При проектировании, сборке и монтаже узлов, очень важно учитывать момент затяжки болтов. Момент затяжки болта контролируется динамометрическим ключом, а назначается исходя из определённых условий.
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.
Прочность болта
Рекомендуемые значения затяжки болтов назначаются из условия прочности болтов. В уроке «Прочность болтов» я рассказывал про прочность, какие бывают болты и как маркируются. Обычно рекомендуемый момент затяжки обеспечивает осевое усилие болта в 2/3 от предела текучести, то есть затянутый болт будет иметь запас прочности.
Ниже представлена таблица для затяжки болтов и гаек со стандартным шагом метрической резьбы.
Как видим из таблицы, момент затяжки любого болта прочностью 12.9 в разы выше момента затяжки болта класса прочности 4.6. Обращаю Ваше внимание, что данные моменты затяжек действуют только для болтов и гаек из углеродистых сталей со стандартным шагом. Ни в коем случае нельзя затягивать с такими значениями в алюминиевый или чугунный корпус. Данная таблица также не распространяется на самоконтрящиеся гайки и на элементы с мелким шагом резьбы.
Контроль момента затяжки болтов
Как я писал выше, требуемый момент затяжки обеспечивается динамометрическим ключом или иным настраиваемым инструментом (пневматический или электрический гайковерт). При затяжке обращаем внимание на качество резьбы, следим, чтобы гайка или болт закручивались от усилия пальцев и без закусывания.
Иногда, при осуществлении контролируемой затяжки, смазывают резьбу и поверхность под головкой болта или гайки. Раскрутить соединение обычно сложнее, может понадобиться значительно больший момент. Связано это с деформациями, окислением между болтом и поверхностью, коррозией в резьбе. Если требуется проверить, с нужным моментом затянут болт или нет, достаточно просто настроить ключ и попробовать подтянуть болт.
В соединениях с несколькими болтами, контролируемая затяжка осуществляется в несколько приёмов, о том, как это сделать, я расскажу в уроке «Порядок затяжки болтов».
Прочитав данный урок, Вы знаете, с каким усилием можно тянуть болты в обычных соединениях. Помимо простых соединений, меня часто спрашивают какой момент затяжки болтов ГБЦ (головки блока цилиндров) и некоторых других ответственных узлов. Этому вопросу будет посвящен отдельный урок.
В одной из следующих статей мы более подробно обсудим момент затяжки гаек на конкретных примерах, а на сегодня все, спасибо за внимание.
НЕНАПРЯЖЕННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (БЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЗАТЯЖКИ, рис. 1)
Напряжения возникают после приложения рабочей нагрузки. Ненапряженные болты работают только на растяжение или сжатие.
Условие прочности болта 
где Р – сила, действующая вдоль оси болта, Н; d1 – внутренний диаметр резьбы, мм;
[ σ p] – допускаемое напряжение при растяжении (сжатии), МПа.
Пример. Определить диаметр нарезанной части хвостовика грузового крюка (рис. 2) для силы Р=100 000 Н. Гайку заворачивают, но не
затягивают 
Принимаем резьбу с наружным диаметром d =M36.
Величина [ σ p ] взята для стали 35 по II случаю нагрузки (см. т. 1, гл. 1).
Рис.2
НАПРЯЖЕННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЗАТЯЖКОЙ, рис. 3)
При затяжке гаек в болтах возникают значительные растягивающие усилия и усилия скручивания.
Упрощенно болты в напряженных соединениях рассчитывают только на растяжение, скручивание же учитывают увеличением растягивающей силы Р на 25-35%.
1. Допускаемые постоянные нагрузки и моменты затяжки для болтов с метрической резьбой из спив 35
Номинальный диаметр резьбы, мм
Момент затяжки, Нм
А – неконтролируемая затяжка, нагрузка без учета усилия затяжки;
Б – контролируемая затяжка, точный учет нагрузок, включая усилие затяжки.
Момент затяжки соответствует напряжению σ зат ≈ 0,4 σ т .
СОЕДИНЕНИЯ С ПОПЕРЕЧНОЙ НАГРУЗКОЙ
Болт т о ч е н ы и, поставлен без зазора (плотно, с небольшим натягом, рис. 4). Болт работает на срез и смятие.
На срез болт рассчитывают по формуле
откуда диаметр точеного стержня, мм,
. 
где Р – сила, действующая поперек болта, Н; [ τ cр] – допускаемое напряжение на срез,
МПа (см. т. 1, гл. 1); часто принимают [ τ cр] =(0,2÷0,3) σ т; ( σ т – предел текучести).
На смятие болт рассчитывают по формуле
. 
где h – высота участка смятия, мм; [ σ см] – допускаемое напряжение на смятие, МПа.
Болт конусный (рис. 5). Конусной формой устраняется зазор. Такой болт рассчитывают как точеный.
Болт с зазором (рис. 6). В этом случае затяжкой болта обеспечивают достаточную силу трения между стянутыми деталями для предупреждения сдвига их и перекоса болта.
Болт рассчитывают на силу затяжки
где сила Р – в Н, f – коэффициент трения;
для чугунных и стальных поверхностей без смазки f =0,15÷0,2; d1 – внутренний диаметр резьбы, мм; [ σ p] – допускаемое напряжение при растяжении, МПа (см. т. 1; гл. 1).
Для двух и более стыков (рис. 7)
где i – число стыков.
Разгрузочные устройства (рис. 8, а – со шпонкой; б – с уступом; в – со штифтом; г – со втулкой) применяют для восприятия поперечных сил.
Клеммовые соединения (рис. 9) применяют в том случае, когда место закрепления рычага на валу непостоянно.
Вследствие действия силы Р, сжимающей клеммы и растягивающей болт, между поверхностями ступицы рычага и вала возникает сила трения, равная Nf , где N –нормальное давление между половинами ступицы, создаваемое затяжкой болта, а f – коэффициент трения.
Затяжка болтов должна быть такой, чтобы момент трения Nfd равнялся внешнему моменту QL или для надежности был бы больше, обычно на 20 %, т.е. Nfd =1,2 QL, откуда
где Q – усилие на рычаге, Н; L – длина рычага, мм; d – диаметр дала, мм.
Приближенно зависимость между силой Р и давлением N определяют, приравнивая моменты сил Р и N относительно точки С.
где l – расстояние от оси болта до центра вала, мм; Р – сила, сжимающая клеммы и растягивающая болт, Н.
По найденной силе Р болт рассчитывают как затянутый (см. рис. 3).
Пример. Груз Q =300 Н закреплен на одном плече горизонтального рычага длиной L =500 мм; другое плечо рычага связано клеммовым соединением с валом диаметром d =40 мм. Нагрузка статическая. Определить диаметр клеммовых болтов.
Решение.
Расчетная нагрузка для болта
принимают f=0,2; l=40 мм, тогда
Выбирают болт М16, площадь его сечения F=141 мм 2 . Рабочее напряжение растяжения
что вполне допустимо.
КРЕПЛЕНИЕ КРЫШЕК
(ПРОЧНО-ПЛОТНЫЕ БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, рис. 10)
Шаг t между болтами выбирают в зависимости от давления р:
t , мм . ≤ 150 ≤ 120 ≤ 100 ≤ 80
p, МПа.. 0,5-1,5 2,5 5 10
Сила, открывающая крышку и растягивающая болты,
где D – внутренний диаметр сосуда, мм; р – давление газа, пара или жидкости в сосуде, МПа.
Сила, передаваемая одному болту,
где i – число болтов.
Расчетная нагрузка на болт
где β – коэффициент, зависящий от упругих свойств, входящих в соединение частей; Q1 – сила затяжки одного болта, Н.
Практически можно считать Q1 = Q2, тогда
Ориентировочно коэффициент β для прокладки из резины принимают равным 0,75; из картона или асбеста – 0,55; из мягкой меди – 0,35.
Если упругие свойства скрепленных деталей неизвестны и не требуется высокой точности расчета, то для надежности принимают P=2Q2, и болты рассчитывают по уравнению
где d1 – внутренний диаметр резьбы болта, мм; [ σ p]- допускаемое напряжение при растяжении, МПа.
Примечание. Болты с диаметром d ≤ 12 мм, затягиваемые вручную, при рабочем усилии на ключе Рр =300+400 Н могут разорваться. Поэтому в ответственных соединениях органы технического надзора не разрешают устанавливать болты диаметром меньше 16 мм.
Пример. Крышка цилиндра высокого давления привернута 12 шпильками. Определить их диаметр, если максимальное давление пара в цилиндре р =1,2 МПа, а внутренний диаметр цилиндра D =200 мм.
Сила, открывающая крышку,
Принимают для надежности расчетную нагрузку Р = 2Q, тогда
где F – площадь сечения шпильки по внутреннему диаметру резьбы, мм 2 ; i – число шпилек.
Определяют [ σ p ]:
если берут шпильку М16, то ее сечение F = 141 мм 2 , следовательно,
что вполне допустимо.
КРЕПЛЕНИЕ СТЫКОВ
(УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ)
Кронштейн (рис. 11) скреплен со стеной двумя болтами, при этом на него действуют следующие силы: Q – внешняя нагрузка (или ее составляющие Н и N), Н;
Р – сила затяжки болтов, Н; R – сила реакции стены, Н, определяемая по формуле
где σсм – напряжение смятия опоры от затягивания болтов силой 2P, МПа; допускаемое напряжение смятия [σсм] для кирпичной кладки принимают 0,8—1,2 МПа, для дерева 1,2—2 МПа, для чугуна и стали 120—180 МПа; F – опорная площадь плиты, мм 2 .
Точка приложения силы R находится на расстоянии 1/3h от нижнего края плиты, где h – высота плиты, см.
Используя условие равновесия и принимая за центр моментов точку пересечения оси нижнего болта со стеной, получают
Из уравнения находят силу Р затяжки болта, по которой определяют его диаметр. Допускаемое напряжение [σсм] см. в т. 1, гл. 1.
Полученное значение силы Р необходимо проверить на скольжение кронштейна по стене:
т. с. вследствие затяжки болтов должна возникнуть сила трения 2P f , которая предотвратила бы скольжение кронштейна по стене под действием сдвигающей силы N .
Коэффициент трения можно принять для чугуна по кирпичной кладке 0,4—0,45; для чугуна по дереву 0,4—0,45 и для чугуна по чугуну 0,18—0,2.
КОЛЬЦЕВАЯ ФОРМА СТЫКА (рис. 12)
Сила затяжки болта, поставленного в отверстие с зазором,
или при небольшой сравнительно с D ширине кольцевой поверхности стыка
где Мкр – крутящий момент; z – число болтов; f – коэффициент трения.
При соединении точеными болтами без зазоров момент трения, вызванный затяжкой, в расчет не принимают или принимают только 25—35% его величины.
Поперечная нагрузка, приходящаяся на каждый болт,
Болт рассчитывают на срез и смятие по диаметру точеного стержня.
СОЕДИНЕНИЕ С ЭКСЦЕНТРИЧНОЙ НАГРУЗКОЙ (рис. 13)
Под действием растягивающей силы Р в болте возникают напряжения растяжения и изгиба:
где σсум – суммарное напряжение при растяжении и изгибе, МПа;
σр – рабочее напряжение при растяжении, МПа;
σиз – рабочее напряжение при изгибе, МПа;
е – расстояние от точки приложения силы Р до оси болта, мм;
d1 – внутренний диаметр резьбы, мм.
Даже при сравнительно малой величине е напряжения изгиба в болте могут во много раз превосходить напряжения растяжения, что потребует значительного увеличения диаметра резьбы. Поэтому болты с эксцентричной нагрузкой следует применять только при особой необходимости.
Рис.13
Маркировка – что указано на головках болтов.
Для изделий из углеродистой стали класса прочности – 2 на головке болта указаны цифры через точку. Пример: 3.6, 4.6, 8.8, 10.9, и др.
Первая цифра обозначает 1/100 номинальной величины предела прочности на разрыв, измеренную в МПа. Например, если на головке болта стоит маркировка 10.9 первое число 10 обозначает 10 х 100 = 1000 МПа.
Вторая цифра – отношение предела текучести к пределу прочности, умноженному на 10. В указанном выше примере 9 – предел текучести / 10 х 10. Отсюда Предел текучести = 9 х 10 х 10 = 900 МПа.
Предел текучести это максимальная рабочая нагрузка болта!
Для изделий из нержавеющей стали наносится маркировка стали – А2 или А4 – и предел прочности – 50, 60, 70, 80, например: А2-50, А4-80.
Число в этой маркировке означает – 1/10 соответствия пределу прочности углеродистой стали.
Перевод единиц измерения: 1 Па = 1Н/м2; 1 МПа = 1 Н/мм2 = 10 кгс/см2.
Предельные моменты затяжки для болтов (гаек).
Крутыщие моменты для затяжки болтов (гаек).
В таблице ниже приводятся закручивающие моменты для затяжки болтов и гаек. Не превышайте эти величины.