Затяжка болтов динамометрическим ключом: таблицы, способы определения усилий

Чтобы увеличить прочность и срок эксплуатации резьбовых соединений, а также повысить их сопротивление различным внешним факторам необходимо правильно закрутить крепежные элементы, рассчитав усилие завинчивания. Каждое соединение имеет свою определенную степень затяжки в зависимости от посадочного места. Момент затяжки рассчитывается в зависимости от температурного режима, свойства материала и нагрузки, которая будет оказываться на резьбовое соединение.

К примеру, под воздействием температурных показателей металл начинает расширяться, а под воздействием вибрации на элемент оказывается дополнительная нагрузка. Соответственно, для минимизации воздействующих факторов, болты необходимо закручивать с расчетом правильного усилия. Предлагаем ознакомиться с таблицей силы затяжки болтов, а также методами и инструментами выполнения работ.

Что такое затяжное усилие и как его узнать?

Моментом затяжки называют показатель усилия, который необходимо приложить для резьбовых соединений в процессе их завинчивания. Если крепеж был закручен с прикладыванием небольшого усилия, чем это было нужно, то при воздействии различных механических факторов резьбовое соединение может не выдержать, теряется герметичность скрепленных деталей, что влечет за собой тяжелые последствия. Так же и при чрезмерном усилии, резьбовое соединение или скрепляемые детали могут попросту разрушиться, что приведет к срыву резьбы или появлению трещин в конструкционных элементах.

Каждый размер и класс прочности резьбовых соединений имеет определенный момент затяжки при работе с динамометрическим ключом, который указывается в специальной таблице. При этом обозначение класса прочности изделия располагается на его головке.

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.

Маркировка и класс прочности деталей

Цифровое обозначение параметра прочности метрического болта указано на головке, и представлено в виде двух цифр через точку, к примеру: 4.6, 5.8 и так далее.

1. Цифра до точки обозначает номинальный размер прочности предельного разрыва, рассчитывается как 1/100, и ее измерение осуществляется в МПа. К примеру, если на изделии указана маркировка — 9.2, то значение первого числа будет составлять 9*100=900 МПа.
2. Цифра после точки является предельной текучестью по отношению к прочности, после расчета число необходимо умножить на 10, как указано в примере: 1*8*10=80 МПа.

Обозначение класса прочности метрических болтов
Предельная текучесть представляет собой максимальную нагрузку на конструкцию болта. Элементы, которые выполняются из нержавеющих видов стали, имеют обозначение непосредственно самого вида стали (А2, А4), и только после этого указывается предельная прочность.

К примеру, А2-50. Значение в подобной маркировке обозначает 1/10 прочностного предела углеродистой стали. При этом, изделия, для изготовления которых используется углеродистая сталь, имеют класс прочности – 2.

Обозначение прочности для дюймовых болтов отмечается насечками на его головке.

Обозначение класса прочности дюймовых болтов

Затяжка болта без динамометрического ключа

При необходимости можно получить нужное затяжное усилие без динамометрического ключа. Чтобы сделать затяжку, понадобится обычный ключ, лучше всего подойдет рожковый или накидной, рулетка или линейка и кантор с пределом измерения до 40 кг, оптимально подойдет электронный прибор.

Сначала в таблице нужно выяснить величину момента затяжки резьбового соединения. Далее требуется измерить длину ключа от центральной части головки болта до места приложения вращающей силы в сантиметрах. После этого вычисляем значение, которое должно быть на канторе по формуле F=M/(0.1·L), где М – момент силы из таблицы, а L – длина ключа в сантиметрах. Например, если нужно затянуть болт М6 класса прочности 8.8 ключом длиной 25 см, нужно действовать так:

• В таблице находим значение момента затяжки, которое равно 10,5 Н·м.
• Производим вычисление по формуле F= 10,5/(0.1•25)=4,2 кг•м или килограмм силы на метр.
• На расстоянии 25 см от головки болта, под углом 90 градусов к продольной оси ключа располагаем кантор и натягиваем его до тех пор, пока он не покажет 4,2 кг.

Очевидно, что данный метод не идеален и не может применяться в ответственном монтаже. Но все же это гораздо лучше, чем затягивать элементы конструкции, основываясь только на собственных ощущениях.

Несмотря на существование подобных «народных» способов затягивания болтов, желательно купить качественный динамометрический ключ, который позволит избежать подобных неудобств. Это станет гарантией качества, прочности и долговечности монтажа, который прослужит весь срок эксплуатации конструкций, машин или оборудования.

В чем измеряется затяжное усилие?

Основная величина измерения усилия затяжки болтов – Паскаль (Па). Международная система «СИ» предполагает, что данной единицей измеряется как давление, так и механическое напряжение. Соответственно, Паскаль равен значению давления, которое вызывается силой равной одному Ньютону и равномерным образом распределяется на плоскости размером в 1 м2.

Чтобы понять как можно конвертировать одну единицу измерения в другую, посмотрим пример:

• 1 Паскаль = 1 Нютону/м2;
• 1 МПаскаль = 1 Ньютону/мм2;
• 1 Ньютон/мм2 = 10 кгс/см2.

Значения усилий затяжки для различных типов болтов (таблица)

Для более удобного и точного восприятия представлена таблица затяжки болтов динамометрическим ключом.

Также представим таблицу момента затяжки для дюймовых видов резьб по стандарту, который применяется в Соединенных Штатах.

Метод приложения крутящего момента

Самый распространенный и, вероятно, самый простой метод затяжки резьбовых соединений. Он заключается в создании на гайке крутящего момента, обеспечивающего необходимое усилие предварительной затяжки. А главное его преимущество в том, что он очень прост, занимает минимум времени и используемый инструмент сравнительно не дорог.

Крутящий момент (Мкр, в Нм) – это момент силы, приложенной к гайке на определенном расстоянии от её центра (произведение силы на плечо), действие которого вызывает поворот гайки вокруг оси.

Болт в резьбовом соединении находится под постоянным механическим напряжением и устойчив к усталости. Однако, если первоначальное усилие слишком мало, под действием изменяющихся нагрузок болт быстро будет повреждаться. Если первоначальное усилие слишком велико, процесс затяжки может привести к разрушению болта. Следовательно, надежность зависит от правильности выбора первоначального усилия и, соответственно, необходим контроль крутящего момента на гайке.

Критичным фактором при затяжке резьбового соединения является усилие предварительной затяжки соединяемых деталей. Крутящий момент косвенно характеризует величину усилия предварительной затяжки.

Усилие предварительной затяжки (Q, в H), на которое производится затяжка резьбового соединения, обычно принимается в пределах 75-80%, в отдельных случаях 90%, от пробной нагрузки.

Пробная нагрузка (N, в H) является контрольной величиной, которую стержневая крепежная деталь должна выдержать при испытаниях. Пробная нагрузка приблизительно, на 5%-10% меньше, произведения предела текучести стержневой крепежной детали на номинальную площадь сечения.

Пробная нагрузка, в соответствии с ГОСТ 1759.4, для крепежных деталей с классом прочности 6.8 и выше составляет 74-79% от минимальной разрушающей нагрузки (P, в H).

Минимальная разрушающая нагрузка соответствует произведению предела прочности (временному сопротивлению разрыву) стержневой крепежной детали на номинальную площадь сечения.

Соответственно, усилие предварительной затяжки не должно приводить к переходу стержневой крепежной детали из области упругой в область пластической деформации материала.

Нередко возникает вопрос почему «предварительной». Дело в том, что затяжка соединений подразумевает создание во всех деталях — и крепежных, и соединяемых, некоторых напряжений. При этом в упруго напряженных телах проявляются некоторые механизмы пластических деформаций, ведущие к убыванию напряжений во времени (явление релаксации напряжений). Поэтому по истечении некоторого времени усилие затяжки соединения несколько снижается без каких либо дополнительных силовых воздействий на него.

Требуемый крутящий момент затяжки конкретного соединения зависит от нескольких переменных:

1. Коэффициент трения между гайкой и стержневой крепежной деталью;
2. Коэффициент трения между поверхностью гайки и поверхностью соединяемой детали;
3. Качество и геометрия резьбы.

Наибольшее значение имеет трение в резьбе между гайкой и стержневой крепежной деталью, а также гайкой и поверхностью соединяемой детали, которые зависят от таких факторов как, состояние контактных поверхностей, вид покрытия, наличие смазочного материала, погрешности шага и угла профиля резьбы, отклонение от перпендикулярности опорного торца и оси резьбы, скорость завинчивания и др.

Потери на трение могут быть достаточно большими. При практически сухом трении, грубой поверхности и усадке материала, потери могут быть такими большими, что при затяжке на непосредственно напряжение соединения останется не более 10% момента (см. рисунок выше). Остальные 90% уходят на преодоление сопротивления трения и усадку.

Для иллюстрации покажем следующий пример: когда оборудование установлено, соединения новые и чистые. Через несколько лет работы они становятся загрязненными, перекодированными и т.п. Таким образом, при откручивании и затяжке, «паразитное» трение больше. И хотя гайковерт будет показывать требуемый момент, требуемое сжатие соединения не будет достигнуто. И когда при эксплуатации, на резьбовое соединение будет воздействовать нагрузки или вибрация, велик риск самоослабления соединения и как результат — аварии.

Коэффициент трения можно снизить, используя масло, но не чрезмерно, поскольку при этом велика опасность чрезмерного падения сопротивления, и превышения силы напряжения соединения, что может привести к разрушению стержневой крепежной детали.

Значения коэффициента трения в реальных условиях сборки можно лишь прогнозировать. Как показывают многочисленные эксперименты, они не стабильны. В табл. приведены их справочные значения.

Таблица Значения коэффициентов трения в резьбе стержневой крепежной детали из стали µр и между поверхностью гайки и поверхностью соединяемой детали µт

Для крепежа из нержавеющей стали А2 и А4 коэффициенты трения:

1. Без смазочного материала: µр– 0,23- 0,50 µт — 0,08-0,50
2. Со смазкой, включающей хлоропарафин: µр– 0,10- 0,23 µт — 0,08-0,12

Номинальный крутящий момент рассчитывается по формуле:

Мкр = 0,001 Q*(0,16*Р + µр *0 ,58* d2 + µт *0,25*(dт + d0)),

где µр– коэффициент трения в резьбе между гайкой и стержневой крепежной деталью;

µт — коэффициент трения между поверхностью гайки и поверхностью соединяемой детали;

dт – диаметр опорной поверхности головки болта или гайки, мм;

d0 – диаметр отверстия под крепёжную деталь, мм;

Р – шаг резьбы, мм;

d2– средний диаметр резьбы, мм;

Q – усилие предварительной затяжки.

Для упрощения расчетов Мкр коэффициенты трения усредняют. Средние коэффициенты трения крепежных соединений из стали соответствуют следующим состояниям поверхности:

— 0,1 – фосфатированный или оцинкованный болт, хорошо смазанная поверхность -0,14 – химически оксидированный или оцинкованный болт, плохое качество смазки -0,2 – болт без покрытия, нет смазки

Усилие предварительной затяжки определяются требованиями к соединению, поэтому наши рекомендации выбора усилий предварительной затяжки и крутящего момента, приведенные в таблицах, являются справочными и не могут быть приняты как руководство к действию, учитывая множество факторов оказывающих роль на качество соединения.

Для выбора усилия предварительной затяжки резьбовых соединений и крутящего момента различного класса прочности можно использовать приведенные ниже таблицы. Таблицы приведены для соединений, имеющих средний коэффициент трения 0,14.

Усилие предварительной затяжки и крутящий момент резьбового соединения с крупным шагом резьбы и коэффициентом трения 0,14

Усилие предварительной затяжки и крутящий момент резьбового соединения с мелким шагом резьбы и коэффициентом трения 0,14

ОТКРУЧИВАНИЕ

При откручивании гаек требуется крутящий момент большей величины, чем при затяжке. Это объясняется коррозией резьбового соединения, взаимным проникновением материалов болта и гайки в зоне резьбы под действием длительной нагрузки.

Общее правило – при откручивании требуется момент в 1,3-1,5 раза больший, чем при затяжке!

При откручивании прокорродированных и закрашенных соединений часто требуется инструмент с моментом в 2 раза больше, чем при затяжке. Но лучше в таких случаях использовать специальные средства для разрушения продуктов коррозии. Это снизит трение и, соответственно, силы воздействующие на упорную часть инструмента, продлевая срок его жизни.

Значения усилий затяжки для ленточного хомута с червячным зажимом

Ниже приведенная таблица содержит ряд данных про первоначальную установку ленточных хомутов на новом шланге, а также про повторную затяжку уже обжатых шлангов.

Определение момента затяжки

Динамометрическим ключом

Подбор этого инструмента должен осуществляться так, чтобы затяжной момент на крепежном элементе был на 20-30% меньше, нежели значение максимального момента на используемом ключе. Если попытаться превысить допустимый лимит, то инструмент может легко сломаться.

Затяжное усилие и марка материала должны присутствовать на каждом изделии, способы расшифровки маркировки описаны выше.

Чтобы выполнить вторичную протяжку болтов, следует придерживаться следующих рекомендаций:

1. Точно знать значение необходимого затяжного усилия.
2. Выполняя контрольную проверку затяжки, необходимо выставлять усилие и проверять по кругу каждый крепежный элемент.
3. Запрещается пользоваться динамометрическим ключом как обычным, его не стоит использовать для закрутки деталей, гаек и болтов, чтобы получить лишь примерное усилие. Его стоит использовать для выполнения контрольной протяжки.
4. У динамометрического ключа должен быть запас для измерения момента усилия.

Контроль над затяжкой крепежных элементов

Рекомендуем выполнять контролируемую затяжку крепежных элементов. С помощью применения динамометрических приспособлений вы получаете сразу несколько преимуществ:

• Точная нагрузка на элементы крепежа позволяет не опасаться за целостность метиза, гайки и надежность резьбы.
• Распределение нагрузки при вкручивании становится равномерным. Это позволяет гарантировать равномерное сжатие в крепежных соединениях и повышает надежность конструкции в целом.
• Исключен риск травматизма на работе. Прибор помогает избежать чрезмерно высокого усилия, и делает работу с крепежными элементами более простой и безопасной.
• Экономия времени. Чтобы закрутить гайку, требуется намного меньше времени, чем при отсутствии динамометрических приборов.
• Отсутствие брака при выполнении крепежных соединений.

Чтобы каждый желающий мог затянуть болты с нужным усилием, применяются динамометрические ключи. Динамометрические приспособления востребованы во всех сферах строительства, в ремонте и производстве автомобилей, при сборке мебели, бытовой техники и во многих других областях. Существует несколько разновидностей этого инструмента:

• Динамометрический ключ щелчкового типа — наиболее распространенная разновидность инструмента. Когда достигнуто требуемое усилие затяжки болтов, ключ щелкает и перестает передавать крутящий момент на крепежное соединение. Предельное значение силы закручивания выставляется заранее.
• Стрелочный динамометрический ключ — требует контроля над прилагаемым усилием во время применения. Главный недостаток — требуемое значение силы невозможно выставить предварительно. Это особенно неудобно, если крепеж нужно установить в труднодоступном месте. Принцип работы инструмента: рукоятка со шкалой перемещается на некий угол. Указатель ключа при этом остается зафиксированным. Стрелочный ключ не подойдет для человека без опыта — он требует профессионализма и умения «почувствовать» усилие при закручивании гаек.
• Цифровой динамометрический ключ работает так же, как и предельный ключ. Разница в том, что замер усилия затягивания болтов производится с помощью электронного механизма. Когда необходимая величина крутящего момента при завинчивании гайки достигнута, раздается звуковой сигнал. Отследить изменение силы закручивания во времени можно на цифровом дисплее устройства.

Когда требуется затянуть высокопрочные болты, может потребоваться дополнительный инструмент для усиления крутящего момента. Для этих целей принято использовать ключ-мультипликатор. Также этот инструмент пригодится для затягивания гаек в труднодоступных местах. Мультипликатор следует выбирать с учетом характеристик динамометрического ключа. Специалисты рекомендуют покупать динамометрический ключ с усилием, которое в 5 раз меньше, чем у мультипликатора. Форма мультипликатора может быть любой — выбор зависит от личных предпочтений и удобства в работе. Применять ключ-мультипликатор без динамометрического инструмента нельзя. Это равнозначно приложению рычага значительной длины без контроля усилия крутящего момента. В результате можно получить перетянутое крепежное соединение.

Если вам нужно рассчитать, с каким усилием затягивать болты во время смены колес легкового или грузового автомобиля, вы можете просто установить на смартфон специальное приложение. Подходящее ПО для гаджетов выпустила компания Bridgestone. Приложение работает очень просто: пользователь вводит марку авто, и получает величину момента силы затяжки болтов с необходимыми допусками. Теперь не нужно сохранять таблицы в облако или носить с собой бумажные инструкции — программа подскажет, как нужно закручивать метизы в соответствии с рекомендациями производителя.