условный груз находится в равновесии под действием сил F_зат, F_t и R (рис 16.11, а).

Из треугольника сил (рис 16.11,б)

Условие самоторможения F_t>0, то есть в самотормозящейся резьбе для свинчивания гайки нужно обязательно приложить усилие F_t. В несамотормозящейся резьбе это усилие не нужно, так как гайка будет сама откручиваться под действием усилия затяжки F_зат (вес груза), тогда или .

Для метрической крепежной резьбы (рис 16.12), тогда

;,

где-приведенный коэффициент трения.

Угол тренияизменяется в зависимости от величины коэффициента трения в пределах от 6° (f=0,1) до 16° (f=0,3), а b лежит в пределах от 1,5° до 4°, т. е. все крепежные резьбы самотормозящиеся.

В прямоугольной ходовой резьбе сила F_n‘ перпендикулярна профилю витка, т.е. F_n‘=F_n (рис 16.13). Отсюда находим F_тр= F_n f= F_n‘f. В ходовых резьбах коэффициент трения ниже, чем в метрических f 0 (рис. 17.2) имеет максимум. Максимальное значение h можно определить из выражения (17.1), приравняв нулю производную . Получим h_max при .

Для увеличения угла подъема резьбы применяются в винтовых механизмах многозаходные резьбы. Обычно b не превышает 25 0 , так как дальнейший прирост КПД незначителен, а изготовление резьбы затруднено. Для повышения КПД винтовых механизмов применяют средства, снижающие трение в резьбе: антифрикционные материалы, смазку поверхностей, применение шариковых винтовых пар.

Распределение нагрузки по виткам резьбы

Рассмотрим схему винтовой пары (рис. 17.3).Основная осевая нагрузка F_зат винта передается через резьбу гайке и уравновешивается реакцией её опоры. При этом каждый виток резьбы нагружается соответственно силами

F₁, F₂,…, F_n, причем .

При равномерном распределении нагрузки в резьбе F₁=F₂=…= F_n= F_зат/n, где n— число витков резьбы, эпюра распределения нагрузки по виткам имела бы вид как на рис.17.3, а. В реальных условиях распределение осевой силы между витками резьбы было бы равномерным, если бы резьба была изготовлена абсолютно точно, не изнашивалась и податливость резьбы была бы значительно выше податливости винта и гайки. В действительности эти условия отсутствуют. Влияние податливости винта на распределение сил между витками удобно показать для случая ввинчивания винта в массивную деталь, приняв её недеформируемой. Изобразим условно каждую пару витков в виде балочек, защемленных между стержнем винта и телом гайки.

На рис. 17.4,а показано резьбовое соединение в ненагруженном состоянии — балочки, изображающие витки резьбы, не деформированы.

На рис. 17.4, б показано соединение, где податливость резьбы значительно больше податливости деталей, поэтому все витки имеют одинаковую деформацию и нагрузку.

На рис. 17.4, с показано соединение, у которого податливость стержня винта соизмерима с податливостью резьбы, поэтому нижние витки резьбы получили большее упругое перемещение, чем верхние, а сила между каждой парой витков винта и гайки по закону Гука пропорциональна упругим перемещениям этих витков. Неравномерность распределения нагрузки по виткам усугубляется тем, что витки на наиболее растянутой части винта сопряжены с витками, расположенными в наиболее сжатой части гайки. Например, в рассматриваемом случае винт растягивается, а гайка сжимается. При этом точки А, B, C и D винта и гайки перемещаются вниз соответственно на ΔA,ΔB,ΔC иΔD. Из – за растяжения участка AB винта имеем

ΔB ΔC, а разность между ΔAD и ΔBC уменьшится. Кроме того, в наиболее нагруженной зоне (внизу) висячая гайка обладает повышенной податливостью, что также способствует выравниванию нагрузки в резьбе.

Гайка со срезанными витками.

У такой конструкции резьбовой пары увеличена податливость нижних витков винта, так как они соприкасаются с гайкой не всей поверхностью, а только своими вершинами (рис. 17.6). Увеличение податливых витков в наиболее нагруженной зоне снижает нагрузку этих витков.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Думаю, только реально «работающие руками» люди могут понять насколько важно точно знать практические и предельные моменты затяжки болтов и гаек из углеродистой стали с метрической резьбой.

Ведь еще неизвестно что лучше: «недотянуть» соединение, или «сорвать резьбу».

Ну что же… Эта проблема решаема, ведь к счастью, есть справочники, в которых все написано. И сейчас мы рассмотрим какие моменты затяжки для метрических болтов и гаек являются практическими, а какие — предельными

Практические моменты затяжки (М5-М39) классов прочности 4.6, 5.8, 4.6, 5.8, 8.8, 10.9, 12.9 для метрических болтов и гаек из углеродистой стали

При затяжке болта до практического момента затяжки, у него остается запас прочности, достаточный для того, чтобы болт гарантированно не «потек».

Разумеется, совершенно не обязательно в каждом случае затягивать все соединения до этих значений.

Скорее наоборот. В подавляющем большинстве случаев, дотянув до этих значений, вы можете получить ряд побочных проблем. Например, порвете, продавите или выдавите сделанную из более мягкого материала прокладку. И тем самым только испортите прочность соединения.

Тем не менее, приведенные в таблице практические моменты затяжки для метрических болтов и гаек из углеродистой стали являются допустимыми. А уровень нагрузки на соединение при этом соответствует ориентировочно 60-70% предела текучести.