Болтовые соединения находят широкое применение и встречаются практически в любой технической отрасли. Это объясняется несомненными плюсами: универсальностью, простотой монтажа, возможностью демонтажа (без повреждений деталей и крепежа), взаимозаменяемостью крепёжных изделий, распространённостью инструмента для них и пр.
Однако существенным недостатком болтового крепежа является ослабление соединения при знакопеременных нагрузках, вибрации. Для предотвращения ослабления/самоотвинчивания крепежа применяют известные методы, такие как самоконтрящиеся гайки, стопорные кольца или шайбы (гроверные, зубчатые, клиновые и т.п.). При этом у каждого решения имеются собственные сильные и слабые стороны.
Стопорение болтовых соединений
- Контрирование: самый простой и очевидный способ надёжно поджать гайку – навинтить сверху ещё одну! Вторая гайка (контргайка) будет надёжно прижимать первую, образуя с ней практически монолитную пару.
Достоинством данного метода является простота монтажа (при использовании только стандартных изделий). А недостатками – повышенный (в пределе – двукратный) расход гаек, увеличении веса и габаритов крепежа. - Пружинная (в обиходе «гроверная») шайба – представляет собой разрезное упругое кольцо. При её поджатии гайкой создаётся натяг, а острые кромки шайбы врезаются в тело гайки и поверхность детали, предотвращая самораскручивание. Даже если под действием вибрации гайка страгивается со своей позиции, упругое разжатие гроверной шайбы снова создаёт натяг и соединение буквально стопорит само себя.
Достоинство метода: простота и надёжность. Недостатки – необходимость в дополнительной сборочной единице (гроверной шайбе), возможные ошибки, забывчивость при монтаже, повреждение крепежа и поверхности детали острыми концами шайбы при затяжке. - Самоконтрящиеся гайки – своеобразный синтез предыдущих способов, когда гайка и гроверная шайба объединяются в единый узел. Самоконтрящиеся гайки имеют несколько вариантов реализации. Например, болт и гайка с переменным шагом резьбы – этим достигается натяг при завинчивании, препятствующий ослаблению соединения в эксплуатации. Другой вариант – наличие упругого (нейлонового или полимерного) кольца или лепестковой насечки в верхнем пояске гайки. После затягивания эти дополнительные элементы оказывают давление на резьбу и за счёт трения «не пускают» гайку отвинчиваться. Третий способ – соединение в единый узел гайки и плоской шайбы с рифлёной «пружинной» поверхностью. При затягивании такой гайки нижняя «шайбовая» часть деформируется, создавая натяг и не давая крепежу отворачиваться.
Достоинства самоконтрящихся гаек любого типа – простота монтажа, отсутствие дополнительных стопорных элементов. Недостаток – усложнение конструкции/формы гайки по сравнению со стандартной. - Шплинтование – короткий отрезок сложенной вдвое проволоки (шплинт) пропускается сквозь отверстие в стержне болта и теле/короне гайки, а затем разжимается.
Достоинства – едва ли не самый надёжный способ стопорения крепежа, наличие/отсутствие шплинта легко различить визуально, сравнительная простота монтажа.
Недостатки – усложнение конструкции (отверстие в теле болта, «шипастая» корона у гайки), затруднение откручивания (шплинты чаще всего одноразовые). - Кернение, пайка, приварка, расклёпывание – позволяют создать условно-разъёмное соединение, когда наружные витки резьбы гайки точечно повреждаются. Это создаёт механическое препятствие движению по резьбе.
Достоинство метода – надёжность стопорения. Недостатки: повреждение крепежа, сложности как при монтаже (потребность в сварочных работах, пайке или точных ударных воздействиях), так и демонтаже. - Нанесение лаков, красок, клея на резьбу – метод аналогичен предыдущему, но без механического повреждения резьбы.
Чуть проще в плане монтажа (нанести клей, а не паять/заваривать!), но обладает меньшей несущей способностью в сравнении с кернением и аналогичными «механическими» методами повреждения резьбы. - Стопорные (клиновые) шайбы – состоят из двух «половинок», внутренние поверхности которых снабжены специальными клиновидными выступами (отсюда и название). Внешние края шайбы также имеют выступы (радиальную насечку) для лучшего сцепления с поверхностью детали и гайки. При затягивании крепежа половинки стопорной шайбы плотно, без зазора, прижимаются друг к другу – деформации шайбы не происходит. Однако при попытке гайки стронуться в обратную сторону (начать самопроизвольно откручиваться), внутренние клинья половинок шайб давят друг на друга и «распираются» вовне – против усилия затягивания. Поскольку угол клиньев больше, чем угол резьбы (это учтено при разработке шайбы), то под действием вибрации более вероятно, что гайка останется на месте (не ослабнет!), чем преодолеет суммарный «подъём» резьбы и клиньев шайбы. Даже при работе соединение в условиях сильной вибрации!
Достоинства: лёгкость монтажа, практически стандартная толщина стопорной шайбы (отсутствие дополнительных элементов), возможность откручивания соединения без повреждений крепежа, многократное повторное использование шайб. Недостатки: требует внимательности при сборке (важно не перепутать установку половинок – клиньями друг к другу, насечкой вовне!).
Сравнение шайб различного типа
Выше была представлена информация об основных видах, достоинствах и недостатках имеющихся способов стопорения резьбового крепежа. Однако какой же из них лучше? В частности, какие шайбы целесообразней применять в конкретных условиях?
Ответ на данный вопрос могут дать лишь сравнительные испытания. Для оценки выносливости болтовых соединений в условиях динамической нагрузки применяют специальные вибростенды. Измерительный комплекс включает в себя платформу на гидроопорах, внешний электродвигатель (для нагружения платформы – создания вибрации) и контрольные датчики, информация с которых поступает на ПК для последующей обработки и демонстрации результатов.
Испытания проводятся следующим образом. В имеющееся на платформе отверстие устанавливается крепёж (болт, гайки и шайба) и затягивается первичным моментом (к примеру, 8 кН). Включается двигатель, платформа начинает вибрировать. Через какое-то время соединение «поплывёт», т.е. гайка начнёт самопроизвольно откручиваться и первичный момент затяжки снизиться – возможно даже до нуля (крепёж полностью ослабнет).
Какая шайба лучше стопорит соединение? Очевидно та, с которой первичный момент затяжки под действием вибрации продержится дольше! Зависимость «момент – время нагружения» и позволяет сделать вывод о стойкости шайб. А заодно и сравнить их между собой – в одинаковых условиях эксперимента.
Подобное испытание называется «вибрационный тест Юнкера» (методика испытаний регламентируется DIN 651512002). Тест показывает, что наибольшей стойкостью обладает стопорная (клиновая) шайба – первичный момент затяжки сохраняется практически на 100% (в то время как, например, у гроверной шайбы к концу теста он падает до нуля!).
Виды, исполнения стопорных шайб
Стопорные шайбы обеспечивают практически 100% гарантию от самопроизвольного откручивания резьбового крепежа, могут применяться в узлах, работающих со смазкой и агрессивных средах. За счёт очевидных преимуществ стопорные шайбы существенно теснят «конкурентов» (шайбы других типов)! Сфера использования стопорных шайб постоянно расширяется. А в пользу их высокого качества говорит опыт успешного применения в авиационной и аэрокосмической отраслях.
Для различных условий эксплуатации выпускаются стопорные шайбы:
- с цинковым покрытием;
- из нержавеющей стали;
- в узком исполнении (для потайного крепежа);
- стандартные (для обычных отверстий);
- в широком исполнении (для продольных отверстий).
Следует отметить, что в системе «гайка-болт-шайба» стопорные клиновые шайбы должны быть единственными!
- Если отверстие сквозное, то под головку болта и под гайку должна устанавливаться отдельная стопорная шайба (в итоге, две на крепёж).
- Запрещено применять стопорные шайбы одновременно с другими податливыми элементами (такими как предохранительные/уплотнительные шайбы)!