Выбираем нужные болты под вашу задачу: определяемся с размером, диаметром и типом

Если инженера спросить, как он представляет себе соломинку, перебившую хребет слону, он обязательно вспомнит болт — самый простой и грубый крепеж, который, если его неправильно выбрать, сломается первым и потянет за собой все остальные разрушения. А уж раскрутившийся сам по себе и вылетевший из гнезда, такой элемент способен разнести изнутри весь подвижный механизм, в котором ранее был установлен.

Чтобы избежать такой трагической ситуации, к расчету болтовых соединений нужно отнестись с той же тщательностью и скрупулезностью, что и к проектированию зубчатых передач или подшипниковых опор.

Принцип работы болтового соединения

Как правило, болт никогда не устанавливают один — разве что с чисто конструктивной целью, без задачи выдержать существенную нагрузку. Такое решение применяют, если стоит цель просто зафиксировать одну деталь относительно второй, исключить проворот, проскальзывание, вибрацию или дополнить основную систему крепления.

В 99% случаев болтовые соединения представлены группой — от 4 до 36 изделий.

Их располагают по окружности, в углах симметричного правильного многоугольника (квадрат, шестиугольник) или по сложному периметру (по линии смыкания кромок деталей). Последний вариант присущ сборкам корпусных деталей — редукторов, насосов, компрессорного оборудования и т.д.

Различают три базовых варианта болтового соединения:

• прочное — направленное на сопротивление внешним нагрузкам;
• плотное — предназначенное для сохранения заданного герметичного положения узла;
• плотно-прочное — когда следует обеспечить как противодействие нагрузкам, так и полную герметичность.

Наиболее часто можно столкнуться с третьей комплексной категорией, когда затяжка болтов по сопряжению деталей гарантирует полную неподвижность изделия, даже когда приложенные силы будут «расшатывать» и «тянуть» элементы во все стороны. Самый характерный пример такой сборки — фланцы с промежуточным уплотнением.

Во время работы болт испытывает напряжения сам и оказывает такое же воздействие на стянутые детали, на которых он установлен. При затяжке суммарная нагрузка распределяется в форме двух конусов с центром относительно оси болта. Это явление называют «конус давления». Оба конуса демонстрируют увеличение действующих нагрузок от места, где головка болта или гайка контактируют с торцом детали вокруг отверстия, до плоскости стыка обеих деталей. При воздействии внешний сил все основные микро- и макродеформации также происходят в пределах «конуса давления».

В процессе работы крепеж одновременно испытывает:

• усилие затяжки;
• удлинение болта при затяжке;
• усилие, возникающее при воздействии осевой силы на узел;
• удлинение болта при воздействии осевой силы;
• ответное сопротивление деталей, которые деформируются при затяжке. В этот момент опорные торцы сближаются, и степень их перемещения (сплющивания) будет зависеть от податливости материала.

Если упростить всю схему, то часть нагрузок направлена непосредственно на болт, а часть — на сжатые детали. Но в сумме все они преобразуются в растяжение, которое испытывает болт, уже частично растянутый при монтаже. Добавьте к этому возможное действие нагрева — и картина становится еще более экстремальной.

Впрочем, ничего проще и надежней болтовых соединений пока еще не придумали. И крепеж с честью выдерживает любые испытания. Главное — задумываясь над вопросом как подобрать болт, искать решение, исходя из условий его работы, а не просто «на глаз».

В сквозном отверстии с гайкой

Классическая схема установки болта — его пропускают сквозь два соосных сквозных отверстия и затягивают гайкой с обратной стороны. Есть старая инженерная шутка, что болт «болтается» в отверстии. Отчасти это сравнение хорошо иллюстрирует действительное положение крепежной детали в узле.

При затяжке стержень немного изгибается в пределах зазора между его поверхностью и стенкой отверстия. За счет этого изгиба болт компенсирует как перекос деталей и непараллельность их опорных торцов, так и их податливость (сжатие).

Различают несколько конструктивных исполнений болтов для сквозных отверстий:

• обычный — с одинаковой величиной зазора между стержнем и стенками отверстия по всей длине соединения (обычно это 0,5..1 мм);
• с занижением диаметра гладкой части болта (с утонением);
• с утонением и двумя центрирующими шейками, которые выравнивают положение болта в отверстии по посадке с зазором;
• с утонением, двумя шейками и центрирующим пояском посередине;
• с экстремально заниженным диаметром гладкой части (самоустанавливающийся).

Первый тип — наиболее распространенный, иначе его называют «жестким». Это стандартный ГОСТовский крепеж, и его используют для большинства сборок, хотя лучше всего он проявляет свои свойства в коротких узлах.

Остальные варианты именуют «упругими» болтами. Занижение диаметра на 20..30% от исходного открывает больший простор для изгиба при установке и затяжке. Такие изделия оптимальны при работе с ударными нагрузками.

Достаточно долго бытовало мнение, что при конструировании крепежных соединений следует обеспечить минимальный зазор между поверхностью болта и стенками отверстия, чтобы предупредить изгиб стержня. Это связано с тем, что дополнительные изгибающие напряжения негативно сказываются на общей нагрузочной характеристике крепежа. Позже это утверждение было частично опровергнуто, но болты «упругого» типа всё равно не нашли широкого применения — вопреки научным доказательствам, им доверяют куда меньше.

При монтаже сначала ставят болт в отверстие. На выходной резьбовой конец наживляют гайку от руки до момента соприкосновения с торцом детали. Затем болт фиксируют от проворота, установив ключ на головку и уперев его в удобную плоскость, а гайку уже затягивают с определенным усилием. Чаще всего операцию выполняют с помощью обычного слесарного инструмента, а усилие затяжки рабочий контролирует по собственным ощущениям. В ответственных механизмах соединение затягивают динамометрическим ключом, контролируя предварительную деформацию болта.

В глухом отверстии

Нечасто, но всё же иногда болты устанавливают в узлах по принципу винта — вкручивая изделие в резьбу на ответной детали. Такой вариант закладывают, когда размещение гайки с обратной стороны конструктивно невозможно или нежелательно. По возможности следует избегать этой схемы.

Болты в глухих отверстиях работают в куда более нагруженных условиях, чем при «традиционном» размещении. Это связано с двумя явлениями:

• если при нагружении узла возникают поперечные силы, то они расклинивают витки резьбы и создают местные напряжения смятия. Со временем соединение гарантированно ослабнет и может произойти самораскручивание;
• в зоне, где резьбовой конец болта входит в отверстие и начинает «тянуть» его на себя за витки, образуется зона концентрации напряжений. При серьезных нагрузках или частых сборках-разборках это место будет выкрашиваться. И если гайку можно легко заменить, то поправить кусок детали куда сложнее, а восстановить исходную прочность в той зоне — уже фактически невозможно.

Хуже всего болт, поставленный по принципу винта, ощущает себя при знакопеременных циклах нагружения. Его «шатает» в отверстии из стороны в сторону.

Применять такую схему монтажа можно только в неответственных конструкциях или приняв дополнительные меры по разгрузке крепежа от малейшего смещения в поперечном направлении. Для этого в узлах закладывают шпонки, забивают гладкие штифты и пальцы, а на болтах протачивают гладкие точные пояски, чтобы убрать зазор в отверстии первой детали.

Как подобрать оптимальный диаметр и размер

Главный конструктивный параметр любого болта — величина резьбы. Это условный диаметр сечения стержня, которым изделие будет воспринимать все нагрузки.

Расчет ведут преимущественно по двум критериям: анализируя растягивающую осевую нагрузку и поперечный сдвиг. Что примечательно, во втором случае любой крепеж работает существенно хуже, чем с осевым растяжением.

При расчете используют:

• точную величину рабочей нагрузки;
• запас прочности;
• величину допустимого сопротивления материала болта растяжению;
• величину допустимого сопротивления материала болта срезу;
• количество и логику распределения болтов.

Следует отметить, что не всегда вся действующая нагрузка распределена между группой крепежа равномерно. Это справедливо только для круглых и квадратных сборок. В остальных случаях одни болты будут нагружены на 15..20% больше остальных, и это нужно учесть в расчете.

Требуемый запас прочности принимают конструктивно, ориентируясь на особенности всего изделия в целом и работы узла в частности. В классическом машиностроении этот параметр не может быть ниже 2,5 — то есть, рассматриваемый крепежный элемент должен выдержать 250% от максимальной рабочей нагрузки. В современной продукции бытового обихода производители закладывают коэффициенты от 1,2 до 1,5, снимая с себя ответственность за поломку механизма, если пользователь перегрузит его выше допустимого предела.

Если следовать рекомендациям и подходить к вопросу запаса прочности основательно, то следует учесть в первую очередь характер нагрузок: при постоянном цикле назначают от 4 до 6,5, а при переменном нагружении — от 6,5 до 12,5. С таким большим запасом инженера обеспечивают разгрузку крепежа, повышают суммарную надежность и увеличивают срок службы.

Чтобы максимально точно рассчитать все условия работы соединения, придется также расширить расчет до использования параметров самой сборки:

• толщина стянутых деталей;
• модуль упругости материалов деталей;
• диаметр отверстий, в которые установлены болты;
• площадь соприкосновения головки и гайки с торцами деталей.

Если на узел в постоянном или периодическим режиме воздействует нагрев или охлаждение (выше +100С° и ниже −50С°), дополнительно учитывают влияние температур как на материал болта, так и на материалы деталей, поскольку их физико-механические и прочностные характеристики будут меняться. Особенно значимо это проявляется в условиях свыше +300°С, когда нагрев может ослабить болт на 25% от исходной прочности.

Расчет для осевой и сдвиговой нагрузки отличается:

• на растяжение — диаметр болта рассчитывают, опираясь на допустимое сопротивление растяжению;
• на срез — диаметр болта рассчитывают, используя в качестве допустимого сопротивления срезу 20..30% от предела текучести.

В качестве уточняющего параметра в ряде случаев рассчитывают также смятие.

Обратите внимание: в расчетах используют допустимые значения сопротивлений по каждому виду нагружения. Эти параметры нужно подбирать по справочной литературе или путем деления предела текучести материала на принятый запас прочности.

Так для изделия из «сырой» стали 20 собственный предел текучести составит 250 МПа. Допустимое напряжение на растяжение, выбранное по справочнику — 95...140 МПа, срез — 45...85 МПа, смятие — 175...210 МПа. Точное значение будет зависеть от вида нагрузки согласно трем классам опасности. Для поиска нужных величин для любых материалов и условий можно использовать 1 том «Справочника конструктора-машиностроителя» Анурьева В.И.

Результатом расчета станет минимально допустимый диаметр сечения, с которым болт выдержит заданную нагрузку без разрушения и пластической деформации. Этот размер можно сопоставить с внутренним диаметром резьбы. Так, если по расчету вы получаете значение в 11,2 мм, следует ориентироваться на резьбу М14 — поскольку внутренний диаметр для такого типоразмера составляет 11,546 мм. Подобранный болт всегда должен быть однозначно больше расчетной величины.

Указанная выше схема подходит для оценки работы одного изделия. Если рассматривают группу, то суммарную действующую нагрузку делят на общее количество крепежа.

Последняя формула учитывает, что дистанция (плечо) от действующей силы до крепежного элемента оказывает прямое влияние на распределение нагрузки.

В практике используют только четное количество болтов в группе — чтобы облегчить разметку и последующую обработку деталей. Наиболее распространенные числа: 8, 12, 16, 24. В редких случаях, если собирают крупногабаритные изделия, закладывают 36 болтов.

По результатам расчетов следует купить болты по ближайшей большей резьбе или даже через одну. Длину назначают конструктивно — рассчитывая, что как именно он будет установлен в узле: насквозь с фиксацией гайкой или в упор в глухое отверстие. Помните, что при сборке с гайкой резьбовой конец должен выйти из гайки хотя бы на 2 мм, а для крупной резьбы — до 5 мм.

Назначение параметров прочности

Диаметр крепежных элементов прочно увязан с физико-механическими свойствами материала, из которого они изготовлены. При подборе метизов нужно обязательно учитывать их прочностные характеристики.

Для болтов из конструкционных сталей ориентируются на требования ГОСТ 1759.4-87 (он же ISO 898/1-78). Норматив предусматривает 11 классов прочности:

• от наименьшего класса 3.6 — с пределом прочности на растяжение всего 330 МПа, из сырых углеродистых марок с содержанием углерода менее 0,2%;
• до наивысшего класса 12.9 — с пределом прочности 1220 МПа, из легированных закаленных сталей.

Существуют негласные рекомендации по назначению классов прочности для различных задач:

• 3.6, 4.6 и 4.8 — для сборки изделий из дерева и пиломатериалов;
• 5.6 и 5.8 — для сборки простых и ненагруженных конструкций из металла;
• 6.6 и 6.8 — для сборки облегченных специальных конструкций (используются редко);
• 8.8, 9.8, 10.9 и 12.9 — для сферы машиностроения и нагруженных конструкций, в том числе работающих под нагревом (12.9).

Маркировка прочности ставится прямо на головке болта — класс в двух цифрах через точку.

Если известно, что крепеж будет работать в условиях воздействия температур свыше +300°С или в агрессивных средах (вода, пар, газ, кислоты и щелочи), используют иной норматив — ГОСТ ISO 3506-1-2014. Он описывает классы прочности для изделий из нержавеющих сталей.

В редких случаях закладывают болты из латуней, алюминиевых сплавов и бронзы. Их сложно оценивать с позиции прочностных свойств, поскольку «цветной» крепеж применяют с другими целями (теплопроводность, электропроводность, химическая инертность и т.д.).

Общая прочность каждого болта включает три составляющих:

• прочность стержня;
• прочность резьбы;
• прочность головки.

Первый параметр выступает определяющим, и именно его используют во всех расчетах.

Несущая способность шестигранной головки зависит от ее высоты. При недостаточности этой величины срез под действием поперечной нагрузки происходит по гладкой части сразу под головкой. Поэтому изделия с «заниженным» шестигранником используют реже, а оптимальная высота этой части составит 0,6...0,67% от диаметра резьбы.

Если же прочность металла в области витков резьбы будет отличной от прочности стержня — разрушения начнутся еще при первой затяжке. Напряжения концентрируются на впадинах резьбы, в нормальном состоянии не оказывая существенного значения на общее состояние. Но если сталь в этой зоне слишком вязкая или наоборот хрупкая, витки сминаются или крошатся.

Бывает и обратная ситуация — когда резьба тверже и прочнее самого болта. Это случается после холодной накатки витков, когда поверхность уплотняется в ходе обработки. Тогда под нагрузкой крепеж может лопнуть по гладкой части.

Поэтому еще одна немаловажная задача в вопросе «как подобрать болт?» — обеспечить равнопрочность изделия по всему объему. В том же ГОСТе 1759.4-87 указано требование: различия в твердости поверхности и сердцевины не должно превышать 30 HV. Иначе какая-то зона окажется ослабленной, и вся нагрузка уйдет именно туда.

Особые функции

Последним шагом, когда вы уже точно рассчитали нагрузки, требуемый диаметр резьбы и длину соединения, а также приняли решение о прочности крепежа, становится выбор — каким образом при сборке исключить риск саморазвинчивания. Такое случается при регулярной ударной и вибрационной нагрузке, а также под действием упругих сил отжима в зоне стяжки.

Для этого резьбовые соединения контрят (стопорят) — фиксируют в определенном угловом положении, не позволяя гайке и болту провернуться вокруг своей оси, ослабляя затяжку. И конкретный метод стопорения резьбы иногда вносит свои коррективы в конструкцию крепежа.

Какие схемы используют:

• ставят круглую плоскую шайбу и две гайки вместо одной;
• подкладывают под головку болта пружинную шайбу (гровер), которая упирается острой кромкой в торец головки;
• подкладывают лапчатую шайбу, отгибая лапки на плоские поверхности рядом с соединением и на грани шестигранника;
• подкладывают зубчатую шайбу, острые выступы на торце которой врезаются в опорную поверхность детали и за счет возникающих сил трения стопорят проворот болта;
• зажимают специальную разрезную гайку винтом;
• в торце резьбового конца болта сверлят маленькое отверстие, куда вставляют винт с увеличенной шляпкой, притягивая гайку;
• в резьбовом отверстии перед установкой болта размещают нейлоновую ставку, и крепеж деформирует ее, заставляя «растечься» по виткам и заполнить зазоры в резьбе;
• заливают соединение клеем-герметиком;
• на конце болта, выступающем после гайки, ставят шплинт или штифт, который препятствует возможному осевому перемещению;
• торец резьбового конца болта приваривают к гайке в трех точках (буквально каплями);
• торец резьбового конца болта кернят в 2 или 3 точках к гайке.

Отдельно нужно упомянуть групповой метод стопорения резьбовых соединений — когда все болты последовательно обвязывают проволокой с минимальным натяжением.

Для некоторых способов фиксации резьбы в конструкции болта должно присутствовать отверстие в стержне (под шплинт или штифт) или два отверстия в гранях головки (для проволоки). Учитывайте этот момент при окончательном выборе продукции, но не ставьте его во главе всей последовательности действий. С развитием технологий гибкого выпуска метизной продукции заказать нестандартный крепеж уже не проблема.

Методов надежного стопорения соединения очень много, легко можно подобрать подходящий вариант, даже если у вас в руках не совсем то, что хотелось изначально. А вот расчет болтов на прочность под нагрузкой всегда однозначен. Только если правильно выберете все геометрические параметры и прочностные свойства, вы сможете обеспечить надежность крепления на весь период эксплуатации.