Ford и PEAK проверили, как болты держат натяг в лёгких подрамниках

Болтовое соединение может быть затянуто точно по моменту, но потерять значительную часть преднатяга уже в работе. Особенно это важно там, где детали соединения сделаны не из привычной стали, а из магниевого сплава или углепластика и регулярно нагреваются и остывают.

Ford Motor Company вместе с PEAK Innovations Engineering исследовала сохранение натяга болтов в опытных передних подрамниках из магния и углепластика. Как сообщает Fastener + Fixing, соединения проходили термоциклирование в диапазоне от −30 до 100 °C. Натяжение болтов контролировали ультразвуковым методом непосредственно в ходе испытаний; весь цикл занял около 700 часов.

Проверяли не один условный крепёжный образец, а соединения креплений нижнего рычага, ограничителя качания силового агрегата и рулевого механизма. Для такого исследования важен именно натяг болта — сила, с которой он сжимает пакет деталей после затяжки. Благодаря ей соединяемые элементы удерживаются трением и не получают нежелательной подвижности.

Шайба и ограничитель сжатия — не одно и то же

В магниевом подрамнике высокий уровень натяга сохранился при выбранном Ford материале и применении шайб для распределения нагрузки. Шайба увеличивает площадь контакта под головкой болта или гайкой: локальное давление на деталь становится меньше. Это особенно значимо для сравнительно мягких материалов и тонких стенок, где опорная поверхность крепежа не должна вдавливаться в деталь.

Но результат с углепластиком показал границу возможностей шайбы. В соединениях без металлических ограничителей сжатия отмечена существенная релаксация натяга из-за ползучести композита. Ползучесть — это постепенная деформация материала под длительной нагрузкой; при повышенной температуре она может усиливаться. Если зажатый пакет становится тоньше, болт не обязательно откручивается, но его удлинение и сила сжатия деталей уменьшаются.

Металлический ограничитель сжатия — конструктивный элемент, который принимает усилие затяжки и задаёт стабильную толщину зоны стягивания. Его нельзя заменить произвольной шайбой или просто увеличить момент затяжки. Размер, материал, посадка, момент затяжки, класс прочности болта и геометрия узла должны быть определены конструктором и подтверждены расчётом либо испытаниями конкретного изделия.

Что проверить производственному предприятию

Исследование относится к опытным автомобильным подрамникам Ford, поэтому не задаёт универсальных параметров для другого оборудования, корпуса или рамы. Но оно даёт полезную логику для ревизии температурно нагруженных узлов из лёгких материалов.

Первый вопрос для конструктора и снабжения — из чего состоит зажимаемый пакет. В спецификации стоит отдельно указать материал каждой детали, наличие покрытий, толщину и допустимую опорную поверхность. Формулировка «болт с шайбой» без размеров и типа шайбы часто недостаточна для воспроизводимой сборки.

Второй вопрос — как именно передаётся усилие затяжки. Для металлической детали шайба может распределять давление. Для композитной детали, склонной к ползучести, нужно проверить, предусмотрен ли в конструкции ограничитель сжатия и какие поверхности он связывает. Сам по себе более прочный болт не устраняет деформацию композита в зоне зажима.

Третий вопрос — температурный режим. Важны не только максимальная температура, но и число циклов, длительность выдержки, вибрация, близость источника тепла и среда эксплуатации. При необходимости контроль преднатяга включают в программу валидационных испытаний. В работе Ford и PEAK для этого применили ультразвуковые измерения с учётом влияния температуры на задержку ультразвукового сигнала.

Как сформировать заявку на крепёж

Для серийной сборки полезно оформлять потребность не названием отдельного метиза, а составом соединения: обозначение и класс болта, резьба и длина, материал и тип шайбы, гайка или резьбовая втулка, момент либо иной установленный метод затяжки, а также требования чертежа к ограничителю сжатия. Если узел проектируется заново, в заявке стоит приложить эскиз пакета деталей и описать температурный режим — это помогает не смешать в одной позиции шайбы с разной функцией.

При подборе партии крепежа перед заказом сопоставьте спецификацию узла с параметрами доступных позиций в каталоге. Выбор стандартного крепежа — лишь часть задачи: для ответственного соединения из магния, композита или другого нестандартного материала сначала нужна документация на сам узел. Результаты Ford и PEAK — хороший повод проверить, достаточно ли в спецификации описаны не только болт и момент затяжки, но и материал зажимаемых деталей, опорные элементы и сохранение преднатяга в рабочем температурном цикле.