Динамометрические ключи. Виды, области применения

Как выглядят болты и гайки знают все, и большинство обывателей вполне уверенно могут отличить их от саморезов. Но в отношении метизов, как и в любой иной области, присутствуют вопросы, простому человеку незнакомые и предназначенные исключительно для промышленной сферы. В этот список попадает и применение динамометрических ключей.

Исходя из названия, можно сделать вывод, что этот инструмент предназначен для замеров в динамике. Это действительно так — с его помощью производят затяжку резьбовых соединений со строго контролируемым усилием.

Динамометрический ключ с равным успехом можно встретить в цеху машиностроительного завода, на гонках «Формулы-1» и даже в кабинете стоматолога. В его конструкции нет каких-то невероятных технологий, применение интуитивно понятно, но очевидная простота никак не умаляет неоспоримой пользы — ведь без динамометрического ключа слесари бы затягивали все узлы буквально «на глаз», что однозначно сказалось бы на финальной надежности всей машины.

Что такое динамометрический ключ?

Сборка резьбовых соединений предусматривает целенаправленное осевое нагружение двух сопряженных элементов — условных болта и гайки или винта с основной деталью, в которую его устанавливают. При этом одна часть комплекта испытывает напряжения сжатия, а другая — растяжения. Витки резьбы, изначально расположенные с равномерным угловым наклоном спирали по цилиндрическому основанию, деформируются в сторону растяжения, и именно степень этого условного «вытягивания» характеризует прочность самого соединения.

Чтобы исключить условный «рывок» при приложении эксплуатационной нагрузки, метизы сразу вводят в работу в напряженном состоянии. Это называют предварительной затяжкой. Крепеж нагружают сверх проектных значений еще при непосредственной сборке, чтобы, когда дело дойдет до восприятия сил, действующих на стянутые детали и старающихся их разъединить, болт и гайка были в рабочем состоянии и никак на них не среагировали.

С учетом самого смысла ее применения, величину предварительной затяжки подбирают в 1,5-4 раза выше, чем расчетная эксплуатационная нагрузка. Ее значение обычно приходится на поле от 40 до 90% предела текучести материала, из которого изготовлен крепеж. Последний параметр в целом отражает предельную степень нагружения, при которой метиз способен сохранять свои исходные форму и размеры. С превышением предела текучести любая деформация становится необратимой.

Помимо основной задачи, предварительная затяжка резьбовых соединений решает еще несколько вопросов:

• предотвращает ослабление резьбы под действием ударного или вибрационного воздействия (в чем особенно нуждается автомобильный крепеж);
• повышает стойкость узла, работающего в знакопеременном (реверсивном) режиме;
• не дает сборке менять исходные параметры с учетом негативного влияния смены циклов нагрева и охлаждения.

Предварительная затяжка в том числе уплотняет саму посадку крепежа. Это отражается в том, что головка болта или торцы гайки упираются в опорные поверхности, распределяя давление по площади. Так контактные напряжения распространяются более равномерно, а само соединение в некоторой степени разгружается от изгиба, который для всех типов крепежа будет крайне нежелательным видом нагрузки.

Предварительную затяжку было бы невозможно реализовать без применения специального инструмента. Он должен был бы одновременно и затягивать соединение как обычный гаечный ключ (или отвертка), и держать слесаря в курсе о величине возникающего крутящего момента, отражающего степень деформации болта или гайки. Этот вопрос полностью решили изобретением динамометрического ключа. Иногда его также называют «моментным».

Такие изделия делят на две базовые категории:

• показывающие — непосредственно выводящие данные о фактическом значении момента затяжки;
• предельные — сигнализирующие о достижении нужной величины тем или иным способом.

Общую схему конструкции динамометрического ключа можно разбить на несколько базовых частей:

• головка, которая надевается на гайку или болт;
• удлиненный корпус, внутри которого спрятан тягово-упорный механизм и динамометр;
• рукоять.

Для показывающих устройств головку дополняют утолщением на корпусе, куда ставят индикатор или цифровое табло, выводящее значение нагрузки. На изделиях предельного типа около рукоятки присутствует регулировочная шкала, позволяющая настроить инструмент на нужное значение нагрузки.

Сборка простого динамометрического ключа насчитывает около 37-40 различных деталей. Чаще всего внутри головки установлена шестеренка-храповик с двумя блокирующими язычками. Одновременно они работать не могут: каждый действует по отдельности, в зависимости от того, какую резьбу необходимо затянуть — левую или правую, и стопорит поворот в своем направлении.

Храповый механизм позволяет реализовать ту же схему затяжки, что используют слесаря, орудуя обычным гаечным ключом. Вращательное движение ограничено углом в 60 градусов вместо полного оборота, но при этом не нужно на каждом повторении переустанавливать ключ на головку болта. В направлении, обратном затяжке, вы возвращаете ключ в исходное положение без нагрузки. Достижение нужного результата потребует всего несколько одинаковых нажатий.

Показывающие динамометрические ключи делятся на несколько типов:

• с торсионом или гибким упругим телом;
• со шкалой или с индикатором (стрелочные);
• с электронным измерением.

Примечательно, что для наиболее точного измерения величины нагрузки выбирают исключительно устройства механического типа. Их погрешность существенно ниже, чем у электронного динамометрического ключа, хотя тот на первый взгляд кажется более современным и удобным в работе. В промышленной сфере от них повсеместно отказываются в пользу более надежной механики.

Предельные динамометрические ключи бывают:

• регулируемые (с возможностью настройки требуемого значения крутящего момента в определенном диапазоне);
• нерегулируемые (с фиксированной регулировкой).

Для настройки изделия на определенную величину в конструкции закладывают индикатор или шкалу. О достижении нагрузки ключ сигнализирует характерным треском, писком или миганием светодиода. Особый интерес представляют т.н. «преломляющиеся» устройства: на установленном пороге крутящего момента механизм автоматически складывает рычажную систему, и слесарь просто не может продолжить затяжку — инструмент «сломался» прямо в руках.

В общем случае требования к динамометрическим ключам представлены в ГОСТ 33530-2015. Этот стандарт не затрагивает вопросы конструирования или технологии изготовления продукции, но устанавливает правила ее функционирования и метрологической проверки.

Инструмент для контролируемой предварительной затяжки используют в тех случаях, когда режим работы резьбовых соединений следует ввести в строгие рамки. Самый наглядный и распространенный пример ежедневного использования динамометрических ключей — это ремонт ГБЦ и крепление колес на автомобилях. Здесь на сборку постоянно действуют как растягивающие эксплуатационные нагрузки, так и многочисленные вибрации и удары. Чтобы узел оставался в исходном состоянии, весь крепеж должен быть затянут равномерно, что невозможно сделать, полагаясь только на ощущения.

Еще один интересный пример использования динамометрических ключей — это установка зубных имплантов, которые сажают как раз таки по резьбе. Для этой операции стоматологи используют инструмент с такой же трещоткой, что у «настоящих» машиностроительных и автомобильных ключей. Величина затяжки зубных имплантов — всего 0,35 Нм, но даже этого достаточно, чтобы искусственный зуб оставался на месте долгие годы.

Основные характеристики

Ключевыми техническими параметрами любого динамометрического ключа выступают:

• диапазон измерений;
• допустимая погрешность показаний;
• точность настройки.

Такой инструмент предназначен сугубо для ручной затяжки. Поэтому длину корпуса и положение рукояти подбирают с таким расчетом, чтобы было комфортно работать, а руки человека оставались минимально нагруженными. Этого достигают за счет увеличения плеча рычага — дистанции от головки, надетой на болт или гайку, к точке приложения усилия (самой рукоятки). Чем больше плечо, тем меньше понадобится сил, чтобы сдвинуть инструмент. Это же правило действует и в отношении обычных слесарных ключей.

По ГОСТ 33530-2015 нижний предел измерений должен быть не менее 20% от верхнего, который соответствует максимально возможному моменту затяжки, реализуемому на этом устройстве. Из этого следует, что диапазон измерений далеко не всегда упирается в ноль, но нулевая отметка обязательно присутствует на градуировке индикатора.

Точность настройки предельного динамометрического ключа или точность распознавания выведенных значений на показывающем ключе зависят от такой характеристики, как цена деления шкалы. Для изделий с электронным выводом это несущественно, но для механических устройств указанная величина не должна превышать 5% от верхнего предела измерений. Это значит, что если ключ позволяет затянуть соединение максимум на 100 Нм, то цена деления его индикатора не может быть больше 5 Нм. Это требование позволяет вести затяжку с необходимой точностью.

Большинство производителей выпускает продукцию, рассчитанную на такие величины:

• резьба — от М1,6 до М68 мм;
• шестигранник головки болта — от 3,2 до 100 мм;
• крутящий момент — от 0,05 до 30 000 Нм;
• цена деления индикаторной шкалы — от 0,05 до 10 Нм;
• длина плеча рычага — от 150 до 1500 мм.

Как и любой мерительный инструмент, динамометрический ключ обладает определенной погрешностью измерений. Стандартные значения составляют ±4% и ±6% от верхнего предела. Так устройство на 100 Нм при выводе данных о фактической нагрузке или при настройке может «ошибиться» на 4 или 6 Нм в одну или другую сторону.

Минимальный ресурс динамометрического ключа — это 5000 циклов затяжки. Некоторые производители заменяют этот показатель стандартным сроком в 12 месяцев, хотя это менее точно и показательно, ведь интенсивность применения инструмента на предприятиях может быть совершенно разной.

Помимо диапазона измерений, каждый динамометрический ключ обладает собственным запасом прочности. Как правило, он составляет приблизительно 125% от верхнего предела измерений крутящего момента. При попытке затянуть соединение с куда большей нагрузкой, чем предусмотрена по эксплуатации, пружина или рычаги на инструменте могут сломаться.

Обслуживание

Оставаясь, по сути, слесарным, динамометрический ключ обладает всеми характеристиками полноценного мерительного инструмента. Что и обуславливает достаточно жесткие требования к его эксплуатации — чтобы не «сбить» требуемую точность измерений.

Все динамометрические ключи после изготовления подвергают комплексной многоступенчатой проверке. В нее входят:

• испытания на перегрузку;
• испытания на наработку на отказ (с частотой нагружения 5-10 циклов в минуту);
• определение метрологических характеристик.

Последний этап также называют калибровкой, и ему подлежат как абсолютно новые изделия, так и находящиеся в работе. Периодичность проверки — каждые 5000 циклов использования (стандартный ресурс) или раз в год.

Калибровку динамометрического ключа производят на специальных стендах или машинах. Последовательность этой процедуры включает такие шаги, как:

1. Общая проверка действия на 5 срабатываний (нагрузка вплоть до верхнего предела, возврат в исходное положение).
2. Изделие устанавливают на эталон.
3. Нагружают стабильно возрастающим усилием до достижения требуемой величины (20%, 60% и 100% от диапазона измерений).
4. Снимают показания по фактической нагрузке.
5. Рассчитывают степень погрешности между показаниями ключа и эталона.

Всего производят не менее 5 замеров на каждом уровне нагрузки, чтобы получить максимально достоверную картину поведения инструмента. По результатам калибровки к устройству прикладывают сертификат, в котором указаны все снятые данные, степень фактической погрешности и ее соответствие допустимым значениям.

В процессе эксплуатации динамометрических ключей их следует беречь от ударов и падений. Подобные казусы негативно сказываются на точности и стабильности их действия (что особенно актуально для изделий показывающего типа). Кроме того, всегда перед началом монтажных работ инструмент переносят в то же помещение, где его планируют использовать, и выдерживают не менее 3 часов, чтобы стабилизировать температурный режим.

Типология динамометрических ключей

Сегодня на рынке можно найти огромный ассортимент самой разнообразной оснастки для слесарных работ. Выпуском устройств для контролируемой затяжки резьбовых соединений занимаются инструментальные заводы, и в общем случае они делят весь перечень динамометрических ключей на несколько категорий:

• облегченные;
• стандартные;
• индустриальные;
• усиленные.

Здесь базовым параметром классификации будет диапазон нагрузки, которую способен обеспечить конкретный инструмент. Иначе изделия можно разделить на любительские, универсальные и промышленные.

При подборе ключей также обращают внимание на конструкцию насадок на головки. Они бывают:

• рожковые;
• накидные;
• радиусные;
• особого профиля;
• накидные с разрезом.

Насадки меняются в зависимости от размеров шестигранника или квадрата, с которым придется работать при затяжке. Общий спектр величин подчинен основному ряду размеров «под ключ» по ГОСТ 6424-73 и составляет от 2,5 до 225 мм. Всего 58 вариантов.

В зависимости от схемы установки, динамометрические ключи делятся на непосредственно сами ключи и отвертки. Инструмент второго типа предназначен для затяжки не болтов и гаек, а винтов с прямым шлицем, внутренним шестигранником или крестообразным зевом. При этом динамометрическая отвертка представляет собой именно классическую отвертку или Г-образный пистолет, тогда как сменные насадки под головки винтов можно приобрести и для стандартных рычажных ключей, что делает их более универсальными для промышленного использования, где даже затяжка винтов требует большого усилия и необходимо плечо рычага.

Интересным устройством, дополняющим и расширяющим возможности динамометрического ключа, будет мультипликатор. Его часто предлагают сразу в комплекте с инструментом.

Мультипликатор позволяет в существенной мере сократить количество движений рычага, требуемых для набора нужной величины затяжки. Он представляет собой узел с набором эпициклических или планетарных передач и работает как повышающий редуктор. Применение мультипликаторов в комплекте с динамометрическими ключами популярно при монтаже колес на тяжелую спецтехнику — понадобится всего 3-4 нажатия на инструмент, чтобы полностью затянуть соединение, а не 10-15.

Порядок выбора инструмента

Планируя приобрести динамометрический ключ для своих нужд, возьмите за основу следующий алгоритм действий:

1. Определитесь, какие именно резьбовые соединения вы планируете затягивать. Это базовый шаг, который определяет диапазон требуемых крутящих моментов. Заранее составьте подробный список размеров крепежа, с которым вы постоянно работаете, и его прочностные характеристики, поскольку класс прочности метизов прямо влияет на величину предварительной затяжки.
2. Уточните форму и размеры поверхностей «под ключ» на своем крепеже. Для монтажа шестигранных гаек, квадратных болтов и винтов с крестообразным зевом понадобится совершенно разная оснастка. И здесь следует учесть, что каждому размеру резьбы соответствует закономерное изменение присоединительных размеров головки на метизах. А значит — вместе с определенным диапазоном крутящего момента вам понадобится определенный набор сменных насадок.
3. Установите для себя оптимальную длину рычага. Большинство производителей связывают величину крутящего момента, реализуемого динамометрическим ключом, с длиной его рукояти, рассчитывая минимальную нагрузку на руки слесаря. Стоит ориентироваться на эти значения. Но если вы собираете узлы в каких-то особых условиях, заранее продумайте, хватит ли вам пространства, как вы будете пользоваться динамометрическим ключом, затягивая ежедневно несколько десятков соединений. Здесь же стоит рассмотреть выбор между отверткой и ключом.



4. Определитесь, нужны ли вам фактические показания по нагрузке или проще будет ориентироваться на достижение предельного настроенного значения. В первом случае делайте выбор в пользу показывающих устройств, во втором — предельных. Следует отметить, что работать с предельными ключами проще, если речь идет о потоковой затяжке большого количества соединений — ты просто не отвлекаешься на оценку чисел, а реагируешь на трещотку. Поэтому щелчковый динамометрический ключ остается едва ли не самым популярным в машиностроительной отрасли.
5. Оцените общую конструкцию инструмента. Согласно ГОСТу, все наружные детали инструмента должны иметь защитное покрытие (преимущественно цинковое или хромовое). Это основное условие эксплуатационной стойкости изделия. Даже с учетом, что продукцию изготавливают из специальных высокопрочных сталей, они всё равно остаются восприимчивы к коррозии. А где ржавчина — там выкрашивание поверхностных слоев, абразивный износ, заклинивание и отказ.
6. Обратите внимание на рукоять. Она может быть выполнена из ударопрочного пластика, резины или металла, но в последнем случае на поверхности обязательно присутствует рифление — чтобы инструмент не проскальзывал в руках. Здесь выбор основан на собственных вкусовых предпочтениях человека, которому ежедневно придется работать с устройством. Но нужно отметить, что для затяжки резьбового крепежа в электротехнике и на объектах, находящихся под напряжением, нужно использовать ключи исключительно с обрезиненной изолированной рукоятью. Это вопрос безопасности.

Перед покупкой обязательно уточняйте наличие сертификатов о калибровке и метрологической поверке. Без этих документов динамометрический ключ превращается в весьма несовершенный рожковый или накидной, верить его показаниям нельзя.

Заключение

Чем больше углубляешься в вопросы сборки резьбовых соединений, тем яснее понимаешь, насколько это сложный и многофакторный процесс. Лишь поверхностное суждение упрощает установку болтов до элементарного закручивания гайки. Профессионал понимает, что крепеж испытывает целый комплекс нагрузок, часть из которых заранее запланирована, часть — нежелательна, а еще часть необходимо создать искусственно.

Тема предварительной затяжки раскрыта уже давным-давно, и инструмент, необходимый для ее осуществления, также хорошо изучен и повсеместно распространен. С динамометрическим ключом знаком каждый слесарь, занятый обслуживанием авто, специалист машиностроения, механик по подготовке самолетной и вертолетной техники. Эта оснастка обязательна к применению везде, где недостаточно затянуть болты «на глаз».

Контролируемая затяжка динамометрическим ключом — мера, не только повышающая суммарную прочность узла, но и в существенной степени сказывающаяся на его надежности. Если вы хотите не просто собрать какую-то технику, но и быть полностью уверенным в том, что болты, винты и гайки останутся на своих местах и с достоинством выдержат все эксплуатационные нагрузки, то вам никак не обойтись без динамометрического ключа.