Болтовое соединение¶

Болтовое соединение — это разъёмное резьбовое соединение деталей, осуществляемое с помощью болта, гайки и, как правило, шайбы. Относится к классу механических соединений и является одним из наиболее распространённых и стандартизированных видов крепежа в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности. Основное отличие болтового соединения от винтового заключается в том, что болт имеет гладкую цилиндрическую часть (стержень) и резьбу только на одном конце, а для затяжки используется гайка, навинчиваемая на резьбовой конец.

¶История

Прообразы болтовых соединений известны с древних времён, когда для скрепления деревянных конструкций использовались деревянные стержни с клиньями. Металлические резьбовые крепёжные изделия стали появляться в эпоху Возрождения. Первые упоминания о винтовой резьбе в Европе относятся к XV веку, однако массовое производство болтов и гаек стало возможным только с развитием металлообработки и станкостроения в XIX веке.

Ключевым этапом стало изобретение в 1841 году английским инженером Джозефом Уитвортом (Joseph Whitworth) стандарта резьбы, который впоследствии лёг в основу британской системы. В 1864 году американец Уильям Селлерс (William Sellers) предложил свой стандарт, который отличался углом профиля (60° вместо 55°). В 1905 году в России был введён первый единый стандарт на резьбу — резьба Витворта. В XX веке, с развитием международной торговли и стандартизации, появились метрическая резьба (ISO) и дюймовая резьба (UNC, UNF). В СССР и современной России основным стандартом является метрическая резьба по ГОСТ 24705-2004.

¶Классификация болтовых соединений

Болтовые соединения классифицируются по нескольким признакам.

¶По типу болта

Стандартные болты — с шестигранной головкой под гаечный ключ (наиболее распространённый тип). Выпускаются с нормальной, уменьшенной или увеличенной головкой.
Болты с полукруглой головкой — используются для декоративных целей или в местах, где выступающая головка нежелательна.
Болты с потайной головкой — применяются, когда требуется гладкая поверхность без выступающих частей.
Откидные болты — имеют шарнирную головку, позволяющую быстро откидывать деталь без полного вывинчивания.
Фундаментные болты — предназначены для крепления машин и оборудования к фундаменту. Имеют длинный стержень и специальную форму головки (например, крюк или лапу).
Высокопрочные болты — изготавливаются из легированных сталей и проходят термическую обработку. Используются в ответственных конструкциях (мосты, краны, высотные здания).

¶По классу прочности

Для болтов из углеродистых сталей класс прочности обозначается двумя числами, разделёнными точкой (например, 4.6, 5.8, 8.8, 10.9, 12.9). Первое число, умноженное на 100, даёт номинальное временное сопротивление разрыву (в МПа), а произведение первого и второго чисел, умноженное на 10, — предел текучести. Например, для болта класса 8.8: временное сопротивление — 800 МПа, предел текучести — 640 МПа. Болты классов 8.8 и выше считаются высокопрочными.

¶По точности изготовления

Болты нормальной точности — имеют зазор между стержнем и отверстием. Наиболее распространены в общем машиностроении.
Болты повышенной точности — стержень обработан с высокой точностью, и соединение может работать без зазора (например, в авиации).
Болты грубой точности — используются в неответственных конструкциях, например, в деревянных строениях.

¶Устройство и элементы

Основными элементами болтового соединения являются:

Болт — цилиндрический стержень с резьбой на одном конце и головкой на другом. Головка может иметь различную форму (шестигранная, квадратная, круглая, потайная и др.).
Гайка — деталь с внутренней резьбой, навинчиваемая на резьбовой конец болта. Обычно имеет шестигранную форму.
Шайба — деталь, устанавливаемая под головку болта или под гайку. Выполняет несколько функций:

Увеличивает площадь опорной поверхности, предотвращая смятие материала детали.
Предотвращает самоотвинчивание (пружинная шайба, гровер).
Обеспечивает равномерное распределение нагрузки.
Защищает поверхность детали от повреждений при затяжке.

В некоторых случаях используются дополнительные элементы: контргайки, шплинты, стопорные шайбы, клеевые фиксаторы резьбы.

¶Принцип работы и расчёт

Болтовое соединение работает за счёт силы трения, возникающей между стержнем болта и стенками отверстия, а также между головкой болта/гайкой и поверхностью соединяемых деталей. При затяжке болт растягивается, а детали сжимаются. Сила затяжки создаёт осевое усилие, которое прижимает детали друг к другу.

Расчёт болтового соединения включает определение:

Необходимого усилия затяжки — зависит от требуемой силы трения и внешней нагрузки.
Прочности болта — на растяжение, срез и смятие.
Усилия на ключе — крутящего момента, необходимого для создания заданного усилия затяжки.

Для ответственных соединений (например, в мостостроении) применяется метод контроля затяжки по моменту, по углу поворота гайки или по натяжению болта (с помощью динамометрических ключей или гидравлических натяжителей).

¶Применение

Болтовые соединения используются практически во всех отраслях промышленности и строительства:

Машиностроение — сборка корпусов, двигателей, станков, автомобилей, самолётов.
Строительство — монтаж металлических конструкций (фермы, колонны, балки), крепление оборудования, сборка опалубки.
Мостостроение — соединение элементов пролётных строений, опор. В этой сфере широко применяются высокопрочные болты с контролируемой затяжкой.
Энергетика — крепление турбин, генераторов, трубопроводов.
Бытовая техника и мебель — сборка корпусов, крепление деталей.
Железнодорожный транспорт — крепление рельсов, стрелочных переводов, элементов подвижного состава.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

Разъёмность — возможность многократной сборки и разборки без повреждения деталей.
Простота монтажа — не требует специального оборудования (кроме ключей).
Взаимозаменяемость — стандартизированные размеры позволяют легко заменять болты и гайки.
Высокая надёжность — при правильном расчёте и монтаже выдерживает большие нагрузки.
Возможность регулировки — усилие затяжки можно контролировать.

¶Недостатки

Ослабление при вибрации — без дополнительных мер (стопорение) болт может самоотвинтиться.
Концентрация напряжений — в местах перехода резьбы в стержень и под головкой возможны трещины.
Коррозия — резьба и стержень подвержены коррозии, особенно в агрессивных средах.
Большая масса — по сравнению со сварными или клёпаными соединениями.
Необходимость доступа с двух сторон — для затяжки гайки требуется доступ к обеим сторонам соединения.

¶Интересные факты

Самый большой болт в мире (по состоянию на 2020-е годы) имеет диаметр около 1 метра и длину более 10 метров. Он используется в горнодобывающей промышленности.
В авиации и космонавтике применяются болты из титановых сплавов, которые при равной прочности легче стальных на 40–50%.
Для предотвращения самоотвинчивания в вибронагруженных конструкциях часто используют болты с мелкой резьбой (шаг резьбы меньше стандартного).
В России действует более 50 ГОСТов, регламентирующих конструкцию, размеры, материалы и методы испытаний болтов, гаек и шайб.

¶Источники

ГОСТ 24705-2004 «Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба метрическая. Основные размеры»
ГОСТ Р 52627-2006 «Болты, винты и шпильки. Механические свойства и методы испытаний»
Орлов П. И. «Основы конструирования: Справочно-методическое пособие» — М.: Машиностроение, 1988.
Феодосьев В. И. «Сопротивление материалов» — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007.
Справочник конструктора-машиностроителя / под ред. В. И. Анурьева — М.: Машиностроение, 2001.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →