Приложение А (справочное). Несущая способность болтовых соединений (пояснительная записка Технического комитета ИСО/ТК 2, касающаяся требований к прочности и конструкции гаек)

Приложение А
(справочное)

Несущая способность болтовых соединений
(Пояснительная записка Технического комитета ИСО/ТК 2, касающаяся требований к прочности и конструкции гаек)

После введения Рекомендаций ИСО/Р 898-1:1968, устанавливающих классы прочности для болтов и винтов, в 1969 г. были опубликованы рекомендации ИСО/Р 898-2, устанавливающие классы прочности гаек. Эти две рекомендации ИСО вместе создали новую систему классов прочности болтов, винтов и гаек, а совместно с новыми требованиями к маркировке обеспечили четкую классификацию несущей способности сборочного соединения болт - гайка.

а) для болтов и винтов символ класса прочности обозначает:

минимальный предел прочности на растяжение и коэффициент предела текучести.

Пример

Класс прочности 8.8

Первая цифра 8 равна 1/100 минимального предела прочности на растяжение в ньютонах на квадратный миллиметр (800 ).

Вторая цифра 8 равна 10-кратному коэффициенту предела текучести (0,8).

Произведение этих двух цифр (8 x 8 = 64) =1/10 минимального предела текучести в ньютонах на квадратный миллиметр (640 );

б) для гаек:

номер обозначения класса прочности равен 1/100 минимального предела прочности на растяжение в ньютонах на квадратный миллиметр для болта и винта, которые в соединении с гайкой могут быть нагружены до минимального предела текучести.

Пример

Болт или винт 8.8 - гайка 8:

данное соединение может выдерживать нагрузку до минимального предела текучести болта или винта.

После публикации обеих рекомендаций ИСО настоящая система классов прочности была успешно введена во всем мире.

В 1973 г. Подкомитет ПК1 ИСО/ТК2 начал пересмотр рекомендаций ИСО на основе опыта их применения, а также планировал перевод обеих рекомендаций в стандарты ИСО. В 1974 году был опубликован проект стандарта ИСО/ДИС 898/1 на классы прочности болтов и винтов, включающий определенные поправки и дополнения, которые, однако, не изменили принципиально систему классов прочности. Этот проект был вновь пересмотрен. Второй проект был подготовлен в 1977 г. и принят подавляющим большинством комитетов - членов ИСО. Хотя для согласования и завершения данного проекта, устанавливающего классы прочности болтов и винтов, потребовались значительные усилия, он был окончательно подготовлен к утверждению заинтересованными странами в Подкомитете ПК 1 ИСО/ТК 2 и в настоящее время согласован ИСО. Дальнейшей проработкой и совершенствованием сущности технических условий являлась работа по пересмотру варианта Рекомендации ИСО/Р 898-2 и переводу ее в стандарт ИСО на классы прочности гаек.

Накопленный опыт применения рекомендаций показал, что хотя понятие о классах прочности, связанное с номинальной высотой гайки 0,8 d просто и понятно, на практике возникают определенные трудности. Во-первых, иногда трудно или невозможно получить требуемые свойства гайки, используя наиболее экономичные материалы и методы, например, для мелких резьб и некоторых размеров крупных резьб. Во-вторых, соответствие требованиям не является необходимой гарантией того, что сборочное соединение может противостоять срыву резьбы при затяжке. Ранее считалось достаточным, если пробная нагрузка гайки была задана равной минимальному пределу прочности болта, однако разработка методов затяжки по пределу текучести и улучшение понимания взаимодействия между резьбой гайки и резьбой болта показало, что требуется изменение конструкции гаек для обеспечения увеличения сопротивления срыву как внутренней, так и наружной резьбы.

Например, считается, что действующий предел прочности на растяжение болта класса 8.8 может быть между 800 и около 965 (определено по максимальной твердости) для размеров резьбы до М16. Следовательно, предел текучести может колебаться между 640 и 772 при отношении предела текучести к пределу прочности 80%. При использовании предела текучести при затяжке будет видно, что напряжение затяжки достигает значения пробной нагрузки. Современные исследования дополнительно показали, что гайка, испытанная с закаленной оправкой, способна выдерживать более высокую нагрузку до срыва резьбы, чем при испытании с болтом соответствующего класса прочности. Например, гайка класса прочности 8 при испытании с оправкой, закаленной до твердости 45 HRC, способна выдерживать примерно на 10% более высокую нагрузку, чем при испытании с болтом класса прочности 8.8 с размерами, аналогичными оправке. Поэтому гайка, которая точно соответствует пробному напряжению 800 , испытанная с закаленной оправкой, вероятно могла бы выдерживать нагрузку примерно 720 в соединении с болтом класса прочности 8.8 минимальных размеров. Очевидно, срыв резьбы может произойти при затяжке до напряжений, превышающих указанные, и по механическим свойствам болта видно, что это может случаться часто при затяжке по пределу текучести. Можно доказать, однако, что при нагружении крутящим моментом предел прочности болта на разрыв уменьшается на 15%, но следует также иметь в виду, что усилие срыва резьбы соединения также уменьшается почти на такую же величину под действием крутящего момента. Дополнительно к введению методов затяжки по пределу текучести были рассмотрены изменения в некоторых стандартах ИСО, которые могут неблагоприятно влиять на тенденцию к срыву резьбы. Повышение механических свойств болтов и винтов, приведенное в таблице А. 1 (которое является выдержкой из ИСО 898-1), предназначалось для полного использования имеющейся прочности широко применяемых материалов для классов 4.8, 5.8, 8.8 (более М16), 10.9 и 12.9.

Таблица А.1 - Классы прочности болтов и винтов

Класс прочности		3.6	4.6	4.8	5.6	5.8	6.8	8.8		9.8	10.9	12.9
								М16	>М16
Предел	номин.	300	400	400	503	500	600	800	800	900	1000	1200
прочности на растяжение R_m, Н/мм2	не менее	330	400	420	500	520	600	800	830	900	1040	1220
Твердость по Виккерсу	не более	250HV	250HV	250HV	250HV	250HV	250HV	320HV	335HV	360HV	380HV	435HV

Другое предлагаемое изменение, рассматриваемое в настоящее время, предполагает уменьшение размеров "под ключ" для шестигранных изделий определенных размеров, чтобы получать экономию в результате оптимального использования материала. В результате этих и других факторов ряд стран - членов Подкомитета ПК 1 ИСО/ТК 2 (Канада, Германия, Нидерланды, Швеция, СК, США) провели исследования и расширенные испытания сборочных соединений гайка - болт. Испытания включали все размеры изделий, уровни прочности и материалы. В общем, испытания проводились на типовых крепежных изделиях, изготовленных из стандартных материалов. Были проведены точные измерения размеров и прочности материалов, испытываемых деталей, которые впоследствии позволили провести соответствующую статистическую обработку данных. Результаты различных исследователей были обобщены в Канаде и заложены в основу корреляции соотношений. Общие серии полученных формул можно было бы применять для предсказания прочности узла с резьбовыми компонентами с исходным профилем резьбы по ИСО 68. Эти открытия детально обсуждались Подкомитетом ПК 1 ИСО/ТК 2, а также различными национальными комитетами.

Несмотря на первоначальный отказ комитета разрешить изменения существующих технических условий, программа испытаний ясно показывала, что существует неадекватное сопротивление срыву резьбы соединения, вызванное в значительной степени усовершенствованными методами затяжки и повышением механических свойств. Проблема заключалась в срыве резьбы как болта, так и гайки, в результате чего пришли к заключению, что наиболее реальным средством решения проблемы было увеличение номинальной высоты гайки до 0,8 d там, где это требовалось. Целью настоящего приложения не является предоставление подробного описания проведенных испытаний и метода разработки конструкции гайки, которые читатели найдут в публикации [1], которая представляет суммарные результаты и приведенный метод,

Расчет гаек классов прочности 4 - 6 в соответствии с теорией Александера был основан не на максимальной твердости болта 250 HV по ИСО 898-1 (см. таблицу А.1), поскольку это может быть твердость только конца болта или головки. Поэтому было принято согласованное решение проводить расчеты на основе действительной максимальной твердости части резьбы болта, находящейся в зацеплении с гайкой по таблице А.2.

Таблица А.2 - Максимальная твердость в пределах части резьбы болта, находящейся в зацеплении с гайкой

Класс прочности	Максимальная твердость
3.6	158 HV
4.6; 4.8	180 HV
5.6; 5.8	220 HV
6.8	250 HV

Подобная градация значений твердости установлена ИСО/Р 898-1:1968.

Вышеупомянутая работа показала, что многие факторы влияют на сопротивление срыву резьбы, в том числе допуски, шаг, образование конуса на внутреннем диаметре, размер фаски в гайке, относительная прочность резьбы гайки к резьбе болта, длина рабочей части резьбы, размер под "ключ гайки" и конструкция (например, с шестигранным фланцем), коэффициент трения, число витков резьбы в зацеплении и т.д. Анализ крепежных изделий различных размеров на этой основе показал, что было бы неправильно не устанавливать определенный номинальный размер высоты гайки, например, 0,8 d, как это было раньше, а лучше бы проектировать каждое стандартное соединение с соответствующим сопротивлением срыву резьбы. В таблице А.3 показаны высоты гаек, полученные по результатам этого анализа.

Таблица А.3 - Высота шестигранных гаек

Резьба	Размер "под ключ", мм	Высота гайки
		Тип 1			Тип 2
		Не менее, мм	Не более, мм	m/d	Не менее, мм	Не более, мм	m/d
М5	8	4,4	4,7	0,94	4,8	5,1	1,02
М6	10	4,9	5,2	0,87	5,4	5,7	0,95
М7	11	6,14	6,50	0,93	6,84	7,20	1,03
М8	13	6,44	6,80	0,85	7,14	7,50	0,94
М10	16	8,04	8,40	0,84	8,94	9,30	0,93
М12	18	10,37	10,80	0,90	11,57	12,00	1,00
М14	21	12,1	12,8	0,91	13,4	14,1	1,01
М16	24	14,1	14,8	0,92	15,7	16,4	1,02
М18	27	15,1	15,8	0,88	16,9	17,6	0,98
М20	30	16,9	18,0	0,90	19,0	20,3	1,02
М22	34	18,1	19,4	0,88	20,5	21,8	0,93
М24	36	20,2	21,5	0,90	22,6	23,9	1,00
М27	41	22,5	23,8	0,88	25,4	26,7	0,99
М30	46	24,3	25,6	0,85	27,3	28,6	0,95
М33	50	27,4	28,7	0,87	30,9	32,5	0,98
М36	55	29,4	31,0	0,86	33,1	34,7	0,96
М39	60	31,8	33,4	0,86	35,9	37,5	0,96

Очевидно, что существуют два типа гаек, гайки типа 2 примерно на 10% выше, чем гайки типа 1. Высота гаек типа 1 предназначена для классов прочности 4, 5, 6, 8,10 и 12 (до М16) с соответствующими механическими свойствами, в то время как размеры гаек типа 2 предназначены для использования с классами прочности 8,9 и 12 также с соответствующими механическими свойствами. Гайки более высокого типа вначале разрабатывались как экономичные, полученные холодной обработкой для применения с болтами и винтами класса прочности 9.8, их размеры также подходили для термообработанных гаек с хорошей вязкостью для применения с болтами и винтами класса прочности 12.9. Целевое применение этих двух типов гаек дано в таблице 6, из которой видно, что этот дополнительный тип гайки не означает, что в результате потребуется в два раза больше деталей с такой геометрией.

Частичное перекрытие гаек типов 1 и 2 возможно только в двух случаях. Для гаек типа 1 класс прочности 8 допускает применение гаек без закалки и отпуска (низкоуглеродистая сталь холодной обработки) только для размеров резьбы до М16 включительно; гайки типа 1, размер резьбы которых превышает М16, должны быть закалены и отпущены. Однако в этом случае возможно альтернативное применение более высоких гаек типа 2 без закалки и отпуска. Это вопрос экономии по окончательному анализу. Нельзя применять гайки типа 1 класса прочности 12 с резьбой более М16. Из-за требуемых пробных нагрузок необходимо увеличивать твердость гайки до такой степени, чтобы ее вязкость, которая необходима с функциональной точки зрения, уменьшилась. Следовательно, в этом случае необходимы более высокие гайки типа 2 с закалкой и отпуском. При необходимости, возможно ограничивать применение этих гаек с размерами резьбы, превышающими М16 так, чтобы исключать перекрытие гаек типов 1 и 2 12-го класса прочности.

Если размеры гаек определены на основе критерия прочности соединения, то определены и пробные нагрузки для этих гаек с ограниченным размером закаленной оправки. В результате напряжения от пробной нагрузки не были постоянными для каждого класса прочности гайки, они изменялись в зависимости от размера. Соответственно в таблице 6 приведены пересмотренные напряжения от пробной нагрузки и значения твердости гаек. В таблице 6 также указаны классы прочности 04 и 05 (предварительно 06) низких шестигранных гаек с уменьшенной несущей способностью. Эти гайки в данном случае не были сконструированы для обеспечения сопротивления срыву резьбы, а просто основаны на постоянной высоте 0,6d.

Напряжения от пробной нагрузки, приведенные в таблице 6 для стандартного поля допуска 6Н, обычно применяют к гайкам общемашиностроительных крепежных соединений. При применении больших допусков или припусков эти напряжения следует модифицировать с помощью коэффициента, как показано в таблице 1.

Значения в таблице 6 относятся только к гайкам с крупной резьбой. Для гаек с мелким шагом резьбы см. таблицу 7. Эти же значения используют также для пробных нагрузок, указанных в таблице 1.

Нагрузки, приведенные в таблице 1, рассчитаны для испытательной оправки, с минимальной твердостью 45 HRC и полем допуска резьбы 5h6g (наружный диаметр 6g в последней четверти).

Стандарты на механические свойства [2], [3], на болты и винты с шестигранными головками [4], [5], [6], [7], [8], на шестигранные гайки [9], [10], [11], [12], [13], опубликовали полученные в результате пересмотра показатели механических свойств, изменения высот гаек и изменения размера "под ключ" (размеры "под ключ" гаек М10, М12, М14, М22 изменены на 16, 18, 21 и 34 мм соответственно вместо 17, 19, 22 и 32 мм) по рекомендациям ИСО/ТК 2.

Стандарт [3] устанавливает следующую формулировку, относящуюся к классам прочности гаек с полной несущей способностью:

болт или винт определенного класса прочности в соединении с гайкой соответствующего класса прочности согласно таблице 2 образует соединение, которое может быть затянуто до напряжения в болте, эквивалентного пробной нагрузке болта или пределу текучести без срыва резьбы. Кроме того, геометрические размеры и механические свойства гаек с резьбой до М39 и класса прочности до 12 с полем допуска резьбы 6Н рассчитаны такими, чтобы обеспечивать высокую степень сопротивления срыву резьбы. Если по небрежности будет допущена чрезмерная затяжка, то, по крайней мере, 10% разрушений в каждой партии произойдет не в резьбе, а в стержне болта даже при наличии самых неблагоприятных условий для материала, чтобы предупредить пользователя о несоответствии технологии монтажа соединения.

Некоторые пользователи упомянутых стандартов не могли участвовать в их детальной разработке, и мы надеемся, что настоящая пояснительная записка позволит лучше понять данный сложный вопрос.