Стопоріння

Стопорі́ння різьбових з'єднань — фіксація або запобігання мимовільному послабленню різьбового з'єднання^[1]. Це технічний термін, який описує будь який із способів утримати гайку, болт чи інший різьбовий елемент від самовільного відгвинчування в умовах вібрацій, ударів або перемінного навантаження.

Якщо сила попереднього натягу (крутного моменту), величина сили тертя і співвідношення міцності гвинта та різьбового елемента відповідають типу навантаження, що виникає, гвинтове з'єднання є самоблозаблокованим щодо самовільного відгвинчування. Різьбові з'єднання здатні ослаблятися через коливання (вібрації), змінні навантаження поперечними та поздовжніми силами, а також крутними моментами, в результаті корозії, повзучості чи усадки матеріалів. Усе це обумовлює зменшення сили попереднього натягу як основного чинника надійності кріпильного різьбового з'єднання.

Всі нарізні кріпильні деталі машин повинні бути надійно застопорені від самовідгвинчування. Недотримання цього правила призводить до найсерйозніших наслідків; відомі випадки, коли самовідгвинчування усередині механізму гайки або болта викликали важкі аварії та виводили з ладу дорогі агрегати.

Розрізняють два основних принципи стопоріння. Позитивне (жорстке) стопоріння полягає в тому, що деталь, яка підлягає стопорінню з'єднується з іншою жорстким зв'язком — стопором так, що відгвинчування застопореної деталі неможливе без зрізання, руйнування або деформації стопора. До цього способу належить стопоріння шплінтами, відгинними шайбами або пластинками, зв'язувальним дротом тощо.

До позитивного можна віднести і глухе стопоріння, яке застосовують у випадках, коли гайку на болті встановлюють назавжди. Існують різні способи глухого стопоріння: повне або часткове зварювання (паяння) гайки і болта, розкернювання, розклепування або розвальцьовування, обтиснення подовженого «коміра» гайки, розклинення кінця болта конічним штифтом тощо.

Інший спосіб полягає у створенні підвищеного тертя між стопоримою і стопорною деталями; цей спосіб називають фрикційним стопорінням. До нього належить стопоріння контргайками, пружними підкладним шайбами (шайбами Гровера), самостопорними гайками тощо. Фрикційне стопоріння не таке надійне, як позитивне; завжди існує небезпека зменшення сили тертя і, як наслідок, ослаблення з'єднання. З цієї причини в усіх відповідальних з'єднаннях та в з'єднаннях, що знаходяться усередині машини, застосовують лише позитивне стопоріння (переважно шплінтом). Менш відповідальні з'єднання, ослаблення яких не може спричинити аварії машини, а також зовнішні (доступні для спостереження) з'єднання допускається стопорити фрикційним способом. Однак у цьому випадку необхідний періодичний контроль з підтягуванням ослаблих з'єднань.

Різновидом фрикційного стопоріння є пружне стопоріння, яке полягає в тому, що у з'єднання вводять пружний елемент для постійного підтримування натягу в системі. Чим більшою є піддатливість системи, тим надійнішим є фрикційне стопоріння: сила тертя між стопоримою і стопорною деталями буде підтримуватися навіть за появи деяких залишкових деформацій, вібрації, пульсацій навантаження тощо. При стопорінні контргайками система майже не має пружної податливості, при стопорінні шайбами Гровера (пружинними шайбами) володіє невеликим запасом пружності.

Існують і змішані способи стопоріння, в яких поєднуються принципи позитивного і фрикційного стопоріння. Такий, наприклад, випадок зубчастих шайб. Тут стопоріння здійснюється частково підвищеним тертям в різьбі внаслідок пружної деформації шайби при затягуванні і частково створенням жорсткого зв'язку між гайками і корпусом в результаті врізання зубів шайби в торець гайки та опорну поверхню корпусу.

Гайку можна стопорити на болт і на корпус чи деталь, що кріпиться. Розрізняють такі випадки схем стопоріння: 1. Гайка утримується за різьбу болта. При цьому способі між нитками різьби гайки і болта тими чи іншими прийомами створюють підвищене тертя, що збільшує зчеплення між гайкою та болтом. До даного способу відносять, наприклад, стопоріння за рахунок натягу в поєднанні, контргайками, пружними підкладним шайбами, самостопорними пружними гайками тощо. 2. Гайка утримується за тіло болта. При цьому способі застосовують стопор, який одночасно входить в отвори або виїмки в тілі болта і гайки. До даного способу належить стопоріння шплінтами, шайбами з відгинними лапками тощо. Цей спосіб стопоріння зазвичай реалізується за принципом позитивного стопоріння. 3. Гайка утримується за корпус. При цьому способі створюють жорсткий або пружний зв'язок між гайкою і деталлю (корпусом), що кріпиться, або встановленими на ній елементами. До даного способу відносять, наприклад, стопоріння гайок пелюстковими шайбами з відгином пелюсток на гайку і на корпус, стопоріння незалежно закріпленими пластинами з вирізами під гайку, в'язку гайок дротом тощо. При цьому способі обов'язковою є одночасна фіксація болта від провертання відносно корпусу; інакше можливе самовільне вигвинчування болта з гайки. Для болтів і шпильок застосовні всі можливі способи стопоріння: фрикційного, позитивного з фіксацією гайки на тіло болта або шпильки, позитивного з фіксацією гайки на корпус. Для вкрутних у тіло деталі болтів можливим є фрикційне і позитивне стопоріння болта на корпус.

У всіх випадках доцільно збільшувати пружну піддатливість болта. Це підвищує надійність стопоріння, сприяючи збереженню постійного натягу в з'єднанні. З'єднання з короткими жорсткими болтами швидко слабшають в експлуатації, оскільки залишкові деформації, що неминуче виникають з часом у різьбі і на опорних поверхнях, є співмірними з пружним подовженням болта, досягнутим при затягуванні; підтримувати постійний натяг у з'єднаннях такого типу неможливо, особливо в умовах коливань, вібрацій чи пульсації навантаження. Не допомагає в даному випадку і позитивне стопоріння, шплінти лише запобігають втраті болта або гайки, з'єднання ж з плином часу все одно слабшає й робиться непрацездатним.

У тих випадках, коли застосування коротких жорстких болтів продиктовано необхідністю (наприклад, випадок кріплення відокремлених листових елементів рам, облицювань тощо), доводиться вдаватися до періодичного огляду і підтяжки ослаблих з'єднань (регулярна підтяжка всіх болтових з'єднань шасі з корпусом автомобіля). Шплінтування гайок у даному випадку не застосовують, тому що воно лише ускладнює підтягування. Раціональне рішення завдання полягає у збільшенні податливості системи. Довгі тонкі пружні болти можуть утримувати гайку від самовідгвинчування; шплінтування у даному випадку є додатковим заходом забезпечення надійності.

Застосування довгих болтів, проте, далеко не завжди можливе через габаритні умови; в цих випадках вдаються до встановлення спеціальних пружних елементів. Аналогічний результат дає і підвищення пружності деталей, що скріпляються. Подібні конструкції, зрозуміло, можуть бути застосовані лише у разі якщо деталі виготовлені з міцного матеріалу з високим модулем пружності. З метою виключення перезатяжки з'єднання вводять обмежувачі. Величина затягування вданому випадку визначається розміром зазору, обраного при затягуванні.

Гайки, що працюють під постійним натягом сильних пружин є застопореними за фрикційним принципом. Однак при роботі в умовах вібрацій або під динамічним навантаженням доцільно додатково стопорити гайку ще й іншим способом.

Стопоріння контргайками застосовують відносно рідко внаслідок недостатньої надійності такої реалізації стопоріння. Цьому способу властивий і інший недолік: при затягуванні контргайка, витягуючи болт, бере на себе все навантаження, у той час як основна гайка розвантажується. Це змушує іноді застосовувати зворотну схему: контргайку розташовують під основною гайкою, що забезпечує сприятливіший розподіл сил. Іноді контргайку роблять однієї висоти з основною гайкою.

Контргайки незамінні у тих випадках, коли потрібна безступінчаста фіксація положення гайки на болті, особливо при значному переміщенні гайки уздовж болта. Часто застосовують стопоріння контргайками у вузлах регулювання осьового натягу підшипників кочення.

Стопоріння шплінтом^[2] (шплінтування) гайок — надійний і дуже поширений спосіб стопоріння, що застосовується в найбільш відповідальних вузлах.

У сучасних конструкціях у верхній частині гайки роблять пази (зазвичай шість — за кількістю граней гайки) з глибиною, істотно більшою від діаметра d шплінта — такі гайки ще називають «корончастими». Шплінти, виконані з дроту напівкруглого перетину, вводять в один з пазів гайки і в поперечний отвір у верхній, ненавантаженій, частині болта; кінці шплінта відгинають.

Застосовують два способи встановлення шплінтів. При першому способі шплінти встановлюють площиною кільця (вушка) паралельно до осі болта; кінці шплінта відгинають: один на грань гайки, другий на торець болта. При другому способі шплінти встановлюють площиною кільця перпендикулярно до осі болта; кінці шплінта відгинають на межі гайки (на рисунку праворуч).

Перший спосіб застосовують частіше, тому що він забезпечує зручність монтажу і компактність конструкції. Проте другий спосіб розширює межі шплінтованості.

Гайки з шістьма пазами допускають можливість стопоріння через кожні 60° повороту гайки. При кроці різьби ~ 1,5 мм це відповідає розтягуванню болта на 0,25 мм; регулювання сили затягування, як видно, виходить дещо грубим.

Для зменшення дискретності фіксації в болті іноді свердлять два взаємно перпендикулярних отвори. У цьому випадку гайка може бути застопорена через кожні 30° повороту. Максимально можливе осьове переміщення гайки уздовж болта між крайніми положеннями стопоріння становить t = h-d (де h — глибина паза; d — діаметр шплінта). Для збільшення меж шплінтованості отвори зміщують відносно один одного на величину s = h—d (не більше). Цей спосіб застосовують при довгих болтах, розтягування яких при закручуванні гайки може досягати значної величини (0,5 мм і більше). Іноді застосовують спосіб шплінтування, при якому паз виконують на кінці болта, а отвір — в гайці.

Шплінти виготовляють з м'якої сталі і після одноразового використання замінюють новими. На практиці застосовують і постійні пружні шплінти з загартованої сталі. Кінці пружних шплінтів оснащують зубчиками, які надійно фіксують шплінт після його встановлення.

Шайби з 2-ма лапками згідно з DIN 463

Шліцьова гайка (ліворуч), стопорна шайба з лапками (посередині) та затискна втулка (праворуч) до…

… і після складання

Поширеним способом позитивного стопоріння є стопоріння шайбами з лапками, що відгинаються^[3][4]. Шайби з лапками виготовляють з м'якої листової сталі. При установці шайби під гайку одну з лапок фіксують на скріплюваній деталі (найчастіше відгином на відповідний уступ кріпильного фланця), іншу відгинають на грань гайки. Виходить жорсткий зв'язок між гайкою і деталлю, що закріплюється (стопоріння на корпус).

Крім відгинання на фланець, практикують й інші способи фіксації шайби на скріплюваній деталі, користуючись для цього будь-якими відповідними елементами деталі, що знаходяться поблизу гайки. Іноді фіксуючі елементи доводиться створювати штучно: лапку заправляють у спеціально пророблений поблизу гайки отвір, або надягають її на спеціально призначений для цієї мети штифт, або фіксують сусіднім болтом.

Фіксація стопорними шайбами застосовна для вкрутних болтів і для гайок, що накручуються на шпильки. При стопорінні гайок, що накручуються на болти, необхідна одночасна фіксація головки болта від провертання. При стопорінні лише гайки болт може викрутитися із застопореної гайки. Фіксація стопорної шайби на корпусі має бути надійною і жорсткою.

Шайби часто виконують без лапок, у вигляді круглих, овальних або прямокутних пластинок. Фіксація шайби на корпусі і гайці в даному випадку досягається відгином країв пластинок, іноді з вирубкою частин для відгинання, що дозволяє стопорити безступінчасто. Шайби з лапками — стопори разового застосування. При кожній перетяжці з'єднання шайби замінюють новими.

Стопоріння пружними шайбами засноване на створенні постійних сил тертя у різьбі і на торці гайки. У даному випадку поєднується принцип стопоріння гайки «на болт» і «на корпус».

Сили тертя перешкоджають відгвинчуванню гайки при вібрації, пульсації сил, що діють на з'єднання, а також при появі залишкових деформацій у системі (наприклад, при зминанні опорних поверхонь). Чим більша пружність шайби, тим надійніше стопоріння. За винятком особливих випадків,пружні шайби встановлюють так, щоб при остаточному затягуванні забезпечувався жорсткий упор гайки в опорну поверхню деталі, що стягується.

Проста і часто застосовувана (хоча далеко не найбільш досконала) форма пружного стопоріння — розрізна пружинна шайба — шайба Гровера (іноді називають просто «гровером»). Шайба являє собою виготовлене з загартованої сталі кільце з косим розрізом під кутом ~ 15° до осі кільця. Нахил розрізу робиться лівим для правої різьби і правим для лівої різьби. Кінці шайби злегка розведені і забезпечені гострими крайками. При затягуванні кільце стискається, кромки врізаються в тіло гайки і в опорну поверхню, забезпечуючи стопоріння гайки «на корпус». Врізання помітно виражена в тому випадку, коли опорні поверхні мають не занадто високу твердість (НВ < 300). У випадку твердих металів (загартована, азотована сталь тощо) діє тільки чисто пружне стопоріння, чому надійність стопоріння знижується. Неприпустимим є встановлення шайб Гровера на поверхнях м'яких металів (наприклад, литі алюмінієві і магнієві сплави): зубчики шайб псують такі поверхні. Застосування сталевих підкладних шайб зводить нанівець стопорний ефект врізання зубчиків в тіло корпусу. Нижня межа застосування шайб Гровера — метали з твердістю НВ > 150.

Для роботи з'єднання як пружної системи байдуже, де встановлена шайба: під гайкою або під головкою болта, або одночасно під гайкою і болтом в останньому випадку пружні деформації системи зростають удвічі. Основний недолік шайби Гровера полягає в тому, що від збільшення перерізу кільця в ширину і в висоту зростає пружна сила, що створюється шайбою, але не підвищується пружна деформація. Інший суттєвий недолік — неминучість виникнення позацентрового прикладання сили затягування, викликана тим, що сила затягування передається від гайки (та опорної поверхні) більшою мірою на ділянці розташування храпових зубчиків, ніж на решті частині кола.

Кращими в цьому відношенні є пружинні шайби циліндрично вигнуті або хвилясті. Шайби затягують до розплющування, що забезпечує жорсткий упор гайки в опорну поверхню і можливість затягування болта великою силою. Для збільшення пружності шайби можуть мати радіальні прорізи. Застосовують установку шайб одночасно під гайку і під головку болта. Для зручності монтажу пружні шайби іноді вмонтовують у гайку з'єднанням, яке забезпечує можливість провертання гайки відносно шайби.

При цьому способі під гайку підкладають шайби, виконані з загартованої сталі і забезпечені зубчиками. Форма зубчиків така, що вони, не заважаючи загвинчуванню гайки, перешкоджають її відгвинчуванню, врізаючись своїми гострими гранями в торець гайки і в опорну поверхню корпусу і діючи на зразок храпових собачок (звідки і виникла друга назва «храпові» для цих шайб)^[5][6]. Зубці на шайбі можуть виконуватись як по її зовнішньому периметру, так і по периметру отвору або по обох периметрах.

Разом з тим зубцям, а іноді й шайбі в цілому надають заданої пружності, завдяки якій описаний ефект зберігається і при невеликому ослабленні затяжки, а також при вібрації чи пульсації сил, що діють на з'єднання. Отже, стопоріння здійснюється частково за принципом пружного стопоріння, частково за принципом жорсткого зв'язку між гайкою і корпусом; гайка стопориться і «на болт» і «на корпус».

Для спрощення монтажу зубчасті шайби іноді кріплять на торці гайки.

Зубчасті шайби не застосовують, якщо деталь, яка кріпиться, виготовлена з м'якого (алюмінієві і магнієві сплави) або з дуже твердого металу (загартована сталь). У першому випадку шайби псують поверхню деталі, у другому — ефективність стопоріння значно знижується: залишається лише пружинний ефект, а храповий зникає. Доцільна область застосування храпових шайб — деталі з твердістю в межах НВ 250—300.

У багатьох випадках застосовують стопоріння гайок за допомогою дроту. Дріт пропускають через отвір в гранях гайки, що підлягає стопорінню, і через отвір в суміжній гайки або в якомусь прилеглому елементі деталі чи в спеціально встановленому елементі (гвинт, штифт тощо). Кінці дроту скручують плоскогубцями.

Операцію свердління отворів у гайках виконують у спеціальних пристосуваннях. Зазвичай свердлять три отвори, рідше шість. При такому способі стопоріння збільшення числа отворів не має сенсу, тому що правильна в'язка може бути здійснена при великому куті повороту гайки; на відміну від більшості інших позитивних способів стопоріння в'язання дозволяє здійснити практично безступінчасту кутову фіксацію гайки.

Існує також спосіб в'язання дротом через пази корончатої гайки і отвір у болті. Цей спосіб забезпечує, з одного боку, фіксацію гайки на болті, з іншого — фіксацію болта відносно корпусу. Отвори під в'язку у головках болтів зазвичай свердлять перпендикулярно у гранях.

При в'язанні треба дотримуватись такого правила: натяг, що виникає при скручуванні дроту, повинен створювати крутний момент, що спрямований в бік закручування стопоримої гайки. При протилежному напрямку в'язання дріт не запобігає самовідгвинчуванню гайки, навпаки, з'являється момент, що сприяє відгвинчуванню гайки. Стопоріння виходить ненадійним і у разі відсутнього напрямку натягу скрученого дроту.

Правильно сконструйовані самостопорні гайки повинні відповідати таким умовам:

• стопоріння гайки повинно бути надійним;
• конструкція повинна забезпечувати легке закручування гайки аж до останньої стадії затягування;
• конструкція не повинна перешкоджати повному затягуванню з'єднання;
• конструкція повинна допускати багаторазове застосування гайки;
• конструкція повинна допускати застосування стандартних ключів;
• конструкція повинна допускати застосування механізованих способів загвинчування (за допомогою гайковертів тощо).

Зазвичай, дія самостопорних гайок базується на принципі фрикційного стопоріння, тобто створення підвищеного тертя у витках різі. Найдосконалішими є гайки, у яких підвищене тертя створюється лише наприкінці затягування. У конструкціях подібного роду більшою чи меншою мірою використовують пружні властивості матеріалу гайки, тому майже всі самостопорні гайки потребують термообробки.

Найбільш простий спосіб збільшення тертя — це застосування посадок з натягом для різьбових деталей або різьб з різним кроком у гайки і на болті. У першому випадку загвинчування деталей важко, і тому цей спосіб застосовують переважно в глухих з'єднаннях (наприклад, при встановленні шпильок в корпуси) або в тих випадках, коли необхідно фіксувати гайку в осьовому будь-якому положенні на стержні.

Самостопорні гайки з конічними опорними поверхнями, що ґрунтуються на принципі стиснення різі (а також створення підвищеного тертя на опорних поверхнях наприкінці затягування), застосовують в даний час рідко в силу наступних притаманних їм недоліків:

• необхідність спеціальної обробки посадкових поверхонь у корпусах;
• створення додаткових напружень розтягнення у корпусах; небезпеки зминання конічних опорних поверхонь у корпусах (особливо при малих кутах конуса);
• неможливості у ряді випадків (особливо при розрізних конусах) повного затягування з'єднання внаслідок передчасного защемлення різьби на ділянці розташування конуса.

Найпростіший спосіб збільшення тертя в різьбі до кінця затягування шляхом деформації останніх (по ходу закручування гайки) витків різі (наприклад, кернуванням). Недолік цього способу — відсутність пружності, необхідної для підтримки натягу в різьбі за всіх умов роботи.

Бувають самостопорні гайки з подовженою коронкою, цілою або розрізною, яка при виготовленні обжимається. При нагвинчуванні гайки в момент, коли нарізна частина болта входить в обтиснену ділянку, в різьбі виникає підвищене тертя. Гайки з розрізними коронками забезпечують більш надійне стопоріння завдяки пружності пелюсток коронки.

Застосовують також самостопорні гайки, дія яких заснована на відомому явищі самозатягування пружного витка при обертанні його по болту (цей принцип використовують в деяких конструкціях коліс вільного ходу). У верхньої частини гайки за допомогою прорізу утворений виток, скріплений з тілом гайки короткою перемичкою; кінець витка зміщений до центру гайки для створення початкового натягу. При закручуванні гайки виток не перешкоджає обертанню; при відгвинчуванні виникає підвищене гальмівне тертя.

У деяких випадках для машин, що працюють в закритих приміщеннях без трясіння і поштовхів, зовнішні кріпильні деталі спеціально не стопорять, а фіксують лакофарбовими покриттями, що наносяться на поверхню обладнання. Спосіб цей, зрозуміло, не може гарантувати надійного стопоріння; все ж таки він запобігає самовідгвинчуванню кріпильних деталей.

Застосування сучасних покриттів на основі синтетичних смол (зокрема, кремнійорганічних), що створюють на поверхні машини міцну, еластичну плівку, стійку проти зовнішніх впливів, що значно підвищує надійність цього способу стопоріння. Особливо міцне зчеплення між деталлю, яка стопориться, і корпусом виходить у випадку, коли матеріал покриття затікає в кільцевий зазор між кріпильною деталлю і корпусом, встановлених урівень.

• Иосилевич Г. Б., Строганов Г. Б., Шарловский Ю. В. Затяжка и стопорение резьбовых соединений. Справочник. — М.: Машиностроение, 1985. — 224 с.
• Орлов П. И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. В 2-х книгах. Кн.1-2. Изд. 3, испр. Машиностроение, 1988. — 1104 с.
• Колибашкін С. О. Методи стопоріння різьбових з'єднань / С. О. Колибашкін, О. П. Полешко // Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих вчених та студентів «Інновації молоді–машинобудуванню». Секція «Лазерна техніка та фізико-технічні технології», м. Київ, 19 квітня 2016. — Київ: НТУУ «КПІ». — 2016. — С. 11-12.