Закрутить и забыть
Резьбовые соединения используются и в конструкции пластиковых детских игрушек и при возведении мостов. Единственное сходство такого крепежа заключается в том, что его можно монтировать и демонтировать при необходимости. Для удержания резьбового крепежа бывает достаточно силы приложенной в момент затяжки, но гораздо правильнее, с точки зрения безопасности, заблокировать резьбовое соединение в ответственных частях конструкции. Например, клапанная крышка двигателя автомобиля должна быть надежно закреплена во время движения, в то же время обязана быть съемной, так как компоненты двигателя необходимо обслуживать. При постоянной вибрации, или механическом воздействии резьбовому соединению нужна защита от самораскручивания. Рассмотрим методы надежной фиксации резьбовых соединений.
Виды резьбовых соединений
Болты с гайками — самый распространенный вид резьбового крепежа. Используется практические везде, от автомобилей, до радио антенн на крышах высоток. Встречаются так часто, что сложно найти конструкции без них.
Винты и отверстия с резьбой. В этом соединении винт устанавливается в предварительно высверленное отверстие с нарезанной резьбой.
Винты по конструкции похожи на болты, но различие кроется в применении: болты используют чтобы соединить детали насквозь, для фиксации на болт накручивается гайка, а винты вкручивают в соединяемые детали, в заранее подготовленную резьбу.
На фото винты с головкой под внутренний шестигранник, которые соединяют алюминиевые компоненты. Такие винты используются вместо болтов для облегчения веса конструкции и для упрощенного монтажа — чтобы зафиксировать детали достаточно доступа с одной стороны.
Бывают и отдельные детали с резьбой для соединения между собой — например, валы или корпуса, как правило, цилиндрической формы. Самый простой пример, встречающийся в быту — лампочка с резьбой, которая вкручивается в патрон. На приведенном ниже рисунке схема двух цилиндрических корпусов, соединенных вместе.
Как надежно зафиксировать резьбовое соединение
Методы делятся на: механические приспособления и специальные составы, предотвращающие ослабление соединения. Ниже приведены самые распространенные механические приспособления, которые используют для предотвращения ослабления резьбового крепежа.
Стопорная пружинная шайба или гровер — представляет собой один виток пружины, который подкладывается под гайку при закручивании. Создает распорное усилие на гайку, благодаря этому противостоит её ослаблению и раскручиванию в условиях вибрации.
Стопорная шайба с внутренними зубцами. Зубцы придают стопорной шайбе эффект пружины и предотвращают ослабление крепежа если конструкция подвергается деформации или вибрации. Используется при болтовом соединении, так же сочетается с винтами, шпильками и штифтами. Задействуют соединения с подобным стопорным механизмом при сборке мебели и постройке деревянных сооружений, домов.
Стопорная шайба с наружными зубцами — применяются для фиксации электрических проводов. При использовании болтов или винтов в электрических цепях используется контактная шайба с наружными зубцами. Благодаря своей форме, шайба с наружными зубцами увеличивает площадь контакта в месте соединения, а эффект пружины добавляет надежности фиксации. Такие шайбы изготавливают из нержавеющей стали или подвергают дополнительной оцинковке.
Стопорная шайба Nord-Lock — состоит из двух одинаковых стопорных шайб, с радиальными ребрами на одной стороне и клиновыми поверхностями на другой. Радиальные ребра оказывают силовое воздействие на поверхность соединения прикрепляемой детали. Клиновые поверхности увеличивают усилие затяжки. Применяются в условиях сильной вибрации и при значительных динамических нагрузках.
Гайка с зубчатым фланцем, по сути это гайка со встроенной зубчатой шайбой, имеет такие же свойства, что и зубчатая гайка — создает пружинящий эффект и увеличивает площадь контакта, предотвращая самораскручивание, но сокращает количество элементов конструкции.
Гайка самоконтрящаяся с нейлоновым кольцом. За счет нейлоновой вставки происходит торможение хода завинчивания и гасятся механические колебания, защищая резьбовое соединение от ослабления.
Стопорение проволокой — используется в аэрокосмической отрасли, оборонной промышленности и автоспорте, там, где открутившийся элемент попав в другие движимые части конструкции, нанесет непоправимый вред. Метод фиксации трудоемкий и весьма сложный в освоении — установка стальной проволоки в отверстие в винте или гайке и жесткая фиксация этой проволоки к другой детали. Используется и для совместной фиксации двух деталей, как на фото. Самое сложное при установке стопорящей проволоки правильно сориентироваться в направлении движения резьбы, и выбрать верное направление вязки, иначе установка подобного фиксатора бесполезна.
Корончатая гайка выглядит как обыкновенная шестигранная гайка с одной стороны, но с другой стороны у нее по контуру расположен ряд зубьев в форме короны, отсюда и название. Количество прорезей от 6 до 8, в зависимости от диаметра. Металлический шплинт продевается через резьбу и фиксируется между зубьями корончатой гайки, тем самым надежно блокирует резьбовое соединение от самопроизвольного раскручивания.
Такой метод используется для фиксации ступицы колеса автомобиля.
Часто для фиксации резьбы используется специальный состав или клей. Сам фиксирующий состав не в состоянии удерживать детали, но запросто может предотвратить раскручивание гайки либо болта.
К примеру, в нефтедобывающей промышленности, где на механизмы и конструкции действует постоянная вибрация используют сочетания пружинных шайб и фиксирующих составов.
Чтобы фиксирующий состав выполнял свое прямое назначение, он должен полимеризоваться — перейти из жидкого состояния в твердое. Компоненты состава вступают в реакцию с кислородом и отвердевают, но сложность в том, что рабочая поверхность внутри витков резьбы герметична, к ней нет доступа кислорода. Чтобы обойти эту проблему в химических фиксаторах резьбы состав вступает в реакцию с металлом и отвердевает при отсутствии кислорода. В итоге, между внутренней и внешней резьбой образуется пластиковый полимер, который обладает высокой адгезией. Для демонтажа крепежных элементов, зафиксированных подобным образом, придется приложить существенное усилие.
Составы бывают жидкие и пастообразные. Выбор зависит от типа соединения: для крепежа малого диаметра применяется жидкий фиксатор, он равномерно распределяется по поверхности; для крепежа больших диаметров используют пастообразные средства, так как они хорошо удерживаются на большой площади нанесения.
Что выбрать
Пружинные и зубчатые шайбы — используют в условиях небольшой вибрации и не интенсивных динамических нагрузках на конструкцию, имеют минимальную стоимость.
Шайбы типа Nord-Lock — применяются там где к резьбовому соединению предъявляются повышенные требования по безопасности: в тяжелой промышленности и машиностроении. Они противостоят высокой вибрации и способны удерживать крепеж при высоких нагрузках. Значительно технологичнее остальных видов шайб, и как следствие, дороже.
Гайки с фланцами и контрящим кольцом — способны выдержать воздействие вибрации чуть выше чем пружинные и зубчатые шайбы, но сокращают количество деталей конструкции. Стоимость их, также не велика.
Стопорение проволокой — дорогостоящий и очень трудоемкий способ фиксации резьбы. Если вы не строите гоночный болид или летательный аппарат, использование такого способа будет неоправданным.
Корончатая гайка — применяется там, где ослабление и самораскручивание крепежа может вызвать критическую ситуацию, отлично противостоит высоким нагрузками и вибрации, стоит дороже пружинных гаек или шайб, так как конструкция сложнее и в ней взаимодействуют несколько элементов.
Фиксирующие составы — в зависимости от типа могут противостоять низким и высоким вибрационным нагрузкам, стоимость их так же может существенно варьироваться.
Лайфхак: как сделать так, чтобы гайка не откручивалась?
Если вы часто сталкивались с ситуацией, когда от вибрации на велосипеде, на машине, на станке начинают «самопроизвольно» откручиваться гайки, то наверняка задавались вопросом: как сделать так, чтобы гайка не откручивалась? В этой статье вы найдете сразу несколько вариантов «крепежного» решения. Выбирайте, как говорится, на свой вкус и на свой случай:
Фиксаторы резьбы
Могут быть как промышленного производства различных марок (например, Mannol), так и из подручных средств (лак для ногтей, эпоксидная смола). Фиксатор наносится на резьбу болта, гайка закручивается с нужным усилием, а когда фиксатор застывает, он не дает гайке открутиться от вибрации.
Гайки «специального назначения»
Гайки с контрящим (стопорным) кольцом (DIN 985). Такую гайку также называют «самоконтрящаяся» или «самостопорящаяся». Внутри неё есть нейлоновая вставка, которая при закручивании деформируется по резьбе и не дает гайке раскрутиться. Учтите, что это «одноразовое» решение: такую гайку нельзя использовать повторно. В «кустарном» варианте этого решения на болт надевается термоусадка, нагревается, а потом поверх накручивается обычная гайка.
Гайка с фланцем (DIN 6923). Фланец – это расширенная нижняя часть гайки с насечками, которые впиваются в опорную поверхность и не дают гайке откручиваться. Просто накручивается на болт и затягивается.
Корончатая гайка (DIN 935). Применяется в критически важных соединениях, например, при сборке самолетов. В верхней части гайки есть зубцы, примерно на ¼ от общей высоты гайки. После того, как гайка накручена на болт, он просверливается насквозь между зубцами гайки. Затем в это отверстие вставляется проволочный штифт, который обжимается вокруг болта. За счёт этого создается соединение, очень устойчивое к раскручиванию даже при высокой вибрации.
Шайбы «специального назначения»
Шайба-гровер ГОСТ 6402-70 (DIN 127, DIN 7980). Самое недорогое и частое решение. Может использоваться как вместе с обычной шайбой, так и без нее, в зависимости от конструкции. Применяется во всех отраслях машиностроения, в строительстве, знакомо и привычно многим мастерам.
Шайба зубчатая (DIN 6797). Как и шайба-гровер, не дает гайке откручиваться. Один из недорогих вариантов зафиксировать гайку. Часто используется в бытовой технике, например, в стиральных машинах. Важно: если затянуть такое соединение слишком сильно, зубцы могут сгладиться, зубчатая шайба превратится в обыкновенную и уже не сможет фиксировать гайку.
Если вы знаете, что ваши резьбовые соединения будут подвержены вибрации, ударам, толчкам, раскачиваниям, то вопрос не в том: открутится или нет? Вопрос в том, в какой момент это произойдет и насколько разрушительными будут последствия самопроизвольного раскручивания и выхода болта из отверстия. Задумайтесь над этим, откажитесь от неуместной экономии и используйте подходящий вариант шайбы или гайки.
Выбрать и заказать крепёж подходящего размера можно в каталоге компании Юниформ-Металл:
Почему самопроизвольно откручиваются гайки? Причины и как фиксировать гайки, болты
Самопроизвольное откручивание гаек происходит при вибрации. Это чревато тем, что разрушаются именно высоконагруженные соединения на вибрирующих механизмах. Предложено множество методов, как избежать этого опасного явления. Это использование герметиков и различных механических способов фиксации гайки помимо основного трения на резьбе. Рассмотрим их подробнее.
Где встречаются самопроизвольные ослабления резьбовых соединений и возможные последствия
Многие владельцы автотранспорта сталкиваются самопроизвольным ослаблением резьбовых соединений. Это может привести как к посторонним шумам, так и к повреждению соединяемых деталей и, как следствие, даже авариям.
Такая же ситуация происходит в любых конструкциях, где болтовое или винтовое соединение подвергается воздействию поперечных колебаний, т.е. вибрации. Это и мосты с большой проходимостью, и строительная техника, и заводские станки, и космическая или авиатехника. В общем, проблема известна миру с самого начала промышленной революции. Многочисленные несчастные случаи, конечно, заставили человечество изучить проблему и постараться найти решение.
Плохо затянутые гайки без защиты от самопроизвольного раскручивания приведут к разрушению соединения при такой скорости всего за несколько минут. Основных сфер, где эта проблема наиболее чревата последствиями, три:
- автомобильная промышленность;
- авиационная и аэрокосмическая промышленность;
- станкостроение, электроинструмент.
Герхард Юнкер и основы его теории
Самым значительным исследованием в этой области стало исследование Герхарда Юнкера, который разработал целую теорию о том, почему же крепежные элементы самопроизвольно раскручиваются при вибрационной нагрузке. Юнкер заметил, что самораскручивание происходит при поперечной динамической нагрузке, т.е. поперечном движении соединения. Когда сдвигающая сила больше, чем сопротивление трению от преднагрузки болта, витки резьбы начинают двигаться относительно друг друга. В результате такого постоянного движения и получается раскручивание.
Методика испытаний по тесту Юнкера и стандарт DIN 65151-2002
Юнкер спроектировал вибростенд для испытания резьбовых соединений и исследования того, как на него влияет сдвигающая сила. Такая методика получила название тест Юнкера, и она описана в стандарте DIN 65151-2002. Авиакосмическая серия. Динамическое испытание блокирующих характеристик крепежных элементов в условиях поперечного нагружения (вибрационное испытание)».
Тест Юнкера признан международными организациями со стандартизации как DIN 65151-2002. В сертификатах на крепеж чаще всего можно видеть именно это обозначение. Испытательный стенд построен на основе описания в работе Юнкера 1969 года. Чтобы получить этот сертификат, необходимо пройти испытание с теми соединяемыми материалами, на которые рассчитано данное соединение, чаще всего это сталь и алюминиевые сплавы. Методика испытаний такова: резьбовое соединение устанавливается на подвижное основание, которому придаются поперечные колебания заданной амплитуды и частоты. После определенного числа циклов нагрузки замеряют остаточное усилие затяжки и сравнивают с первоначальным. Таким образом, с помощью этого теста можно оценить сопротивляемость разных видов крепежа самоотвинчиванию при воздействии вибрации.
Решение проблемы самоотвинчивания
Для решения этой проблемы гайку надо как-то застопорить. Это можно сделать либо жестким методом, либо фрикционным. В первом случае стопоримая и стопорящая детали соединяются за счет врезания в материал. Во втором же случае создается повышенное трение между стопоримой и стопорящей деталями. Такое соединение можно разобрать без нарушения деталей. Разновидностью фрикционного стопорения является упругое, при котором в соединение вводится упругий элемент, поддерживающий натяжение в системе.
Анаэробные герметики для резбовых соединений
К фрикционному стопорению можно отнести использование анаэробных герметиков для резбовых соединений.
Если соединение болтовое (т.е. сквозное), то состав наносится на саму резьбу. Если же соединение винтовое (т.е. винт вкручивается в глухое отверстие), то фиксатор заливается внутрь отверстия. Отдельным положительным моментом такого стопорения является герметизация соединения и, как следствие, дополнительная защита от воздействия окружающей среды. Метод широко применяется в автомобильной промышленности ввиду своей дешевизны.
Чтобы понимать, какой клеевой фиксатор использовать и можно ли его вообще использовать в вашем случае, необходимо знать температуру эксплуатации, материал резьбовых элементов и еще ряд факторов. Поэтому данный способ не всегда применим. Но существуют механические способы при помощи стопорных шайб. В зависимости от конструкции технология установки таких шайб может немного различаться.
Стопорно-клиновые шайбы
Стопорно-клиновые шайбы по стандарту DIN 25201 продаются в паре. С одной стороны шайбы зубья мелкие, а с другой – более крупные. Они устанавливаются сторонами с крупными зубьями друг к другу. В процессе затяжки клиновые выступы становятся в упор, а мелкие зубцы вдавливаются в сопрягаемые поверхности, и в результате образуется жесткое стопорение. Зубчатые шайбы по стандарту используют в качестве прокладок между головкой болта и деталью, а также между гайкой и деталью. Зубцы врезаются в материал и создают жесткое стопорение.
Зубья с обеих сторон имеют форму зубьев храпового колеса. Такое соединение прочное, а создаваемая сила трения многократно превосходит шайбу-гровер из-за того, что вместо одного зубца используется несколько с каждой стороны. Главный недостаток — высокая стоимость из-за сложности изготовления зубчатых колес, которых на каждое соединение надо по два с каждой стороны.
Зубчатые шайбы DIN 6798
Зубчатые шайбы по стандарту DIN 6798 используют в качестве прокладок между головкой болта и деталью, а также между гайкой и деталью. Зубцы врезаются в материал и создают жёсткое стопорение.
Многолапчатые стопорные шайбы
Многолапчатые стопорные шайбы используют совместно со шлицевыми гайками и винтовыми валами, имеющим продольный паз. Например, в двигателе автомобиля. Одну из лапок шайбы загибают и вводят в шлиц притягиваемой гайки. Таким образом, образуется жесткое соединение гайки, шайбы и вала.
Пружинные шайбы DIN 127 (гроверы)
Пружинные шайбы DIN 127 (они же гроверы) и круглые DIN 6796 стопорят соединение за счет увеличения сил трения в соединении. Они создают фрикционное стопорение за счет того, что пытаются разжаться и вернуться в исходное положение. Шайба-гровер — самый простой способ механического застопоривания гайки. Его главное преимущество — минимальная стоимость. Их используют даже в местах, где вибрация прикладывается к соединению очень редко, например, для сборки домашней мебели.
Как зафиксировать гайку от откручивания на резьбе от вибраций
В этой статье о насущном и банальном, о том, как же можно зафиксировать, закрепить, удержать гайку на резьбе, не важно будь то резьба шпильки, болта или винта.
Так как система резьбы гайка — шпилька механическая, то и ее удержания будет относится к механическим способам фиксации. На самом деле кажется, что здесь всего-то может быть ну один — два способа. Однако в моем случае легко получилось пять способов удержания гайки от откручивания. В целом, они более интересны как справочные варианты, так как о них уже давно все известно. Пожалуй есть вопросы разве что к клеевым вариантам фиксации, когда для удержания используются анаэробные фиксаторы резьбы, по факту клей застывающий без доступа кислорода. Однако об этом более подробно в другой раз, а здесь лишь о самих принципах фиксации резьбы в целом и в общем и не более.
Гровер [1]. Это нечто иное как пружинная разрезная шайба, используемая в качестве контрящего элемента. Гроверы нельзя применять на деформируемых материалах вроде алюминия и его сплавов, а также на меди или бронзе. В целом эффективность достигается за счет постоянного напряжения гровера, он является как бы маленькой пружиной.
Полимерная вставка [2]. В канавку гайки вставлена втулка из полимера, деформируется при навертывании гайки на резьбу. После затягивания полимерная вставка увеличивает трение, препятствуя возможному ослаблению соединения от тряски. Недостатком подобного крепежа является ограниченное количество операций сборки/разборки. Каждый раз при откручивании закручивании, как правило даже уже после одного раза, эффективность очень серьезно падает. Дальнейшее использование такой гайки не дает результата по ее дополнительной фиксации.
Отгибная шайба [3]. Подобные шайбы обычно изготавливают из мягкой стали и снабжают лапками — лепестками. Одну из лапок отгибают по грани, которую фиксируем от отвертывания, а другую фиксируют по возможности на стягиваемой детали. Понятно, что такие детали относятся к одноразовым.
Клей или косметический лак [4]. Из подручных средств для стопорения резьбы часто применяют лак для ногтей или клей. Основное достоинство таких приемов — простота и уверенность в том, что хуже не будет. Но указанные препараты работают не по прямому назначению, поэтому не стóит ждать от них серьезной защиты.
В качестве альтернативы лакам имеются фиксаторы резьбы. Такие фиксаторы являются ничем иным как анаэробным клеем. Зеленые обычно весьма слабенькие, синие обещают момент на откручивания порядка 5 Н*м, а красные неразборные начиная 30-45 Н*м и вплоть до фиксации, когда гайку невозможно открутить. Все зависит от производителя и технологии нанесения такого фиксатора.
Шплинт [5]. Металлический стержень вставляют в сквозное отверстие и загибают его концы. Пока шплинт на месте, гайка не открутится. Понятно, что применять шплинты можно только со специальными гайками и болтами, имеющими отверстие. Такие гайки можно часто встретить на рулевых тягах.
Гайка с контровочным буртиком. Те, кто имел дело с передними ступицами Жигулей, наверняка помнят крупную гайку, у которой тонкий буртик следовало в двух местах загнуть в пазы цапфы. Недостаток такого решения — потребность в специальной детали типа болт и довольно редкой гайке.
Контргайка. Самое примитивное решение в борьбе с самооткручиванием — контргайки. Дополнительная гайка прижимается к основной и стопорит ее. Такое решение не везде можно использовать — требуется достаточное место на резьбовой части шпильки или болта. Решение похоже на гровер (смотрите выше), когда между двумя гайками и резьбой образуется напряжение, именно оно и удерживает всю эту сборку на своем месте.