Гайки и болты: как держать их крепко

Не будет преувеличением сказать, что без гаек и болтов мир развалится. Болтовые соединения есть повсюду: от рамы вашего 3D-принтера DIY до гаек, удерживающих колеса вашего автомобиля. Хотя в последнем случае наказание за неудачу, безусловно, выше, чем в первом, самоотвинчивание гаек и болтов редко бывает полезным. Инженеры придумали десятки способов сделать так, чтобы мир не развалился, и некоторые из них работают лучше других. Давайте рассмотрим некоторые из этих методов и выясним, какие из них работают, а какие нет, и, возможно, в процессе мы узнаем немного о том, как работают эти замечательные застежки.

Существует множество способов выхода из строя болтового соединения, но саморасшатывание, вызванное вибрацией, пожалуй, самый коварный. Любой, кто когда-либо стучал по застрявшему болту или использовал ударный гаечный ключ, чтобы открутить ржавую гайку, знает, что вибрация действительно помогает. Введите тот же шарнир в эксплуатацию и подвергните его нужной вибрации, и есть большая вероятность, что соединение самоосвободится и приведет к выходу соединения из строя.

В 1960-х годах немецкий инженер Герхард Юнкер изучал саморазвинчивание и пришел к выводу, что причиной выхода из строя болтовых соединений являются поперечные вибрации. Он разработал простое испытательное устройство, которое обеспечивало быстрые поперечные вибрации и одновременно контролировало предварительное натяжение крепежа с помощью тензодатчика. Графическое представление предварительной нагрузки как функции количества циклов вибрации дало представление об эффективности различных методов фиксации. Этот тест стал известен как тест Юнкера и, как стандарт DIN 65151, остается золотым стандартом тестирования самоотвинчивания.

Есть несколько интересных видеороликов, показывающих испытания Юнкера в действии, а некоторые просто пугают. Обычно мы надеваем простую винтовую пружинную шайбу на шпильку или болт, аккуратно и плотно затягиваем гайку и заканчиваем, чувствуя, что мы создали надежное соединение. Но ничто не может быть дальше от истины. Фактически, видео ниже показывает, что стопорные шайбы не только очень мало обеспечивают безопасность болтовых соединений, но и ни один из других распространенных методов — простые шайбы, нейлоновые вставные гайки и многослойные гайки — также не оказывают особой помощи.

Очевидно, что видео выше предназначено для продвижения модных клиновых шайб компании, и совершенно очевидно, что они работают хорошо. Но почему они работают, когда простая стопорная шайба выходит из строя? Чтобы ответить на этот вопрос, стоит посмотреть, что еще работает, то, что не было проверено на видео, — правильно установленная контргайка.

Контргайка — это низкопрофильная гайка, обычно примерно половина высоты стандартной гайки, которая устанавливается под большей гайкой. Когда контргайка установлена, она затягивается примерно на четверть-половину полного окончательного крутящего момента. Следующей устанавливается толстая гайка и затягивается до конечного значения, при этом контргайка удерживается на месте гаечным ключом. Это эффективно протянет болт вверх через контргайку. Резьба болта затем соприкасается с верхними боковыми сторонами резьбы внутри контргайки, одновременно контактируя с верхними или нажимными боковыми сторонами верхней гайки. Поскольку верхняя и нижняя гайки оказывают на болт противоположные силы, вероятность самоотвинчивания гаек гораздо ниже.

Аналогичный механизм действует и в клиновых стопорных шайбах. Две половинки шайбы имеют сцепляющиеся клинья, угол которых превышает шаг резьбы болта. Когда болт затягивается, шайбы с более высоким шагом тянут болт обратно вверх, создавая противодействующую силу, которая заклинивает резьбу и предотвращает самоослабление крепежа.

Если мы посмотрим на все неудачные методы блокировки, у них всех будет что-то общее: все они основаны на трении. Контргайки и клиновые стопорные шайбы создают натяжение, противодействуя поперечным вибрациям, которые приводят к самоотвинчиванию, и поэтому гораздо более эффективны.

Конечно, существуют и другие способы фиксации резьбовых соединений. На ум приходят клейкие фиксаторы резьбы, а также более сложные методы, такие как проволочные гайки и шайбы с выступами, и они могут быть очень эффективными. Но благодаря низкой стоимости и простоте установки трудно превзойти простую контргайку, которая удержит мир от развала.