Подбирая гайку к болту, нужно точно определить их совместимость. Во внимание следует принять множество факторов — тип, шаг, диаметр, направление, прочность и тип материала. Правильная комбинация резьбовой пары — гарантия надежного соединения и долговечности всех элементов конструкции или механизма. 
Немного истории
Производство и распространение дюймового крепежа началось в 1949 году, когда Канада, Соединенные Штаты и Великобритания приняли Единый стандарт (UTS), в котором были определены критерии резьбы в дюймах. Между тем, метрическая система набирала популярность в Европе и Азии, что привело к проблемам совместимости крепежных деталей. Вскоре Великобритания отказалась от UTS и вместо нее приняла метрическую систему. Сегодня Канада и США остаются почти единственными поставщиками техники, автомобилей и оборудования, где актуальна американская резьба UTS.
Слесаря, ремонтирующие и обслуживающие иномарки, наиболее часто сталкиваются с дюймовыми болтами и гайками. Утерянный или вышедший из строя оригинальный заводской крепеж требуется заменить на 100% аналог. Для этого надо точно определить его размеры, материал, класс прочности и стандарт изготовления.
Отличие метрической гайки от дюймовой
К сожалению, отличить «на глазок» не удастся, так как американская резьба имеет тот же угол профиля 60°, что и метрическая стандарта ISO. Но есть различия в диаметре, шаге и в размере внешнего шестигранника. Несмотря на то, что их можно свинтить между собой, в соединении, как правило, наблюдается небольшой люфт, что делает метрический и дюймовый крепеж не взаимозаменяемым.
Можно их различить по маркировке классов прочности: у метрических — цифры, у дюймовых — линии.
Измерение дюймовой гайки
В американском машиностроении самой распространенной является шестигранная гайка общего назначения, форма и габаритные размеры которой приведены в ASME B18.2.2 (аналог DIN 934, ISO 4032). Параметры резьбы соответствуют ANSI B1.1 с допуском по классу 2B, стандарт UTS (Unified Thread Standard), крупного (UNC) или мелкого (UNF) шага.
Пример условного обозначения: 1/4″ — 20 UNC, где:
- 1/4″ – номинальный диаметр резьбы;
- 20 – количество витков на дюйм;
- UNC – унифицированная крупная (основная) резьба.
Как измерить номинальный диаметр резьбы гайки
Этот параметр обычно находится в пределах от 1/4″ до 3″ и обозначается дробным или целым числом в дюймах (не десятичным). Американские крепежные детали размером менее 1/4 дюйма обозначены целым числом от 0 до 10 (часто с предшествующим знаком # или №).
Самый простой способ определения номинального диаметра гайки – это измерение штангенциркулем наружного диаметра соответствующего ей болта (на который она навинчивается).
Если же мы просто измерим ширину ее отверстия, то получим наименьший внутренний диаметр профиля – d вн, который меньше, чем ее номинальный диаметр — d.
Например, для рассматриваемой гайки 1/4″ (1/4 дюйма = 6,35 мм), d вн. будет составлять 5,35 мм. Далее по справочным таблицам надо сопоставить его с наружным диаметром ответного болта. Это и будет искомый диаметр гайки.
Таблица 1. Соответствие внутреннего диаметра гайки наружному диаметру болта.
| Номинальный диаметр резьбы | Внутренний диаметр гайки, мм | Наружный диаметр болта | ||
| UNC | UNF | мм | дюймы | |
| #1 | 1,5 | 1,55 | 1,854 | 0,073 |
| #2 | 1,5 | 1,9 | 2,184 | 0,068 |
| #3 | 2,1 | 2,15 | 2,515 | 0,099 |
| #4 | 2,35 | 2,4 | 2,845 | 0,112 |
| #5 | 2,65 | 2,7 | 3,175 | 0,125 |
| #6 | 2,85 | 2,95 | 3,505 | 0,138 |
| #8 | 3,5 | 3,5 | 4,166 | 0,164 |
| #10 | 4 | 4,1 | 4,826 | 0,19 |
| #12 | 4,65 | 4,7 | 5,486 | 0,216 |
| 1/4″ | 5,35 | 5,5 | 6,35 | 0,25 |
| 5/16″ | 6,8 | 6,8 | 7,938 | 0,313 |
| 3/8″ | 8,25 | 8,5 | 9,525 | 0,375 |
| 7/16″ | 9,65 | 9,9 | 11,112 | 0,438 |
| 1/2″ | 11,15 | 11,5 | 12,7 | 0,5 |
| 9/16″ | 12,6 | 12,9 | 14,288 | 0,563 |
| 5/8″ | 14,05 | 14,5 | 15,875 | 0,625 |
| 3/4″ | 17 | 17,5 | 19,05 | 0,75 |
| 7/8″ | 20 | 20,4 | 22,225 | 0,875 |
| 1″ | 22,25 | 23,25 | 25,4 | 1 |
| 1 1/8″ | 25,65 | 26,5 | 28,575 | 1,125 |
| 1 1/4″ | 28,85 | 29,5 | 31,75 | 1,25 |
| 1 3/8″ | 31,55 | 32,75 | 34,925 | 1,375 |
| 1 1/2″ | 34,7 | 36 | 38,1 | 1,5 |
| 1 3/4″ | 40,4 | — | 44,45 | 1,75 |
| 2″ | 46,3 | — | 50,8 | 2 |
| 2 1/4″ | 52,65 | — | 57,15 | 2,25 |
| 2 1/2″ | 58,5 | — | 63,5 | 2,5 |
| 2 3/4″ | 64,75 | — | 69,85 | 2,75 |
| 3″ | 71,7 | — | 76,2 | 3 |
Определить размер «под ключ»
Размер «под ключ» шестигранной гайки равен расстоянию между противоположными гранями ее рабочего профиля. Точный замер можно выполнить, используя штангенциркуль. Причем, каждому диаметру гаечной резьбы соответствует определенный размер шестигранника.
Шестигранник у дюймовой гайки такой же как у головки сопрягаемого с ней болта, что позволяет использовать тот же стандартный размер ключа. Причем, метрические гаечные ключи и торцевые головки здесь не подойдут, так как они незначительно, но отличаются по размеру от дюймового инструмента. Также отметим, что цифры на дюймовом ключе – это не размер шестигранного профиля крепежа, а диаметр его резьбы, что облегчает подбор инструмента.
Определение шага дюймовой резьбы гайки (TPI)
Унифицированные резьбы крепежных деталей UTS классифицируются как UNC (крупные), UNF (мелкие) или UNEF (ультра мелкие). Нет никаких различий между ними в качестве изготовления, кроме различий в плотности нитей нарезки.
Грубые (крупные) нити толще, устойчивее к истиранию и смятию, чем частые (мелкие). Крепежные гайки с крупной резьбой могут быть установлены быстрее. Например, 3/4″-10 UNC требует 10 оборотов для установки на 1 дюйме ножки болта, а 3/4″-16 UNF потребует 16 оборотов. Грубые нити обеспечивают зазор для гальванического покрытия и с меньшей вероятностью будут подвергнуты истиранию. Тонкие и сверхтонкие нити резьбы дают свои преимущества. Крепеж с частой резьбой отличается лучшей устойчивостью к самоотвинчиванию при воздействии вибрации, что является очень важным фактором.
Параметр TPI используется только с дюймовыми крепежами, тогда как для метрических указывается шаг резьбы – Р, который равен расстоянию между нитями, а TPI расшифровывается как Threads Per Inch. Это простой подсчет количества нитей на дюйм, измеренного по длине крепежа.
Самый легкий способ определить шаг резьбы гайки стандарта США – с помощью специального резьбомера, но если его нет, то можно попытаться свинтить ее с подходящим болтом с известными параметрами. Если вы будете часто измерять крепеж, рекомендуется приобрести один из наших недорогих дюймовых резьбомеров, которые значительно упрощают измерение.
Шаг гаечной резьбы можно также измерить, сделав ее оттиск на древесине. Таким способом обычно пользуются при измерении внутренней резьбы маленького диаметра. Для этого в резьбовое отверстие вставляют тонкую деревянную палочку (например, спичку), прижимают ее к поверхности резьбы и получают оттиск, по которому и считают количество витков на дюйм.
Таблица 2. Соответствие диаметра и шага дюймовой резьбы UNC, UNF.
| Диаметр | UNC | UNF | ||
| TPI | Шаг, мм | TPI | Шаг, мм | |
| 1/4″ | 20 | 1,27 | 28 | 0,907 |
| 5/16″ | 18 | 1,411 | 24 | 1,058 |
| 3/8″ | 16 | 1,587 | 24 | 1,058 |
| 7/16″ | 14 | 1,814 | 20 | 1,27 |
| 1/2″ | 13 | 1,954 | 20 | 1,27 |
| 9/16″ | 12 | 2,117 | 18 | 1,411 |
| 5/8″ | 11 | 2,309 | 18 | 1,411 |
| 3/4″ | 10 | 2,54 | 16 | 1,587 |
| 7/8″ | 9 | 2,822 | 14 | 1,814 |
| 1″ | 8 | 3,175 | 12 | 2,117 |
| 1 1/8″ | 7 | 3,627 | 12 | 2,117 |
| 1 1/4″ | 7 | 3,627 | 12 | 2,117 |
| 1 3/8″ | 6 | 4,233 | 12 | 2,117 |
| 1 1/2″ | 6 | 4,233 | 12 | 2,117 |
| 1 3/4″ | 5 | 5,08 | — | — |
| 2″ | 4,5 | 5,644 | — | — |
| 2 1/4″ | 4,5 | 5,644 | — | — |
| 2 1/2″ | 4 | 6,35 | — | — |
| 2 3/4″ | 4 | 6,35 | — | — |
| 3″ | 4 | 6,35 | — | — |
Использование гаек и болтов одинаковой прочности и материала
Важным фактором, который влияет на надежность и долговечность соединения, является совместимость болтов и гаек по прочности и материалу. Гайка по стойкости к нагрузке должна быть равной болту или даже прочнее его. То есть более прочную гайку можно использовать с более слабым болтом, но не наоборот. Например, гайка 8-го класса приемлема для использования с болтом 5-го и 8-го класса.
Классы прочности дюймовых гаек
Механические свойства дюймовых шестигранных гаек описаны в стандарте SAE J995, который охватывает материалы, методы производства, механические свойства и требования к испытаниям. Их прочность измеряется в psi (фунт-сила на квадратный дюйм).
Для преобразования величин используют значения:
- 1000 psi (Ibf/in²) = 6,8948 МПа
- 1 МПа = 145, 038 PSI (Ibf/in²)
К примеру, термически обработанные высокопрочные болты, изготовленные из среднеуглеродистой стали, обычно имеют прочность 120.000 psi или 827 МПа. Для работы с ними необходимо использовать гайки с пределом прочности не менее 120.000 psi или на 20% выше.
Если болт окажется прочнее, то разрушение резьбового соединения при превышении момента затяжки произойдет не по его стержню, а из-за срыва резьбы более слабой гайки. Если разрыв ножки происходит внезапно и легко может быть выявлен, то срыв резьбы труднее заметить, и частично разрушенное резьбовое соединение может в любой момент выйти из строя.
Твердость шайб также нельзя упускать из виду. Использование термически необработанных шайб с высокопрочными крепежными изделиями может привести к потере момента затяжки, так как их шестигранный профиль со временем может продавить шайбу.
Идентифицировать класс прочности стальной дюймовой гайки можно по маркировке на ее торцевой поверхности.
| SAE классы | Маркировка |
| 2 | Не маркируется |
| 5 | Две окружные линии, расположенные на расстоянии 120° |
| 8 | Две окружные линии, расположенные на расстоянии 60° |
Класс 2 (Grade 2) – самые распространенные гайки общего применения из низкоуглеродистой или среднеуглеродистой метизной стали, например, С1010. Их прочность и цена невысоки. Соответствуют аналогам ISO/DIN класса прочности 4 или 5.
Класс 5 (Grade 5) – класс средней прочности для деталей из среднеуглеродистой стали (С1020, С1035, С1045), которые могут закаливаться до достижения требуемых прочностных свойств. Соответствует аналогам ISO/DIN класса прочности 8.
Класс 8 (Grade 8) – высокопрочные гайки из легированной стали (4140, Cr42Mo), предназначенные для ответственных строительных проектов и тяжелых нагрузок. В процессе производства обязательно подвергаются закаливанию. Соответствуют аналогам ISO/DIN класса прочности 10.
Таблица 3. Стойкость к нагрузке и требования к твердости гаек (HEX NUTS)
| SAE классы | 5 | 8 | |||
| Резьба | UNC | UNF | UNC | UNF | |
| Контрольная нагрузка (psi) | 120.000 | 109.000 | 150.000 | 150.000 | |
| Твердость (HRC) | 32 MAX | 32 MAX | 26-34 | 26-34 | |
| Размер гайки, дюйм | 5/8 | 27.100 | 27.900 | 33.900 | 38.400 |
| 3/4 | 40.100 | 40.700 | 50.100 | 56.000 | |
| 7/8 | 55.400 | 55.500 | 69.300 | 76.400 | |
| 1 | 72.700 | 74.000 | 90.900 | 101.900 | |
Допустимая (пробная, контрольная) нагрузка (Proof Load Stress) установлена стандартом SAE J995. Она определяется как максимальное растягивающее усилие, которое может быть приложено к ответному болту и не приведет к пластической деформации. Пробная нагрузка обычно составляет 85-95% от предела текучести крепежа.
Совместимость материалов
Совместимость болта и гайки по материалу не менее важна, чем их прочностная совместимость. Они производятся из широкого спектра материалов: от обычной стали до нержавейки, цветного металла, титана, пластиков. Метизные стали дополнительно делятся на различные марки, химический состав которых придает крепежу определенные свойства, коррозионную стойкость, хрупкость, пластичность и т. д. При замене гайки она должна соответствовать оригиналу по материалу и по виду защитного покрытия. Только при правильном подборе резьбовой пары можно рассчитывать на долговечность болтового соединения.
