Как выбрать болт, гайку и стопорение для соединения под нагрузкой

Заявка из одной строки «болт М14» стык не задаёт: нет класса прочности, гайки, схемы нагрузки и того, в каком состоянии резьба при затяжке. На сборке это выходит боком. Мягкая гайка срезается по виткам при прочном стержне, недотянутый пакет раскрывается, и болт принимает всю переменную силу, а момент, назначенный только по диаметру, даёт другую силу в стыке, как только меняются смазка и покрытие. Ниже — чем болт отличается от винта, как соединение держит растяжение и сдвиг, какие классы совместимы и что писать в чертеже для М14 и М20.

Болт это: чем он отличается от винта и какие виды путают в заявке

Болт — это стержень с головкой и наружной резьбой: пакет деталей он стягивает через гайку. Термин задан в ГОСТ 27017, год издания сверяют по действующему справочнику. Соединение замыкается гайкой. На крепёжном болте резьба метрическая.

Винт замыкается резьбой в одной из соединяемых деталей. Шестигранная головка тип изделия не задаёт: шестигранник бывает и у болта, и у винта. В строке заказа пишут вид, номинал метрической резьбы, шаг, если он мелкий, длину и класс прочности.

Под слова «виды болтов» и «чем отличается винт от болта» в заявке собираются пять разных изделий.

• Шестигранный крепёжный болт под гайку стягивает пакет. Нагрузку держит пара болт–гайка.
• Винт в резьбу корпуса обходится без гайки: несущие витки сидят в детали.
• Высокопрочный болт стальных конструкций задают своим стандартом на зазор отверстия и способ натяжения.
• Болт с фланцем даёт увеличенную опору. Класс прочности указывают отдельно от формы фланца.
• Болт с трапецеидальной резьбой, включая откидные болты с трапецеидальной резьбой, — ходовой винт передачи, а не крепёж класса 8.8 под преднатяг. В заявке на стяжку стыка эту резьбу метрическим болтом не подменяют.

Дальше разобраны растяжение, сдвиг и затяжка. Конструктор задаёт класс и схему нагрузки, технолог — покрытие и сборку, снабженец получает полную строку, а не пометку «просто М14».

Как болтовое соединение держит растяжение и сдвиг

При растяжении предварительная затяжка сжимает детали в болтовом соединении: пакет зажат между головкой и гайкой ещё до внешней нагрузки. Внешняя сила сначала разгружает стык, в стержень уходит только доля. Доля тем больше, чем жёстче болт и чем податливее сжатый пакет. Коэффициент внешней нагрузки без жёсткостей этого стыка не назначают.

Пока стык сжат, переменный цикл почти не качает болт. С падением преднатяга стык раскрывается, и болт принимает всю внешнюю силу каждый цикл. Тогда растёт риск усталости по резьбе и под головкой.

При сдвиге несущая способность начинается с трения в стыке: его задают сила сжатия от преднатяга и коэффициент трения поверхностей. После срыва трения нагрузку принимают стержень болта на срез и стенка отверстия на смятие. В чертеже это две схемы, и под них по-разному задают зазор отверстия и преднатяг.

Муфта соединительная болтовая на фланцах валов передаёт крутящий момент тем же трением стыка или срезом стержня. В заявке на муфту указывают схему, посадку отверстий и нужен ли контролируемый преднатяг. Торцы фланцев, от которых зависит, сядет ли стык без перекоса, готовят на валах.

Классы прочности болта и гайки: кого с чем собирать

Класс прочности 8.8 задаёт минимальную прочность болта. Первое число, умноженное на 100, — номинальные 800 МПа. Произведение чисел, делённое на 10, — ориентир предела текучести 640 МПа, доля 0,8. ГОСТ ISO 898-1 нормирует механические свойства класса прочности 8.8: минимумы Rm и Rp0,2 у 8.8 разные для d ≤ 16 мм и для d > 16 мм. М14 относится к первой строке, М20 — ко второй.

Класс гайки берут не ниже первого числа класса болта: 4 к 4.6, 5 к 5.8, 8 к 8.8, 10 к 10.9, 12 к 12.9. Гайка более высокого класса допустима. Гайка ограничивает несущую способность узла при классе ниже, чем у болта: витки срезаются, и более прочный стержень несущую способность пары не поднимает. Для М20 одной цифры класса мало. Проверяют высоту гайки и исполнение по стандарту на гайки: при малой высоте резьбового зацепления даже нужный класс не развивает прочность болта. Порог высоты берут из стандарта на конкретное исполнение, из памяти его не ставят.

Момент затяжки М14 и М20: почему диаметра мало

Момент затяжки растёт вместе с силой предварительной затяжки, диаметром и коэффициентом, в который входят трение в метрической резьбе и трение под гайкой или головкой. Диаметр — один множитель из нескольких. Болт М14 и болт М20 при одной силе в стыке требуют разного момента, если различаются шаг, покрытие или смазка.

Крупный шаг М14 — 2 мм, М20 — 2,5 мм по ГОСТ 8724, клетку сверяют с изданием. Шаг меняет угол подъёма резьбы и долю момента, которая уходит в трение витков. Мелкий шаг в обозначении пишут явно: М14×1,5 и М20×1,5 дают другой момент при той же силе. Одинаковые болты М14 класса 8.8 с сухой резьбой, со смазкой и с цинковым покрытием требуют разного момента на одну силу в стыке. Цинковое покрытие меняет трение и нужный момент для предварительной затяжки. В чертёж момент попадает вместе со смазкой и покрытием.

Динамометрический ключ контролирует момент при сборке и воспроизводит заданное число. Силу в стыке он подтверждает косвенно: при другом трении тот же момент даёт другую затяжку. Для ответственного стыка в заявке указывают метод контроля — момент, момент плюс угол или удлинение стержня. Класс 10.9 при моменте, посчитанном на 8.8, силу преднатяга сам не увеличивает. Момент под новый класс считают заново и проверяют, выдержит ли сжатие пакет деталей и резьба в корпусе.

Стопорение: что сохраняет преднатяг

Стопорение резьбы удерживает достигнутую предварительную затяжку. Класс прочности оно не заменяет и несущую способность стержня не увеличивает: гайка слабее болта останется слабым звеном и с фиксатором на витках.

1. Есть ли вибрация и знакопеременные циклы. Преднатяг на таком стыке держат контргайкой, самоконтрящейся гайкой с полимерным кольцом или с обжатой резьбой, корончатой гайкой со шплинтом, проволочной контровкой или анаэробным фиксатором резьбы. Пружинная шайба на вибронагруженном стыке преднатяг не страхует так, как самоконтрящаяся гайка, шплинт или фиксатор.
2. Стык обслуживаемый или глухой. Шплинт и проволоку снимают без разрушения элемента. Полимерное кольцо и сильный фиксатор рассчитаны на малое число разборок.
3. Совместим ли способ со смазкой и покрытием. Фиксатор резьбы меняет трение, смазка мешает полимерному кольцу и анаэробу. В заявке указывают степень фиксации и ту смазку, при которой считали момент.
4. Какая строка попадает в чертёж. В спецификацию пишут тип стопорения. Общее слово «законтрить» способ не задаёт.

На узле с приварной гайкой стопорение не компенсирует слабое звено между резьбой и креплением гайки к листу. Сначала проверяют, что исчерпывается раньше — витки или сварное крепление, — и уже потом фиксируют болт.

Покрытие и нержавеющая сталь болта

Запись «оцинкованная сталь» у болта означает покрытие стержня, а не замену марки. Цинковое покрытие меняет коэффициент трения, поэтому момент с чёрного крепежа на оцинкованный переносят после пересчёта под фактическую пару поверхностей.

• Электролитический цинк. В строке держат класс болта, смазку под момент и риск наводороживания для 10.9 и 12.9. Гальваническое покрытие болтов этих классов требует технологии с удалением водорода. Температуру и выдержку берёт технолог из стандарта на покрытие, режим в статью не ставят.
• Горячее цинкование. Слой нарастает на резьбе. Гайку подбирают с увеличенным зазором резьбы по стандарту на покрытие. Поле допуска в чертёж ставят после сверки со стандартом, из памяти его не пишут.
• Нержавеющая сталь. Болт нержавеющий: марка стали и класс свойства стоят вместе — 50, 70 или 80 — плюс смазка от заедания. A2 и российская 12Х18Н10Т, A4 и 10Х17Н13М2Т — группы стали. Прочность задают классом по ISO 3506. Класс 8.8 к этой системе не относится. Сталь A2-70 — пример записи: группа A2 и класс свойства 70.

Гайку для нержавеющего болта во влажной среде берут из той же группы стали и указывают смазку против заедания резьбы. Болты из жаропрочной стали задают маркой и температурой работы: ни класс 8.8, ни запись A2-70 эту строку не заменяют. Слой, от которого зависит трение при затяжке, согласуют на гальванике и покрытиях.

Гайка на листе: резьба или крепление к листу

Приварная гайка делит предельную нагрузку между сварным креплением к листу и метрической резьбой. Сначала находят слабое звено: резьбу или крепление гайки к листу. Усиление остальных элементов без этой проверки даёт более дорогой размер и не прибавляет несущей способности. Типичный след — болт классом выше при том же тонком листе под гайкой.

При высокой нагрузке приварную гайку ставят с противоположной стороны листа относительно направления силы, чтобы усилие стремилось протянуть её через лист. Такая схема снижает влияние дефектов сварки на несущую способность: гайке нужно пройти сквозь лист. В чертеже указывают сторону листа, а не только «приварная М8».

На оцинкованной стали DP600 у приварных гаек M8 картина по толщине листа такая. При 1,2 мм и при 1,65 мм почти всегда разрушался лист. При 2,0 мм чаще разрушалась резьба. Увеличили толщину опоры — заново проверяют прочность резьбовой пары: прежнее слабое звено уже может быть не тем.

При усталостном нагружении в тех же испытаниях прирост толщины листа поднимал стойкость сильнее, чем увеличение размера резьбы или переход на более прочную сталь листа. На циклическом стыке первой проверяют толщину опорного листа.

При высокой и усталостной нагрузке гайка с кольцевым сварочным выступом предпочтительнее гайки с отдельными выступами: кольцо даёт меньше мест зарождения трещины. Критерий относится к сварному креплению гайки, а не к классу болта. Приварку закладывают в сварочные работы: сторона листа, форма выступа, доступ клещей.

Под кольцевой выступ нужна плоская поверхность листа. Такая гайка сложнее в сварке, а надёжного неразрушающего контроля этого шва, на который можно опереть расчёт, нет. На ответственный узел закладывают разрушающий контроль образца.

При небольших нагрузках и резьбах M6–M8 запрессовываемая и приварная гайка по способности нести нагрузку сопоставимы. Выбор тогда определяет технология: покрытие листа, доступ сварки, серия. При более высоких нагрузках и крупных резьбах берут приварной крепёж.

В исследованной конструкции пластину под приварную гайку наращивать сверх 2,0 мм нецелесообразно: ограничивающим элементом становится резьба. Это вывод для рассмотренного узла с гайкой M8, а не общий предел толщины листов. На толстом фланце слабое звено ищут заново.

Обозначение болта на чертеже, резьба и фаска

Обозначение болта на чертеже держат полями вместе: имя «болт», диаметр, шаг если он мелкий, длина, поле допуска резьбы, класс прочности, покрытие, стандарт изделия. Готовую строку вида «Болт М14… ГОСТ …» из памяти не склеивают: её собирает редактор по действующему стандарту на этот болт. Крупный шаг в обозначении можно опустить, мелкий пишут всегда.

Рядом со строкой крепежа на чертеже узла стоят класс и высота гайки, способ стопорения, момент или сила затяжки, состояние смазки и схема — растяжение или сдвиг. Без этой обоймы сборка идёт «до упора ключом».

Резьбы болтов с крупным шагом по ГОСТ 8724 для ходовых диаметров сведены ниже. Мелкий шаг в таблицу не входит.

Снятие фасок болта задаёт заход резьбы, чтобы гайка наживлялась без срыва первых витков. Фаска отверстия убирает заусенец: кромка влияет на прилегание головки и на слой покрытия. Насадка для снятия фаски на болтах — зенковка слесаря под эту кромку, отдельным видом болта она не является.

Как снять болт, если резьба прокручивается: рост момента силу стыка уже не поднимает, витки преднатяг не создают. Болт и гайку меняют парой, резьбу в детали восстанавливают отдельной операцией. Диаметры свёрл и экстракторов подбирают по фактическому срыву, в чертёж их не закладывают. Восстановление и сборку узла ведут как слесарные работы.

В заявке на изготовление и сборку присылают полный набор, а не одну позицию «М14»:

• чертёж узла;
• растяжение или сдвиг;
• статика или усталость;
• среда;
• покрытие;
• класс пары болт–гайка;
• стопорение;
• объём партии.

Площадка — Чебоксары, поставка по РФ. Изготовление деталей по чертежам и сборку соединения считают по этой строке.

Источники. Слабое звено резьбы и крепления к листу, сторона установки гайки, испытания M8 на оцинкованной стали DP600, кольцевой выступ и пластина 2,0 мм для исследованного узла: Крепление гаек и болтов контактной рельефной сваркой.