Диагностика, ремонт и монтаж

Для упрощения  расчётов М_кр коэффициенты трения обычно усредняют. В качестве примера в табл. 4 приведены результаты сравнительного расчёта моментов затяжки соединения болт-гайка размером М8, класса прочности 8.8-8. Значения коэффициентов трения µ_риµ_т взяты средними от приведённых в табл.3. Конечные результаты расчётов достаточно близки.

Таблица 4. Результаты сравнительного расчёта момента  затяжки крепежа 

Вид смазки и  покрытия	Разные коэффициенты трения			Усреднен. к-ты трения
	µр	µт	Мкр.разд, Н?м	µ=0,5(µр+µт)	Мкр.сред, Н?м
6Ц хр	0,36	0,09	34,9	0,22	36,8
6Ц хр, солидол	0,165	0,09	21,9	0.13	23,0
Без смазки и  покрытия	0,42	0,19	47,6	0,30	48,9

Для понимания  и правильного назначения режимов  сборки резьбовых соединений важно знать на что расходуется М_кр. В табл. 5 приведены результаты расчёта момента затяжки в целом и по составляющим. Три составляющие момента затяжки (см. формулу) отражают их доли, идущие на создание усилия затяжки (12-15%), на преодоление сил трения в резьбе (32-39%) и на преодоление сил трения под головкой болта или под гайкой (47-54%) [1].

Как видим на создание усилия затяжки расходуется  лишь до 15% М_кр.

Таблица 5. Моменты  затяжки соединений и их составляющие, М_кр, Н*м

Размер резьбы ишестигр., мм	Всего		На создание усилия затяжки		На трение в  резьбе		На трение под  головкой
	Класс прочности
	6.8	8.8	6.8	8.8	6.8	8.8	6.8	8.8

М6; S=10	8.3	9,6	1.2	1,4	3,0	3,5	4,1	4,7
М8; S=13	18,4	23	2.6	3,2	6.9	8.6	8,9	11,2
М10; S=17	35	46,3	4,6	6,0	13,0	17,2	17,4	23,5

При применении соединений с фланцевыми болтами  и гайками важно учитывать  влияние на момент затяжки увеличенной  опорной поверхности под головкой. Момент требуется на 10-15% выше, чем  без фланца.

Крепёж. Точность способа затяжки по моменту

Итак, все действия разработчиков крепёжных соединений в машинах и механизмах сводится к назначению М_кр. Но обеспечит ли этот момент получение необходимого усилия затяжки? Зная сильное влияние условий трения и класса соединения на зависимость между усилием и моментом затяжки, покажем каков может быть разброс достигаемых значений Q при сборке. В качестве примера рассмотрим соединение болт-гайка М8 класса прочности 8.8-8, покрытие цинковое с хроматированием без смазочного материала. Номинальное усилие затяжки Q= 15900 Н.По [4] имеем М_{кр макс} = 24,4 Н*м.

Близкие значения Q и М_кр приводятся в материалах фирм Renault, Gedore, Facom и других.

Рассчитаемпри возможных значениях коэффициентов  трения 0,3, 0,14 и 0,10 величины достигаемого усилия затяжки при названных  моментах затяжки для соединений II и III классов (табл. 6) и построим диаграмму в координатах Q– М_кр (рис. 1). Виден весьма существенный разброс достигаемых значений усилия затяжки (заштрихованная четырехугольная зона) при заданных крутящих моментах. Для соединений II класса это А₂ВСD₂, а III класса – А₃ВСD₃.

Минимально  достигаемое усилие затяжки Q_минполучается при приложении минимального крутящего момента затяжки М_{кр. мин} при максимальном коэффициенте трения µ_макс(точки А₂ и А₃ на диаграмме).

Таблица 6. Результаты расчётов усилия затяжки, Q, Н

Момент затяжки, Н/м	Коэффициент трения, µ
	0,3	0,14	0,10
Мкр. макс = 24,4	7870	15900	21030
Мкр.мин = 19,8;11 класс	6390	12860	17070
Мкр. мин = 15,1; 111класс	4870	9800	13020

Максимальное  усилие затяжки Q_макс достигается при приложении максимального крутящего момента М_{кр. макс} при наименьшем коэффициенте трения µ_мин (точка С на диаграмме).

Подобные графические  изображения могут быть построены  для каждого конкретного резьбового соединения. Точка соответствующего соотношения М_кр – Q находится внутри четырёхугольника.

Еще одна характеристика резьбовых соединений, влияющая на точность затяжки по моменту, назовём  её «плотность» или «герметичность»  стыка соединяемых деталей. Чем  больше в пакете деталей (слоев), тем  сильнее влияние заусенцев, неровностей, шероховатости контактных поверхностей.

Минимальное удельное усилие на контактных поверхностях должно устанавливаться из условия плотности  стыкови не должно быть меньше s_{0 мин}=(0,4 – 0,5)s_т. Максимальное значение удельных усилий, обеспечивающих надёжность затяжки должно быть s_{0 макс}=(0,8 – 0,9)s_т.

Ранее мы приводили  данные [1] о нежелательности применения плоских и пружинных шайб в  соединениях и приводили варианты перехода, в частности, на фланцевый  крепёж, что существенно повышает надёжность. Там же показаны отрицательные стороны применения болтов с шестигранной уменьшенной головкой, у которых контактные напряжения под головкой превышают s_т.

Как видно способ затяжки с контролем момента  даже при его точной фиксации не обладает необходимой надёжностью, далеко не всегда обеспечивает нужное усилие затяжки.

Методы  контроля затяжки крепежа 

Наиболее распространен  метод контроля при помощи динамометрических  ключей, имеющих точность в пределах ±5%. Ошибка в измерении величины момента зависит от принятого метода его определения. В [4] предусматриваются следующие методы.

Метод А. Момент измеряется непосредственно в начале вращения болта или гайки в направлении затягивания, измеренный таким образом момент называется «моментом страгивания с места». Метод применяется для быстрого контроля и осуществляется не позднее 30 минут после затяжки.

Метод В. Момент измеряется во время вращения при повороте на 10^о – 15^о в направлении завинчивания. Момент, полученный при этом, называется «моментом вращения». Метод применяется для периодического, но более точного контроля.

Метод С. Соединение освобождается и снова затягивается в прежнем положении, которое должно быть отмечено риской. Этот момент называется «моментом повторной затяжки» и применяется для контроля соединений, имеющих оксидные пленки, окраску, загрязнения.

Величины моментов затяжки при контрольных измерениях должны находитьсяв следующих диапазонах :

	Метод А	Метод В	Метод С
От	1,25 Мкр. макс	1,08 Мкр. макс	1,05 Мкр. макс
До	1,05 Мкр.мин	0,92 Мкр.мин	0,88 Мкр. мин

В случае недостаточной  величины момента затяжки производится подтяжка резьбового соединения до заданной величины момента. Заметим, что контроль качества затяжки особо ответственных  соединений (класс 1 ) с допускаемым  отклонением момента ±5% динамометрическим ключом, имеющим такую же точность, едва ли корректен.

Таким образом, показано, что как затяжка резьбовых  соединений, так и её контроль базируются на косвенных методах путём приложения к крепёжной детали крутящего  момента, но это далеко не всегда обеспечивает получение необходимого усилия затяжки.

Поэтому разработчики конструкции вынуждены для обеспечения  требуемого усилия сжатия соединяемых  деталей применять большее количество недозатянутых крепёжных деталей  и увеличивать их диаметр.

Приведем примеры ошибок, которые стали возможными из-за указания в техдокументации только момента затяжки.

На автомобилях  семейства ГАЗель при сборке крепления  задней опоры двигателя имели  место случаи разрушения болтов М10х6gх30 (210406) с полукруглой головкой и  квадратным подголовком. Испытания болтов показывали, что они соответствуют требованиям ОСТа и имеют класс прочности 4.8. Оказалось, что, указанный в чертежах узла крутящий момент затяжки М_крравнялся 28-36 Нм. Это соответствует соединению класса прочности 6.8.в результате усилие затяжки при М_{кр. мин}завышалось в 1,4 раза, а при М_{кр.макс} в 1,9 раза! После замены класса прочности болта на 6.8 дефекты сборки были исключены.

При сборке суппорта переднего тормоза автомобилей  ВАЗ 2108(09) разрушался болт 2108-3501030 М12х1,25х30, имеющий класс прочности 10.9. Болт, имеющий покрытие фосфат с промасливанием, опирается на шайбу с таким же покрытием и закручивается в чугунный суппорт с цинковым покрытием. По чертежу М_{кр.макс}=118,4 Нм. В стандартах ВАЗа не было данных по коэффициенту трения для данного сочетания контактных поверхностей. По разным источникам отклонение М_кр могут составлять от ±10% до ±30%. Проведённые исследования этого резьбового соединения и условий его сборки на конвейере позволили выявить, объяснить и устранить причины разрушения болтов[1]. На рис. 2 показана диаграмма Q– М_кр, рассчитанная по методике Фиат-ВАЗ, где n — коэффициент использования предела текучести (n=s:s_т, где s — суммарное напряжение в болте, создаваемое при затяжке). Для ответственного соединения (11 класса) коэффициент трения в резьбе и на опорной поверхности варьировался в пределах 0,1–0,18. Было определено, что при m=0,1 момент М_кр.мин=96,5 Нм, а усилие затяжки Q=59536 Н. При М_{кр.макс}=118,4 Нм усилие Q=73130 Н, что выше нагрузки до предела пропорциональности Q_упр=72750 Н, то есть возможна пластическая деформация болта или его разрушение при сборке. Известно, что при случайном попадании масла и колебаниях толщины покрытий коэффициент трения может уменьшится до значения 0,08 и даже 0,06. В то же время было выявлено,что перед сборкой болты проходили операции мойки и промасливания, что недопустимо, ибо ещё больше увеличивало усилие затяжки.

Результаты  исследований показали также целесообразность замены цилиндрической головки с  внутренним шестигранником у болтана головку с волнистым приводом (типа ТОRХ) и 2-х радиусной поднутренной галтелью под головкой. За счёт этого удалось снизить напряжения под головкой и еще больше повысить надёжность крепления.

Приведённые примеры  показывают, что исследования конструкций узлов и технологии сборки позволяют выяснить и исключить возможные дефекты, а также подтверждают необходимость перенесения внимания с момента на усилие затяжки.

О затяжке  крепёжных соединений с контролем  усилий

В мировой практике используются методы и инструменты, которые непосредственно контролируют усилие затяжки в ходе сборки. Осуществить затяжку резьбового соединения с контролем по усилию в лабораторных условиях несложно. Исследования показывают, что наибольшая точность обеспечения усилий затяжки в производственных условиях (на конвейере) возможна в основном благодаря затяжке до предела текучести. Лишь в этом случае малое приращение усилия происходит при значительном угле поворота инструмента, что и улавливает система автоматического регулирования. В связи с этим актуальным становятсязадачи использовать для изготовления болтов в массовом производстве пластичных материалов и уменьшать поле допуска на предел прочности болтов.

Рядом зарубежных фирм применяются такие сборочные  системы, которые программируются на затяжку в области напряжений между пределами пропорциональности и текучести. Например, устройства ф. SPS (StandartPressedStell) США, называемые «Системой контроля соединений», предусматривают первоначальную затяжку до плотного прилегания головки болта, затем, после паузы, дающей возможность релаксации напряжений, болт окончательно затягивается до наступления предела текучести, а затем слегка выше его при улавливании постоянного удлинения болта (обычно от 0,050 до 0,075 мм). Эта и ряд других систем обеспечивают точность затяжки в пределах ±3-10% и даже ±1-8%. Гайковёрты, оборудованные такими системами, обеспечивают 100%-ю гарантию правильности затяжки соединений.

Этой же цели служит конструкция болтов под торговой маркой DTISmartBolts с индикаторной головкой, защищённая патентами США и Канады (см. ж. Метизы, 2003, №3Ю с. 88-89). Болты от М12 до М30, выпускаемые американской компанией StressIndicators, имеют вмонтированный в головку цветовой микроиндикатор, улавливающий фактическое удлинение болта при приложении усилия затяжки. Контроль осуществляется по изменению цвета индикатора.

В некоторых  источниках приводятся данные об относительной  стоимости затрат на применение методов  и инструментов обеспечения усилий затяжки:по моменту (погрешность ±25%)– 100%; по удлинению болта (погрешность ±5%) – 1000%.