Bilim.techО проекте

Резьбовые соединения и затяжка болта

Почему колесные гайки затягивают динамометрическим ключом, а не «от души»? Момент затяжки, усилие в болте и самоотвинчивание.

01 Что это такое

Резьба это наклонная плоскость, навитая на цилиндр. Поворачивая гайку ключом, ты вдвигаешь клин и растягиваешь болт, а растянутый болт как пружина стягивает детали.

Разверни один виток резьбы на плоскость, и получится клин: длина витка π · d₂, высота шаг P. Гайка ползет по этому клину вверх, как брусок по уклону из темы 2.5. Угол подъема маленький, около 2 - 3 градусов, поэтому небольшая сила на ключе дает огромную осевую силу F₀: колесная гайка грузовика тянет шпильку с силой около 20 тонн.

Но до болта доходит только десятая часть усилий. Примерно половину момента на ключе съедает трение под гайкой, еще около 40 % трение в самой резьбе. Поэтому сила затяжки так сильно зависит от смазки: тот же момент на смазанной резьбе дает силу на треть больше, и болт можно перетянуть. Затянутый болт работает как жесткая пружина из темы 5.2, и при внешней нагрузке ему достается только малая ее доля, пока стык не раскрылся.

Pвиток резьбыразвернемψπ · d₂ (длина витка)PгайкаF₀ болтаFt от ключаРезьба это клин50 % трение под гайкой40 % трение в резьбе10 % тянет болтмомент на ключе T = 100 %Куда уходит T
Слева виток резьбы и его развертка: клин с длиной π · d₂ и высотой P (угол ψ на рисунке увеличен). Сила от ключа Ft вдвигает гайку по клину и растягивает болт силой F₀. Справа, куда уходит момент затяжки сухого болта.
T
Момент затяжки, Н·м. Его задает динамометрический ключ или гайковерт. Его считают так же, как в теме 2.1: сила на ключе умножить на плечо.
F₀
Сила затяжки, кН. С какой силой болт растянут и стягивает детали. Именно она держит соединение, а момент только способ ее получить: T = K · F₀ · d.
K
Коэффициент затяжки, безразмерный. Учитывает шаг и трение: около 0,2 для сухой стали, около 0,15 со смазкой. Чем меньше K, тем больше F₀ при том же моменте.
02 Опыт
Затягивай. Смазывай. Нагружай стык. ДИНАМОМЕТРИЧЕСКИЙ КЛЮЧ ГОТОВ
ДЕТАЛИ МАШИН

С какой силой болт стягивает детали и когда его перетянут?

Рис. 7.1
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Сила затяжки, F₀
Напряжение в болте, σ
Стык раскроется при

ⓘ Размеры на рисунке не в масштабе: болт и гайка нарисованы крупнее, а раскрытие стыка сильно увеличено (числа над рисунком настоящие). Модель упругая: болт и детали из стали с модулем 200 ГПа, детали сжимаются в конусе давления под гайкой. Внешняя сила приложена под головкой и гайкой, поэтому доля χ получается наибольшей. Кручение болта при затяжке и разброс трения (в жизни ± 25 %) не учтены.

03 Формулы по буквам

Момент, напряжение и доля внешней нагрузки

Все три карточки берут числа из опыта. Выбери готовый случай или двигай ползунки, и подстановка пересчитается.

Какую силу даст момент на ключе?

T = K · F₀ · d

Момент затяжки равен коэффициенту затяжки, умноженному на силу затяжки и на диаметр резьбы. Отсюда F₀ = T / (K · d): при одном моменте смазанный болт растянут сильнее сухого, а толстый болт слабее тонкого.

T
момент затяжки, Н·м. Пишут в руководстве по ремонту
K
коэффициент затяжки: сухо около 0,2, масло около 0,15, паста около 0,11
F₀, d
сила затяжки, Н, и наружный диаметр резьбы, м (для М16 это 0,016 м)

Насколько нагружен болт и выдержит ли он?

σ = F₀ / As
класс X.Y: σв = 100·X, σт = 0,1·Y·σв

Напряжение считают по площади резьбы As: она меньше круга с диаметром d, потому что впадины резьбы срезаны. Класс прочности на головке болта сразу говорит пределы: 8.8 значит σв = 800 МПа и σт = 0,8 · 800 = 640 МПа. Затягивают обычно до 70 - 80 % σт.

As
расчетная площадь сечения по резьбе, мм²: у М16 157, у М24 353
σв
предел прочности, МПа: при нем болт рвется
σт
предел текучести, МПа: выше него болт вытягивается навсегда

Сколько внешней нагрузки достанется болту?

χ = cб / (cб + cд)
Fб = F₀ + χ · FA

Болт и стянутые детали это две пружины, натянутые друг на друга. Внешняя сила FA чуть дотягивает болт и разгружает стык. Болту достается только доля χ, остальное снимает сжатие деталей. Когда сжатие кончится, стык раскроется при FA = F₀ / (1 − χ), и дальше болт держит всю нагрузку.

cб, cд
жесткость болта и стянутых деталей, кН/мм, как k = E · A / l в теме 5.2
χ
коэффициент основной нагрузки: для стальных деталей без прокладки 0,1 - 0,3
FA, Fб
внешняя отрывающая сила и полная сила в болте, кН

Откуда берется T = K · F₀ · d

Разверни виток резьбы на среднем диаметре d₂: получится уклон длиной π · d₂ и высотой в один шаг P, угол подъема ψ, tg ψ = P / (π · d₂). Гайка это брусок, который сила Ft от ключа толкает вверх по уклону, а болт тянет его вниз силой F₀. Как в теме 2.5, реакция уклона отклонена от нормали на угол трения, поэтому Ft = F₀ · tg(ψ + φ′). У метрической резьбы профиль наклонен на 30°, поэтому трение в ней больше обычного: tg φ′ = μ / cos 30°.

Сила Ft приложена на радиусе d₂ / 2, значит момент в резьбе Tр = F₀ · tg(ψ + φ′) · d₂ / 2. Углы маленькие, тангенс суммы почти равен сумме тангенсов: Tр ≈ F₀ · (P / 2π + 0,577 · μ · d₂). Первое слагаемое это полезная работа, она растягивает болт. Второе трение в резьбе.

Еще гайка трется торцом о деталь. Сила трения μ · F₀ действует на среднем радиусе опорного кольца Dm / 2, это момент Tг = μ · F₀ · Dm / 2. Момент на ключе равен сумме: T = Tг + Tр = F₀ · (P / 2π + 0,577 μ d₂ + μ Dm / 2). Скобку делят на d и называют коэффициентом K. Для М16 при μ = 0,15 скобка равна 0,32 + 1,27 + 1,56 = 3,1 мм, K = 0,2, и полезных из них только 10 %.

Если повернуть ключ обратно, полезное слагаемое меняет знак: Tотв = F₀ · (0,577 μ d₂ + μ Dm / 2 − P / 2π). Пока он больше нуля (угол ψ меньше угла трения φ′), гайка сама не открутится. Вибрация на мгновения снимает трение, и тогда гайка ползет вниз по клину: поэтому ее стопорят.

ψπ d₂PRφ′ от нормалиF₀Ft = F₀ tg(ψ + φ′)tg ψ = P / (π d₂), tg φ′ = μ / cos 30°T = Ft · d₂/2 + μ F₀ · Dm/2
Гайка на развертке витка. Сила Ft толкает ее вверх, болт тянет вниз силой F₀, реакция резьбы R отклонена от нормали на угол трения φ′. Угол ψ на рисунке увеличен.
04 Где и зачем это применяют

От колеса самосвала до фланца сосуда под давлением

Допущения модели+

Резьба метрическая с крупным шагом, кроме колесной М22 × 1,5 с мелким шагом. Коэффициент трения одинаков в резьбе и под гайкой: сухо 0,15, масло 0,11, паста MoS₂ 0,08; в жизни он гуляет на ± 25 %, поэтому и сила затяжки по моменту известна с той же точностью. Опорный диаметр гайки Dm средний между размером под ключ и отверстием. Податливость болта считается по площади As на длине пакета плюс по 0,4 d на головку и гайку. Детали стальные и сжимаются в цилиндре диаметром s + 0,29 · lк (упрощенный конус давления); прокладок нет. Внешняя сила приложена под головкой и гайкой, без поправки на место ее приложения, поэтому χ получается с запасом. Напряжение считается только от растяжения: при затяжке болт еще и скручивается моментом в резьбе, и эквивалентное напряжение на 15 - 30 % выше, поэтому затягивают не выше 70 - 80 % σт. После предела текучести сила растет линейно до σв · As при остаточном удлинении 6 %. Моменты в готовых случаях примерные: настоящие нормы берут из руководства производителя. Момент силы на ключе разобран в теме 2.1, закон Гука и жесткость стержня в теме 5.2, трение на уклоне в теме 2.5.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →