Главная›Технический справочник›Ослабление болта

Отказы и качество

Почему болт ослаб: два механизма и способы стопорения

📅 2026-10-13📖 ~14 мин📚 Источник: DIN 65151, VDI 2230, Fastener Joint Design Handbook

#Ослабление#Стопорение#Вибрация#Сборка

1. Короткий ответ: «болт ослаб» — это два разных отказа

Когда сборочная линия сообщает, что «болт ослаб», обычно следующим предложением звучит «поставим пружинную шайбу». Но если никто не установил, какой именно это вид ослабления, такой шаг с большой вероятностью окажется напрасной тратой денег.

Резьбовые крепёжные изделия ослабевают по двум различным механизмам:

Тип	Что происходит на самом деле	Типичная причина	Действенная мера
Ослабление за счёт релаксации (потеря предварительной затяжки)	Усилие зажима падает, но гайка не поворачивается относительно болта	Пластическое смятие контактных поверхностей (потеря на смятие), ползучесть, релаксация напряжений при высокой температуре	Сохранить упругость, противостоять релаксации: увеличенная опорная площадь, длинные болты или болты с уменьшенным стержнем, упругие элементы, работающие в рабочей точке, повторная затяжка при необходимости
Поворотное ослабление	Резьбовая пара поворачивается относительно себя, усилие зажима падает до нуля, и гайка может отвинтиться	Микроскопическое вращение, накапливающееся при поперечном скольжении стыков	Противодействовать поперечному смещению: увеличенный размер или повышенная затяжка, развёрнутые отверстия или штифты, клиновые стопорные шайбы, гайки с гарантированным моментом, предварительно нанесённый фиксатор резьбы

Оба вида отказа заканчиваются тем, что соединение «больше не зажимает», но в одном случае деформируется материал, а в другом поворачивается деталь. Добавить упругий элемент при поворотном ослаблении или нанести фиксатор резьбы при релаксации — хрестоматийные примеры неверного средства.

Ниже оба механизма разобраны по отдельности, а в конце приведена последовательность поиска причины на производстве.

2. Почему при статической нагрузке ослабления нет: самоторможение и критерий 0,8T

Обычная резьба при статической нагрузке по своей природе устойчива, и причин две:

Самоторможение резьбовой пары: угол подъёма витка ψ меньше приведённого угла трения ρ′ резьбовой пары, поэтому наклонную плоскость невозможно сдвинуть обратно.
Трение на опорной поверхности: после затяжки между гайкой (или головкой болта) и соединяемой деталью либо шайбой сохраняется трение.

Отсюда практический статический критерий: при предварительной затяжке Q_p удерживающий момент, препятствующий повороту гайки, приблизительно равен

T′ ≈ 0,8 T

где T — момент затяжки. Смысл прост: для соединения, затянутого моментом T, ослабления не произойдёт, пока внешний отвинчивающий момент, приложенный к гайке или головке болта, не превышает 0,8T.

Но у этого критерия есть предварительное условие — стабильность коэффициента трения. При переменной нагрузке, вибрации и ударах коэффициент трения резьбовой пары резко падает, сопротивление трению на боковых поверхностях витков и на опорной поверхности на мгновение исчезает, и формула сразу теряет силу: резьбовая пара перестаёт удовлетворять условию самоторможения, появляется микроскопическое относительное скольжение, и гайка начинает поворачиваться. Достаточно повторить это много раз, и соединение ослабнет.

Поэтому следует помнить одно: самоторможение действует только при статической нагрузке. Как только появляется вибрация, хрестоматийное условие самоторможения перестаёт определять поведение соединения.

3. Настоящая причина — поперечное скольжение, а не осевая вибрация

«Болт разболтался от тряски» — верно лишь наполовину. Значение имеет направление вибрации.

Направление вибрации	Влияние на ослабление	Причина
Осевое (вдоль оси болта)	Практически не ослабляет	Оно изменяет силу прижатия контактных поверхностей, но не вызывает бокового скольжения; при осевой переменной нагрузке соединение выдерживает чрезвычайно большое число циклов без заметного ослабления
Поперечное (перпендикулярно оси болта)	Наиболее разрушительное	Две соединяемые пластины смещаются друг относительно друга и в один момент исчерпывают весь запас трения на боковых поверхностях витков и на опорной поверхности

Ослабление под действием поперечного скольжения происходит в четыре этапа, и ни один из них не сложен для понимания:

Первый этап: трение «отвлекается». Под действием поперечной силы всё трение на боковых поверхностях витков и на опорной поверхности гайки (головки болта) переключается на сопротивление скольжению.
Второй этап: в этот момент трения фактически нет. Запас трения исчерпан, и резьбовая пара практически не имеет трения.
Третий этап: сама затяжка толкает гайку обратно. Растянутый болт накопил энергию, и, поскольку сопротивляться больше нечему, она гонит гайку обратно по винтовой линии — угол подъёма мал, но толкающая сила велика.
Четвёртый этап: накопление. Гайка поворачивается на ничтожный угол, усилие зажима немного падает, и следующий цикл повторяет всю последовательность.

Один акт скольжения обычно даёт менее 0,01° поворота — совершенно незаметно для глаза. Повторите его несколько сотен раз, и усилие зажима упадёт до нуля.

Этот механизм был систематически изложен ещё в 1969 г., а позднее стандартизован как метод испытаний при поперечной вибрации: DIN 65151 (международный аналог ISO 16130; в области рельсового транспорта действует также DIN 25201-4). Он до сих пор считается наиболее жёстким вибрационным воздействием, которое можно приложить к резьбовому соединению.

4. Почему ослабление самоускоряется

Здесь есть одна критически важная особенность: ослабление идёт не с постоянной скоростью — чем сильнее ослабло, тем быстрее ослабевает дальше.

Цепочка выглядит так. Порог частичного скольжения зависит от располагаемой способности трения μ·F_i (μ — коэффициент трения, F_i — текущая предварительная затяжка). Когда поперечная сила превышает этот порог, контактная зона переходит от трения покоя к трению скольжения, болт поворачивается на малый шаг, и затяжка F_i немного снижается. Но как только F_i упала, порог μ·F_i для следующего цикла становится ниже, и скольжение происходит легче — каждый цикл готовит почву для следующего.

В результате кривая падения затяжки имеет характерную форму: сначала пологая, затем крутая. Первые несколько десятков циклов почти ничего не меняется, затем происходит ступенчатое снижение, и наконец всё обрушивается за очень короткий интервал.

Отсюда два весьма практичных следствия:

«Полгода всё было нормально» не доказывает, что стопорение не нужно. Соединение, выдержавшее 500 циклов, часто разрушается внезапно в течение следующих 50.
«Хорошо смазано — значит, меньше шансов ослабнуть» — неверно. Смазка действительно снижает коэффициент трения и позволяет получить более высокую затяжку при том же моменте; но чем ниже коэффициент трения, тем ниже порог μ·F_i против скольжения, поэтому сопротивляемость ослаблению ухудшается. Смазка помогает затяжке и вредит стопорению. Для грубого сравнения распространённых состояний: фосфатированная и промасленная стальная резьбовая пара имеет суммарный коэффициент трения примерно 0,10–0,12; сухая необработанная несмазанная сталь — примерно 0,16–0,20.

5. Семь факторов, ускоряющих ослабление

Фактор	Направление влияния	Пояснения
Направление нагрузки	Поперечная возвратно-поступательная ≫ осевая переменная	Поперечное направление — единственное губительное; осевая вибрация почти не вызывает ослабления
Амплитуда поперечного смещения	Чем больше амплитуда, тем быстрее	При большей амплитуде легче каждый цикл достигать предела трения; резонансные условия дают пики амплитуды и особенно опасны
Частота	Важно число циклов, а не сама частота	Ослабление принципиально зависит от числа циклов; но чем выше частота, тем больше циклов за то же время, поэтому на практике соединение ослабевает раньше
Коэффициент трения μ	Чем ниже, тем легче ослабление	Покрытия и смазки снижают μ и тем самым понижают порог скольжения (см. предыдущий раздел)
Угол подъёма витка / шаг	Мелкая резьба самотормозится лучше	У мелкой резьбы меньше угол подъёма, и условие самоторможения выполняется легче — одна из причин широкого применения мелких резьб при переменных нагрузках и в авиации. Но мелкая резьба имеет меньшую высоту профиля и более чувствительна к точности резьбы и прочности основного материала, поэтому самоторможение — не единственное соображение
Уровень предварительной затяжки	Чем выше, тем устойчивее	Затяжка — самая дешёвая первая линия защиты: при достаточной величине стыки вообще не смещаются, и ни один из последующих механизмов не запускается
Длина зажима и состояние опорной поверхности	Чем больше, тем устойчивее	Болт с большой длиной зажима обладает некоторой изгибной податливостью и деформируется вместе с соединением, а не скользит по стыку; если опорная поверхность легко сминается, затяжка постоянно «съедается»

6. Способы стопорения делятся на три группы

По принципу действия любой способ относится к одному из трёх классов:

Класс	Принцип	Как реализуется
Фрикционное стопорение	Создать между боковыми поверхностями витков нормальную силу, изменяющуюся вместе с внешней нагрузкой, чтобы трение препятствовало относительному повороту	Эта нормальная сила может создаваться осевым сжатием, поперечным сжатием или обоими одновременно в резьбовой паре
Позитивное стопорение	С помощью упора непосредственно исключить относительный поворот резьбовой пары	Шплинт с корончатой гайкой, контровочная проволока, стопорные шайбы с лапками и т. п.
Разрушение резьбовой пары	После затяжки резьбовая пара утрачивает свойства кинематической пары и становится неразъёмным соединением	Кернение, сварка, клеевое соединение (предварительно нанесённый фиксатор резьбы) и т. п.

Два конструктивных приёма также заслуживают приоритета: применять мелкую резьбу (меньший угол подъёма, лучшее самоторможение) и сочетать два способа стопорения разных принципов, чтобы они дополняли друг друга.

7. Сравнительная таблица распространённых стопорных элементов

Элемент	Класс	Ключевая практика и на что обращать внимание	Где применим и его ограничения
Две гайки	Фрикционное стопорение	Две гайки одинаковой высоты: нижнюю затягивают примерно до 80% монтажного момента, затем верхнюю примерно до 100%, чтобы гайки прижались друг к другу и создали в резьбовой паре устойчивое осевое сжатие. Нижняя гайка несёт меньшую нагрузку и в принципе могла бы быть тоньше, но во избежание ошибок сборки предпочтительна одинаковая высота сверху и снизу	Просто и эффективно, но увеличивает массу; применяют главным образом при низких скоростях, тяжёлых режимах или достаточно спокойных нагрузках
Пружинная шайба	Фрикционное стопорение	Использует свою упругость для осевого нагружения резьбовой пары; скошенный конец разрезной шайбы врезается в гайку и соединяемую деталь, давая дополнительный стопорящий эффект	Из-за разреза опорная нагрузка односторонняя, поэтому стопорящие свойства низкие; обычно применяют в менее ответственных соединениях. Следует также учитывать, что при целевой затяжке она, как правило, уже полностью выпрямлена и ведёт себя почти как плоская шайба
Гайка с нейлоновой вставкой (DIN 982 / 985)	Фрикционное стопорение	Со стороны гайки, обращённой к концу болта, заделано нейлоновое кольцо с внутренним диаметром примерно равным внутреннему диаметру резьбы и без нарезанной резьбы; при ввинчивании болта возникает высокоэластичный поперечный обжим	Отличные стопорящие свойства, пригодна для ударных и жёстких вибрационных нагрузок; допускает многократное применение; рабочая температура, как правило, ниже 100°C
Гайка с упругими лепестками (clinch)	Фрикционное стопорение	Использует упругость корпуса гайки для поперечного нагружения резьбовой пары	Обычно применяют в вибрирующих местах, которые редко разбирают
Шайба с наружными зубьями	Фрикционное стопорение	При затяжке зубья сминаются и осевым усилием нагружают резьбовую пару, упругость равномерная	Применяют главным образом в соединениях общего машиностроения
Цельнометаллическая стопорная гайка (DIN 980)	Фрикционное стопорение	Верхняя часть гайки выполнена некруглой либо с прорезями и обжата; болт при ввинчивании разжимает её, и упругость нагружает резьбовую пару поперечно	Надёжное стопорение, допускает многократное применение; пригодна при высокой температуре, что закрывает температурное ограничение нейлоновых вставок
Клиновая стопорная шайба (двусторонние клиновые зубья)	Фрикционное стопорение	Клиновые зубья на двух поверхностях имеют разные углы; разность углов блокирует поворот, который иначе вызвало бы поперечное скольжение	Эффективна именно при поперечной вибрации; применяется только парами и стоит дороже пружинной шайбы
Шплинт и корончатая гайка	Позитивное стопорение	В гайке через каждые 60° поворота выполнено отверстие под шплинт; шплинт устанавливают, чтобы исключить поворот	Надёжное стопорение; неудобно при сборке, а доступные положения ограничены расположением отверстий; применяют в ответственных соединениях, работающих при переменных нагрузках и вибрации
Контровочная проволока	Позитивное стопорение	Мягкая стальная проволока продевается через отверстия в головках болтов или гайках и связывает несколько болтов или гаек так, что они удерживают друг друга	Надёжно, хотя после сборки небольшой люфт может сохраняться; проволоку следует вести так, чтобы при отвинчивании она подтягивала следующий крепёж (для правой резьбы). Применяют главным образом в плотных группах соединений, редко подвергаемых разборке
Стопорная шайба с лапками	Позитивное стопорение	Лапки отгибают так, чтобы они охватывали и гайку, и соединяемую деталь, образуя механический упор	Просто и надёжно; после разборки шайбу, как правило, приходится заменять
Предварительно нанесённый микрокапсулированный фиксатор резьбы	Разрушение резьбовой пары	Анаэробный клей предварительно наносят на поверхность витков, и после отверждения он заполняет зазор резьбы	Дополнительно уплотняет; после отверждения для разборки требуется нагрев или повышенный момент
Кернение / сварка	Разрушение резьбовой пары	Местная пластическая деформация или сварка лишают резьбу свойств кинематической пары	Надёжное стопорение; болт и гайку после разборки использовать повторно нельзя

Одно правило дисциплины: все оценки стопорящих свойств относительны и сравнительны. Выводы сильно зависят от размера крепежа, материала, покрытия, качества изготовления и монтажа, а стопорящая способность может различаться в разных средах и режимах работы. Любой результат испытаний — лишь ориентир для проектирования; перед запуском в производство его проверяют на вибрационном стенде применительно к фактическим условиям эксплуатации.

8. Сначала нужно решить, нужно ли стопорение вообще

Стопорные элементы не являются обязательной принадлежностью. Решение определяется отношением длины зажима L к номинальному диаметру d и направлением нагрузки:

Длина зажима	Условие нагрузки	Решение
L < 2d (короткое соединение)	Поперечная динамическая нагрузка	Стопорение обязательно, без исключений
2d ≤ L < 5d (среднее)	Поперечная динамическая нагрузка	Эффективность стопорения должна быть подтверждена
L ≥ 5d (длинное соединение)	Поперечная динамическая нагрузка	Решают по результатам проверки стопорения
Любая	Только осевая статическая нагрузка	Дополнительное стопорение, как правило, не требуется

Почему короткие соединения наиболее опасны? Введём одно понятие — критическое расстояние скольжения: относительное смещение стыков, необходимое для того, чтобы головка болта или гайка оторвалась от опорной поверхности и начала проворачиваться. В соединении с малой длиной зажима эта величина может составлять менее 0,1 мм; при той же нагрузке болту с большой длиной зажима может потребоваться более 0,5 мм. Причина уже названа в разделе 5: длинный болт изгибается вместе с соединением, а не скользит по стыку.

Поэтому результат определяет не только элемент под гайкой: зазор в отверстии, отношение длины зажима к диаметру, жёсткость соединения и предварительная затяжка значат не меньше, чем сам стопорный элемент.

9. Как сравнивать стопорящие свойства: чтение протокола испытаний при поперечной вибрации

Поскольку поперечная вибрация — единственное жёсткое условие, она же является единственным способом сравнить стопорящие решения. Стандартная процедура состоит из двух этапов:

Базовое испытание. Сначала собирают соединение без стопорного элемента и увеличивают поперечное смещение от нуля до тех пор, пока оно полностью не самоослабится за 300 ± 100 циклов. Это смещение является «эффективным смещением» для испытания и одновременно калибрует жёсткость условий стенда.
Проверочное испытание. Затем испытывают соединение со стопорным элементом при точно таком же эффективном смещении и частоте и записывают кривую падения затяжки в зависимости от числа циклов.

Обычный критерий оценки — доля сохранившейся предварительной затяжки после 2000 циклов, а также форма кривой, показывающая, что отказа «разумно не ожидается» даже при продолжении испытания.

Пригодный протокол должен содержать как минимум: тип стопорения и место его установки, частоту испытания, отношение длины зажима к диаметру, способ зажима, эффективное поперечное смещение, использованное состояние смазки и применимый диапазон диаметров.

Самое важное предупреждение: DIN 65151 / ISO 16130 определяют процедуру испытаний; в стандарте нет критерия приёмки. Поэтому заявление поставщика «сертифицировано по такому-то стандарту» само по себе не является содержательным выводом. Нужны четыре вещи — кривая падения затяжки, число циклов, поперечный ход и условия трения и смазки. Только с ними можно что-либо сравнивать.

10. Другой путь: что делать с потерей затяжки (релаксацией)

Помимо поворотного ослабления часть отказов вообще не связана с вращением — усилие зажима просто «съедается». Источников три:

Потеря на смятие. Из-за шероховатости, волнистости и погрешности формы боковые поверхности витков, различные опорные поверхности и стыки соединяемых деталей при затяжке испытывают местную пластическую деформацию; при повторяющейся внешней нагрузке в эксплуатации часть этой деформации продолжает развиваться, и затяжка вместе с ней падает. Именно поэтому «шайба большего размера снижает контактное давление» и «подтяжка после периода приработки» являются двумя классическими мерами.
Релаксация напряжений при высокой температуре. С ростом температуры снижаются предел текучести, предел текучести при заданном несоразмерном удлинении и предел прочности; длительная работа при повышенной температуре вызывает релаксацию напряжений, а релаксация напряжений неизбежно влечёт потерю усилия зажима. Как практическое правило: как только рабочая температура крепежа превышает 150°C, его поведение следует внимательно проверить.
Различия в чувствительности материалов. Это часто упускают: наклёпанный крепёж (классы прочности 4.8, 5.8, 6.8) более чувствителен к релаксации напряжений, чем улучшенный или отпущенный для снятия напряжений. Применение болта класса 4.8 в соединении, постоянно работающем при повышенной температуре, несёт риск, выходящий за рамки просто «меньшей прочности».

Заслуживают внимания ещё два условия: если крепёж из свинецсодержащей стали применяется при высокой температуре и рабочая температура попадает в интервал плавления свинца, следует учитывать опасность жидко-металлического охрупчивания (LME); для выбора материалов высокотемпературного крепежа полезны такие стандарты, как EN 10269 и ASTM F2281.

Перечень мер при релаксации:

Увеличить опорную площадь: перейти на винты или гайки с фланцем либо добавить высокопрочную шайбу большого размера, чтобы напрямую снизить и контактное давление, и смятие.
Повысить упругость соединения: применять длинные болты или болты с уменьшенным стержнем (упругая длина k₀ > 4d), чтобы соединение не теряло затяжку так легко при колебаниях рабочей нагрузки. Именно поэтому «сохранить упругость» и «противостоять поперечному смещению» в инженерной практике часто применяют вместе.
Убрать мягкие промежуточные слои: тонкие лакокрасочные плёнки, пластмассовые прокладки и мягкие шайбы дают непрерывную потерю на ползучесть — если только слой не спроектирован действительно как упругий элемент (например, коническая пружинная шайба, рассчитанная на определённую точку затяжки).
Подтянуть при необходимости: один раз повторно затянуть после того, как соединение некоторое время проработало, чтобы устранить начальную потерю на смятие.

11. Последовательность поиска причины на производстве

Столкнувшись со случаем «ослабло», следует идти в указанном порядке, а не сразу хвататься за другой стопорный элемент:

Первый шаг: осмотреть следы. Есть ли следы относительного поворота между гайкой (или головкой болта) и опорной поверхностью? Видно ли, что резьбовая пара вышла из зацепления?
Да → поворотное ослабление. Нет, есть только кольцевой отпечаток на опорной поверхности → скорее всего ослабление за счёт релаксации.
Второй шаг, если это поворотное ослабление. Сначала выяснить, содержит ли нагрузка поперечную возвратно-поступательную составляющую → проверить, попадает ли L/d в опасную зону → убедиться, что затяжка действительно достигла проектного значения → затем выбрать стопорный элемент (предпочтительно такой, принцип которого дополняет уже имеющийся) → проверить испытанием при поперечной вибрации.
Третий шаг, если это ослабление за счёт релаксации. Сначала проверить рабочую температуру и состояние контактных поверхностей → увеличить опорную площадь, повысить податливость болта, убрать мягкие промежуточные слои → оценить, нужно ли включать «подтяжку» в регламент обслуживания.
Четвёртый шаг, общий для обоих случаев. Есть ли затяжка на самом деле? При контроле по моменту разброс затяжки может достигать ±25%, и если фактическая затяжка составляет лишь половину проектной, то «стопорение было недостаточным» и «соединение никогда как следует не затягивали» — две совершенно разные истории. Подробности см. в статье «Какой момент затяжки: три методики и одна справочная таблица».

В заключение одно предложение: затяжка — первая линия защиты, сопротивление поперечному скольжению — вторая, механическое позитивное стопорение — последняя. Пропуск первых двух и прямой переход к третьей обычно лишь откладывает отказ, а не устраняет его.

Источники

Справочник по проектированию болтовых соединений, глава 3 «Болтовые соединения»: механизмы ослабления, классификация способов стопорения, примеры расчёта распространённых способов стопорения болтовых соединений и неравномерное распределение осевой нагрузки по виткам в зацеплении.
DIN 65151, Стопорящие свойства крепёжных изделий — динамические испытания при поперечной нагрузке; ISO 16130 (международный аналог); DIN 25201-4. Включая двухэтапную процедуру базового и проверочного испытаний и критерий остаточной затяжки после 2000 циклов.
Механизм самоотвинчивания при поперечной вибрации: теория локального скольжения и вывод о том, что сопротивление трению на мгновение исчезает, как только поверхности витков переходят к полному скольжению (впервые систематически изложено в техническом докладе SAE 690055, 1969).
VDI 2230: классы коэффициента трения, критерий отношения длины зажима к номинальному диаметру и проверки давления на опорной поверхности.
Техническое руководство предприятия: релаксация напряжений и пригодность при высокой температуре, чувствительность наклёпанных классов к релаксации напряжений, риск жидко-металлического охрупчивания при свинецсодержащей стали; EN 10269, ASTM F2281.
Разброс затяжки и погрешность контроля по моменту: см. статью «Какой момент затяжки» на этом сайте.

🛠️ Инженерная поддержка: неясно, нужно ли соединению стопорение и какое именно? Достаточно сообщить длину зажима, диаметр, направление нагрузки и рабочую температуру, и мы вместе разберём критерий L/d и составим перечень подходящих вариантов стопорения.
👉 Инженерные услуги ｜ 👉 Запросить техническое предложение