Все о гайках-барашках

Особенности

Оба указанных варианта гаек-барашков имеют сейчас одинаково широкое применение. Но на этом эволюция такого ручного крепежа не остановилась: появляются новые модификации, но теперь уже из других материалов.

Главной технической особенностью гайки-барашка является ее самодостаточность. Конечно, применение ее без болта или шпильки невозможно, но даже эти метизы подбираются так, чтобы не использовать для их удержания ключ или отвертку. Например, шпилька может быть приварена или иметь петлю вместо головки, которой она подвижно крепится к предмету или детали. Болт тоже не должен иметь головку под ключ или отвертку. Например, болты, используемые при монтаже деревянных изделий, могут иметь скругленную головку и специальные упоры, которые, врезаясь в древесину, предотвращают проворачивание при затягивании крепежа.

Гайка-барашек сочетает в себе и крепежный метиз, и инструмент для его монтажа. Потребность в таком крепеже возникает в тех случаях, когда необходимо быстро затянуть или отпустить резьбу крепежа съемной детали, не являющейся элементом несущих конструкций. Подбор ключа или отвертки занимал бы неоправданно много времени. При этом для функционального закрепления достаточно усилия одной руки без дополнительных приспособлений.

Размер имеет значение

Количество лопастей

Определившись с материалом, необходимо решить, какое количество лопастей станет для вас наиболее оптимальным. Это напрямую влияет на эффективность и плавность хода. Чем больше лопастей, тем меньше скорость, меньше вибрация и больше тяга.

Двухлопастные винты используются очень редко. Их область применения — это, как правило, болотоходы и электромоторы. Самые распространенные и оптимальные по своим свойствам — трехлопастные винты.

По мере увеличения площади упора увеличивается и площадь действия толкающих сил, и трение. Если нужна скорость налегке — выбирайте три лопасти. Это обеспечит вам высокий КПД, максимальную скорость и шанс, что, воткнувшись в песок, винт ляжет на две продольные лопасти, а третья будет торчать сверху, без повреждений.

Четырехлопастной винт считается грузовым, от него не стоит ждать максимальной скорости. Но зато более быстрый старт и уменьшение скорости выхода на глиссер вам обеспечены — и это хороший бонус для увлекающихся водными видами спорта. Очень важный момент, который часто становится решающим — большая площадь лопастей сэкономит расход топлива на крейсерском ходу. Благодаря четному числу расположенных друг напротив друга лопастей вибронагрузка снижается и ход лодки становится более плавным. Все эти плюсы актуальны, пока вы используете двигательную установку на  70–80% от полной мощности. Стоит достичь максимальной скорости — и четырехлопастной винт теряет все свои преимущества

Поэтому важно понимать, какую из ваших целей можно назвать первоочередной. Если вы — тягач, если вам не важна скорость и экономия топлива для вас — решающий фактор, то четыре лопасти в помощь

В остальных случаях лучше взять скоростной трехлопастной винт.

Диаметр винта

Также переменным значением является диаметр винта, измеряемый по внешнему краю лопастей. Чем больше диаметр — и, соответственно, площадь — тем выше тяговые свойства мотора, тем — как следствие — ниже скорость.

Самые часто встречающиеся: «круглое ухо» и эллипс, обеспечивающие оптимальное соотношение тяги и скорости. Для скоростных судов обычно ставят лопасти, сужающиеся к кончикам — такое строение уменьшает трение и увеличивает скорость перемещения легких судов. Для движения в заросших водоемах идеально подойдут косые винты, лопасти которых закручены по направлению движения и не имеют привычки накручивать водоросли.

Расчёт винтовых соединений

Величина крутящего момента, требуемого для вращения гайки по винту находится из уравнения:

M=P⋅tg(α±ϱ′)dcp2{\displaystyle M=P\cdot \mathrm {tg} \,(\alpha \pm \varrho ‘){\frac {d_{cp}}{2}}},

где

• P{\displaystyle P} — осевая нагрузка, действующая на гайку;
• dcp{\displaystyle d_{cp}} — средний диаметр винта;
• α{\displaystyle \alpha } — угол подъёма резьбы;
• ϱ′=μcos⁡β{\displaystyle \varrho ‘={\frac {\mu }{\cos \beta }}} — угол трения;
• μ{\displaystyle \mu } — коэффициент трения между материалами винта и гайки;
• β{\displaystyle \beta } — половина угла профиля резьбы (для метрической резьбы β=30∘{\displaystyle \beta =30^{\circ }}, для дюймовой β=27∘30′{\displaystyle \beta =27^{\circ }30′}).

При затягивании винта или гайки в расчёт также следует принять трение между ними и поверхностью детали.

Расчёт на прочность винтовых соединений производится следующим образом:

1. Случай, когда на детали, соединяемые винтом, действует сила, приложенная вдоль оси винта. В этом случае винт работает на растяжение, и уравнение прочности имеет вид:

d1=4Pπσp{\displaystyle d_{1}={\sqrt {\frac {4P}{\pi _{p}}}}},

где

• d1{\displaystyle d_{1}} — внутренний диаметр резьбы;
• σp{\displaystyle _{p}} — допустимое напряжение на растяжение для материала винта.

По найденному d1{\displaystyle d_{1}} подбирают соответствующий винт, а затем гайку.

2. В случае, когда приходится осуществлять подтягивание болта под действием осевой нагрузки, в сечениях стержня возникают дополнительные напряжения от растяжения и кручения. Их учитывают в общем случае с помощью коэффициента запаса. Внутренний диаметр болта в этом случае находится по формуле:

d1=β⋅4Pπσp{\displaystyle d_{1}={\sqrt {\frac {\beta \cdot 4P}{\pi _{p}}}}},

где

β=(1,2÷1,3){\displaystyle \beta =(1,2\div 1,3)} — коэффициент, учитывающий скручивание стрежня.

3. Если помимо прочности соединения требуется обеспечить его плотность, величина усилия, действующего на болт, будет находится в зависимости не только от приложенной силы, но и от упругости соединяемых элементов, а также в учёт следует брать величину необходимого предварительного затяга, определяющего плотность соединения.

Можно рассмотреть два случая.

а) Если болт соединяет жёсткие детали, то расчётное усилие Pp=2,6P{\displaystyle P_{p}=2,6P}

б) Если соединяемые детали упругие, то расчётное усилие Pp=2,3P{\displaystyle P_{p}=2,3P}.

Внутренний диаметр нарезанной части в обоих случаях определяется по формуле:

d1=β⋅4Ppπσp{\displaystyle d_{1}={\sqrt {\frac {\beta \cdot 4P_{p}}{\pi _{p}}}}}z

4. Соединение деталей, находящихся под действием поперечных нагрузок. Возможны два случая:

а) Винт (болт) поставлен в соединение без зазора (зазор между стенками отверстия и стержнем). В этом случае он рассчитывается на срез и смятие по следующим формулам:

τcp=4Pπd2≤τcp{\displaystyle \tau _{cp}={\frac {4P}{\pi d^{2}}}\leq _{cp}},

σcm=Pld≤σcm{\displaystyle \sigma _{cm}={\frac {P}{ld}}\leq _{cm}},

где

cp,cm{\displaystyle _{cp},_{cm}} — допускаемые напряжения на срез и смятие материала винта.

б) Болт поставлен в соединение с зазором. В этом случае затяжка должна быть значительно сильнее, иначе произойдёт сдвиг и случится перекос болта. Необходимо с помощью затяжки создать достаточные силы трения между стягиваемыми деталями. Расчёт ведётся на деформацию растяжения и кручения:

d1=4βNπσp{\displaystyle d_{1}={\sqrt {\frac {4\beta N}{\pi _{p}}}}}z,

где

N=Pμ{\displaystyle N={\frac {P}{\mu }}} — сила растяжения (P{\displaystyle P} — приложенное усилие, μ{\displaystyle \mu } — коэффициент трения между деталями).

Во многих случаях резьбу в винтах назначают конструктивно. В этом случае её проверяют на изгиб по следующим формулам:

σi=MiW=Pt22⋅62πd1b2≤σi{\displaystyle \sigma _{i}={\frac {M_{i}}{W}}={\frac {P{\frac {t_{2}}{2}}\cdot 6}{2\pi d_{1}b^{2}}}\leq _{i}},

где

• t2{\displaystyle t_{2}} — высота профиля резьбы;
• b{\displaystyle b} — толщина витка резьбы;
• z{\displaystyle z} — число витков.

Применение

Как уже упоминалось, встретить гайки-барашки можно везде, где не требуются большие усилия, но часто приходится монтировать и демонтировать легкие конструкции.

Так, стальные изделия применяются для установки топливных фильтров на некоторые двигатели. Этот конструктивный элемент довольно часто приходится менять.

Кроме того, их можно увидеть на крышках герметичных баков-термосов. Крышки приходится открывать и закрывать по нескольку раз за день, а повредить уплотнительную прокладку, обеспечивающую герметичность, чрезмерной затяжкой гаек недопустимо.

На этом же основывается и применение таких изделий для фиксации крышек люков, герметичных дверей или иллюминаторов.

В некоторых случаях используется крепеж закрытого типа (когда ушки гаек соединены в виде металлической петли). Такие метизы имеют более высокую декоративную составляющую, поэтому могут применяться для фиксации некоторых бытовых приборов.

Оцинкованные и нержавеющие барашки можно увидеть в разборных деревянных конструкциях. Например, этюдники или мольберты, являющиеся атрибутами художников, имеют целый ряд регулируемых и раскладных деталей. Их невозможно представить без блестящих гаек-барашков.

Широко применяются барашковые гайки в конструкциях фотоштативов, сценического освещения и звуковых усилителей. Монтировать и регулировать такое оборудование требуется очень часто, а носить с собой для этого ключи и отвертки было бы очень неудобно.

Пластиковые гайки-барашки со стальными сердечниками закрытого типа применяются для монтажа некоторых измерительных электроприборов и радиооборудования. Здесь они позволяют надежно изолировать элементы крепления, предотвращая возможность короткого замыкания.

Как применяют крепеж из мягкого пластика при монтаже водопроводного и иного сантехнического оборудования, уже упоминалось. Но следует уточнить, что с таким материалом нельзя использовать какой-либо инструмент, так как усилия, создаваемого при затягивании рукой, в этом случае вполне достаточно.

В следующем видео рассказывается о том, как сделать гайку-барашек своими руками.

Размеры

Как указывает ГОСТ 3032-76, гайки-барашки отличаются материалом изготовления и размерами. Основным параметром, от которого зависят все остальные, является диаметр резьбового отверстия. Он соответствует стандартным размерам болтов и гаек, принятым в современной промышленности, и маркировке.

Минимальный стандартный размер М3. Это означает, что диаметр резьбы болта, на который можно накрутить такую гайку, равен 3 мм. Ряд последующих размеров гаек-барашков выглядит так: М4, М5, М6, М8, М10, М12, М14, М16, М18, М20, М24.

Вполне ожидаемо, что в том же порядке будут увеличиваться внешние размеры гаек. Большинство гаек-барашков немецкого типа имеют отверстия в ушках. Назначение отверстий не только в том, чтобы облегчить метиз: некоторые мастера используют их для фиксации метиза в определенном положении при помощи проволоки. Но чаще к ним привязывают тросик или капроновую нить во избежание потери метиза.

По шагу резьбы гайки-барашки делятся на изделия с крупной и мелкой резьбой, шаг которой определяется размером метиза. Только крупную резьбу имеют барашки мелких размеров: М3, М4, М5, М6. Гайки М8 и далее выпускаются с обоими вариантами резьбы. Этот факт следует учитывать при покупке крепежа. Если опыта в определении размера резьбы нет, шпильку или болт, на который предполагается накручивать гайку, можно примести с собой в качестве образца.

Общее описание

Разговор про винт-барашек полезно начать с того, что выпуск метизов этой категории полностью переведен на DIN 316. Другие стандарты в отношении этого крепежа не действуют. Нет и специализированного ГОСТ, потому максимум можно руководствоваться общими ГОСТ по винтам, инструментальным и конструкционным сталям. Стержень винта имеет метрическую резьбу. Свое название получил за характерную геометрию головки, напоминающую и в самом деле мелкие рожки.

Лепестки головной части могут скругляться (тогда говорят о немецком варианте). В американской версии более характерна прямоугольная геометрия. Номинальный диаметр может составлять от М4 до М24. Основные нормы по крепежу фиксируются в DIN ISO 8992.

Материалы

Изготавливают гайки-барашки из различных материалов. Традиционным является металлический крепеж.

Ввиду небольших статических и динамических усилий, действующих на соединения с такими гайками при эксплуатации, для их изготовления можно использовать углеродистые стали. Эти сплавы относительно прочные, стоимость их невелика, но есть минус – они подвергаются коррозии. Кроме того, далеко не всегда такие изделия удовлетворяют эстетическим требованиям. Нередко, пытаясь замедлить коррозионное разрушение, на них наносятся покрытия, пропитываемые маслами. По этой причине чаще встречаются стальные оцинкованные изделия, не только успешно противостоящие коррозионным процессам, но и имеющие довольно презентабельный внешний вид. Кроме цинка, для покрытия стальных гаек-барашков могут применяться и другие цветные металлы: медь, никель, олово, серебро и их сплавы.

Наиболее долговечными являются метизы из нержавеющей стали, однако, сочетая в себе прочность и эстетичность, они имеют высокую стоимость. Но так как такой съемный крепеж никогда не используется массово, поэтому применение нержавейки вполне оправдано.

Уникальные свойства органических полимеров вызвали их применение для изготовления крепежа с особыми требованиями, например, с повышенной устойчивостью к воздействию влаги. Современному крепежу для обустройства ванных комнат не требуется повышенная прочность, но обязательна водостойкость. Поэтому здесь не обойтись без пластиковых гаек, которые при монтаже не требуют больших усилий, затягиваясь одной рукой.

Назначение

Барашковидные винты рекомендованы для тех случаев, когда приходится систематически собирать и разбирать резьбовые соединения. Крепеж такого рода удобен при использовании и установке. Закрутить подобное приспособление можно собственными руками, без использования дополнительных инструментов. Мало того, применение ключей противопоказано. Это может сильно повредить лепестки, и в таком случае крепеж окажется неработоспособен.

Винтами-барашками широко пользуются:

• для сборки различных видов мебели;

• для создания различных емкостей и коробов;

• как часть зажима хомутов;

• в процессе сборки временных ограждений и временных построек;

• в прочих случаях, когда на первый план выходит удобство монтажа.

Элементы винта

Основными элементами винта являются:

• Цилиндрический стержень — часть винта, непосредственно входящая в отверстие или вворачивающаяся в материал. Стержень частично или полностью покрыт резьбой. Длина нарезной части и глубина нарезки определяются в зависимости от материала, из которого изготовлен винт и материала соединяемых деталей, а также от диаметра резьбы.
• Головка — часть винта, служащая для передачи на него крутящего момента. Имеет лыски под гаечный ключ или шлиц для отвёртки. Формы головки и шлица могут быть очень разнообразны.

Формы головок

Виды формы головок: a) плоская, b) выпуклая, c) круглая, d) грибовидная, e) потайная, f) полупотайная

В зависимости от предназначения различают следующие основные формы головок:

• Плоская;
• Выпуклая;
• Круглая — обычно, в декоративных целях;
• Грибовидная — низкая головка сферической формы;
• Потайная: коническая головка с плоской внешней поверхностью, предназначенная для утапливания в материал «заподлицо», широко используется для шурупов;
• Полупотайная: нижняя часть — как у потайной, но верх — не плоский, а закруглённый.

Виды шлицев

Прямой (плоский) шлиц (SL)	Крестообразный шлиц Phillips (PH)	Крестообразный шлиц Posidriv/SupaDriv (PZ)	Квадратная головка
Шлиц Робертсона	Шестигранная головка (HEX)	Шестигранный шлиц (Аллен)	Защищённый шестигранник(pin-in-hex)
Шлиц типа Torx (T, TX)	Защищённый Torx (TR)	Шлиц Tri-Wing	Шлиц Torq-set
Головка под вилочный ключ(Snake-eye)	Шлиц (12-лучевая звезда)	Шлиц (12-лучевая звезда)	Шлиц (12-гранник)
Шлиц Polydrive	Шлиц антивандальный One-way	Бристольский шлиц	Шлиц Pentalobe(используется фирмами Apple и Meizu)

Выше скорость — больше шаг

Самый важный показатель, который часто приходится подбирать опытным путем — шаг винта. Это расстояние в дюймах, которое проходит лодка за полный оборот винта в 360 градусов. Поменяв шаг винта на одну единицу, мы получим разницу в 150–200 оборотов двигателя в ту или иную сторону. При изменении шага винта действует простое правило: больше шаг — выше скорость, меньше шаг — больше груза

Несмотря на кажущуюся простоту, очень важно подбирать винт под конкретный мотор, конкретную лодку и среднюю планируемую загрузку, так как и размер, и вес — имеют значение. Задача состоит в том, чтобы у загруженной лодки на полном газу максимальные обороты двигателя стремились к значениям, рекомендованным в мануалах производителя мотора

Чтобы подобрать шаг винта опытным путем, необходим обычный тахометр и загруженная под обычную эксплуатацию, прошедшая двенадцатичасовую обкатку лодка. Представим, что рабочий режим работы двигателя, установленного на лодку, составляет 5800–6000 об/мин. Выводим загруженную лодку на максимальные обороты и смотрим показания тахометра. Если значение выше диапазона работы двигателя — значит, винт перекручивает и на мотор идет повышенная нагрузка. Необходимо занизить обороты, повысив шаг из расчета 1 шаг — 200 оборотов.

Если обороты достигают 6000 — значит, увеличилась максимальная скорость, это лучший выход на глиссирование, мотор работает ровно — винт подобран оптимально.

Если тахометр показывает 5700–5800 — максимальная скорость увеличится еще на несколько показателей, но выход на глиссирование станет более затяжным, а работа мотора будет ощущаться с натягом. Но если избавиться от груза в виде пары-тройки человек, то показатели сразу войдут в оптимальную норму.

Сильно заниженные обороты — 5400 и ниже — говорят о слишком тяжелом винте: упадет максимальная скорость, выход на глиссер станет сильно затруднителен, повысится расход топлива и нагрузка на двигатель. Обороты повышаются посредством уменьшения шага винта. При этом значения разных винтов одного и того же диаметра и шага будут отличаться. Например, обороты четырехлопастного винта за счет большого упора будут на 100 единиц меньше, чем трехлопастного — аналогичного размера. А если мы поменяем алюминиевый винт на стальной, то значение шага у второго должно быть ниже на единицу.

Если шаг подобран правильно, вы получите хорошее значение максимальной скорости, быстрый выход на глиссер, а также убережете двигатель от чрезмерного износа, а себя — от лишних хлопот. Для тех, кто любит разнообразие и эксперименты, ходит с разной загрузкой лодки и меняет цели путешествия от буксировки лыжника до спокойной рыбалки  и перевозки тяжелых грузов с режимом экономии топлива, стоит иметь на борту сменный винт с ремкомплектом, предназначенным для решения разных задач. 

Либо подобрать винт с переменным, изменяемым шагом, что, безусловно, дороже, но менее хлопотно и позволяет менять характеристики винта в зависимости от условий. Шаг винта меняется простым движением руки — вращением кнопки, расположенной непосредственно на винте.

Выбор производителя остается за личными предпочтениями

Но если вы решили сэкономить на неоригинальном китайском винте, обязательно обратите внимание на края лопасти (они могут быть изначально кривыми), размер ступицы с одной и другой стороны, толщину лопасти (чем толще, тем хуже работает). Так же маркировка может отличаться от действительности, то есть — не удивляйтесь, если вдруг, купив винт на шаг больше, вы не получите необходимого снижения оборотов

Выбор винта — важный аспект будущей качественной эксплуатации судна, поэтому подходить к процессу лучше со всем вниманием и заботой о двигателе. Правильно подобранный винт позволит получить оптимальные ходовые показатели, сэкономить бензин и главное — продлить срок службы мотора

Поэтому лучше не экономить ни на времени, ни на средствах. Дешевле выйдет.

Советы по эксплуатации

Справиться с использованием винтов-барашков, как уже говорилось, сумеет любой человек. Повышенной безопасностью применения отличаются варианты с пластиковыми элементами. Выбор конструктивных материалов определяется условиями использования. Настоятельно рекомендуется применять только сертифицированные крепежные изделия

Внимание стоит уделять и вероятным причинам ослабления винтов

Закручивать их с самого начала надо полностью, но не чрезмерно энергично. Следует старательно избегать вибрации или принимать меры для ее уменьшения

Не менее важно избегать бокового сдвига головки болта в отношении соединения. Если такого сдвига нет, то даже неблагоприятные условия эксплуатации почти неопасны

Смотрите видео о том, как сделать винт-барашек своими руками.