Таблица усилия затяжки метрических болтов в соответствии с классом прочности

Успешная эксплуатация различных механизмов и конструкций во многом зависит от надёжности резьбовых их соединений. Основными параметрами гарантии качества сборки узлов есть соблюдение соответствующих классов прочности крепёжных резьбовых элементов и усилий их затяжки. Учитывая технические особенности сборных конструкций и механизмов важность имеет как соответствующий показатель усилия затяжки отдельных крепёжных элементов, так и равномерность усилия нескольких резьбовых соединений, конструктивно участвующих в креплении одной детали.

Особенности работы резьбовых соединений

В любом резьбовом креплении важно, чтобы крепёж не был перетянут или несколько ослаблен (недотянут), то есть усилие соответствовало определённому моменту. Слишком перетянутый или ослабленный крепёж приводит к быстрому выходу из строя крепежа, что в итоге приводит к поломке или снижению рабочего ресурса в целом конструкции.

Болт затянутый с оптимальным моментом немного растягивается, не превышая порога сил упругости материала, в случае превышения которых происходит необратимое разрушение крепежа. При этом созданное усилие упругости максимально работает на сжатие двух соединяемых деталей и характеризуется устойчивостью к усталостному разрушению. Одновременно силой упругости болта в соединяемых крепежом деталей возникают уравновешивающие силы сопротивления материала соединяемых поверхностей. Такое явление называют предварительным натягом в соединении деталей.

Действие сил в затянутом резьбовом соединения

В недотянутом крепеже сдавливающая сила упругости будет отсутствовать или будет недостаточной, что в результате динамических нагрузок приведёт к дальнейшему ослаблению, увеличению зазора с последующим разрушением соединения.

Перетянутый крепёж характеризуется превышением порога упругости материала болта, и его пластичное линейное удлинение в конечном итоге приводит к разрушению соединения, учитывая потерю сдавливающей силы.

В составе любой спроектированной, сертифицированной конструкции все усилия технически обоснованы с учётом:

• диаметра резьбовых элементов,
• материала их изготовления,
• шага резьбы,
• высоты крепёжной гайки и мощности головки болта,
• числа крепежей в составе крепления одной детали,
• с учётом статических, динамических, температурных нагрузок,
• в отдельных случаях с учётом коррозийного действия на детали

Поэтому в сборочных технологических картах любых машин или конструкций различного назначения производители обязательно расписывают все усилия протяжки.

Единица измерения усилия затяжки

Стандартно усилие момента затяжки резьбовых соединений, в соответствии с международной системой единиц измерения, исчисляется в двух единицах: н·м — в ньютонах на метр или кгс·м – килограмм силах на метр.

Говоря о соотношении между двумя единицами и принимая за основу академические научные расчёты нужно отметить, что 1 н·м = 0.10197162129779 кгс·м, и наоборот 1 кгс·м=9,80664999999931 Н·м.

Для удобства в практике, касаемо контроля усилий в сборке резьбовых соединений, при переводе из одной единицы измерения в другую, точные значения используют крайне редко, осуществляя округление 1 кгс·м = 10 Н·м, что в общем, учитывая ничтожность погрешности на качество сборки конструкций влияния не оказывает.

Часто в технической документации, либо на самих шкалах приборов измерения прилагаемого усилия мы так и видим значения в двух вышеописанных единицах с аналогичным округлением.

В дополнение нужно отметить, что в зарубежных, в большей степени американских и британских, технических документах можно встретить единицу измерения момента затяжки ft·lb – фут на фунт или фут сила, где перерасчёт осуществляют из соотношения 1 Н·м = 0.73756 ft lb или наоборот — 1 ft lb= 1.3558179483314 Н·м.

Контроль усилия затяжки

Для осуществления монтажа деталей с соответствующим моментом затяжки существует ряд видов динамометрических ключей, обеспечивающих контроль усилия.

При контроле созданного значения момента, преследуя получения достоверных данных с минимальной погрешностью рекомендуется использовать сертифицированные модели ключей, занесенные в единый реестр измерительных приборов РФ. Порогом прохождения освидетельствования устройства является допустимая погрешность не более 4%. Ключи хорошего качества дают погрешность не более 1.5%.

Среди конструкций динамометрических ключей существуют следующие их типы:

• стрелочные
• щелчковые
• электронные

Ключи стрелочного типа, где стрелка отклоняется по шкале в соответствии с прилагаемым усилием. Такие устройства имеют наибольшую погрешность.

Стрелочный динамометрический ключ

Динамометрические ключи щелчкового типа — самый распространённый вид ключа, где нужное значение усилия устанавливается поворотом рукоятки в соответствии с размещённой ней шкалой. Принцип смены момента осуществляется изменением сжатия пружины, встроенной в рукоятку ключа. Установленное значение усилия сигнализируется характерным щелчком при осуществлении затягивания крепежа.

Стрелочный динамометрический ключ

Электронный ключ отличается функцией программирования нужного момента с передачей показателей усилия на встроенный штатный жидкокристаллический экран устройства.

Электронный динамометрический ключ

Дополнительно ключ данного типа может передавать данные на другие электронные устройства, сигнализировать звуковым сигналом достижения установленного значения усилия в процессе работы.

Таблица предельно допустимого момента затяжки болтов и гаек

При отсутствии нормативных технических данных на усилие тех или иных креплений в составе конструкций, осуществляя сборку ориентироваться можно на класс прочности болтов в составе узла, где каждый вид крепежа в заводской комплектации имеет характеристику допустимой степени затяжки конкретной точки крепления в конструкции. И наоборот, имея технические данные по усилиям затяжки отдельных креплений, таблица поможет в подборе болтов и гаек для комплектации конкретного узла.

Таблица усилий для стандартной метрической резьбы без покрытия (чёрной) с коэффициентом трения в 0.14

Таблица болтов и гаек с мелкой метрической резьбой без покрытия с коэффициентом трения 0.14

Естественно каждый крепёж, в соответствии со своим классом, имеет свой запас прочности, превышающий допустимую силу, указанную в характеристиках. Поэтому, граничное растягивающее усилие, при котором происходит разрушающее изменение в структуре тела крепежа несколько выше указанных данных в таблице.

В соответствии с нормативными актами, регламентирующих испытание элементов резьбовых крепежей, такой запас может составлять от 5 до 15%. Если не брать во внимание свойства используемого сплава для изготовления крепежа соответствующего классу, значение запаса прочности (5-15%) зависит от следующих факторов: материал соединяемых деталей (чугун, сталь, цветной сплав, пластик или композитный материал); отсутствие или наличие антикоррозийного слоя; длина резьбы крепежа; наличие или отсутствие смазки.

Подробнее о методиках испытаний, и данные по усилиям в соответствии с используемыми марками сталей в изготовлении резьбовых элементов различных диаметров сечения указаны в регламентирующем нормативном акте ГОСТ Р ИСО 898-1-2011.

Выбор класса прочности болта

Если говорить о практическом подборе марок болтов и других резьбовых крепежей в комплектации узлов и механизмов, обоснованием выбора является требование к усилию затяжки. Основная часть соединений придерживается условиям не менее 20-25% запаса прочности по отношению к техническим характеристикам в виде усилий затяжки конкретных сборочных резьбовых креплений.

Так, к примеру технические требования к монтажу маховика двигателя Д-240, Д-243 трактора МТЗ 82 составляет усилие 160 -180 Н·м каждого штатного болта, где соответствующий болт М14Х1.5 имеет максимальный предел усилия в затяжке 235 Н·м в классе прочности 12.9, что в общем соответствует запасу прочности в 20-25%.

Вместе с этим, в отдельных случаях, особенно, что касается затяжки головок цилиндров, данный алгоритм не работает в виду факторов: использования специальных высокопрочных сплавов в изготовлении шпилек, особенностей конструкции силовых установок,  действия термодинамических нагрузок, а также учёта поправок на усадку уплотнительной прокладки и материала изготовления головки цилиндров и блока двигателя. В таких случаях нужно руководствоваться только техническими рекомендациями завода производителя основанных на проектных расчётах.

П.С.

В заключении, от себя отмечу, что приводить раскладку всех принципов теории расчёта крепежей по науке «Сопромата» (Сопротивления материалов) не вижу смысла, так как для большинства пользователей это будет мало понятно и неинтересно, а отдельные уникумы и перфекционисты в любом случае будут не удовлетворены изложенным материалом и при желании сами найдут свою индивидуальную истину на просторах сети.