Как выбрать гайковёрт?

Дважды в год каждый автолюбитель меняет зимнюю резину на летнюю (или наоборот). Многие делают это в шиномонтажных сервисах, но некоторая часть пользователей имеет два комплекта дисков и у них процедура сводится к простой замене колёс. Велик соблазн сделать это самостоятельно, тем более что рынок предлагает множество моделей аккумуляторных гайковёртов. Но практика применения этих инструментов уже показала, что иногда они не оправдывают ожиданий. Не хватает крутящего момента, хотя по техническим параметрам его даже в избытке. И речь тут не в обмане со стороны продавцов или производителей, причину нужно искать в естественных физических процессах.

Крутящий момент – одна из наиболее часто встречающихся характеристик аккумуляторного и электроинструмента. И она же – из числа самых «затуманенных». Казалось бы, всё предельно логично – чем больше указанная величина максимального крутящего момента, тем лучше. Так что выбираем модель с самой большой заявленной величиной, покупаем и радуемся покупке.

Однако на самом деле это примерно то же самое, что и выбор автомобиля по цифрам на спидометре – чем длиннее шкала и чем больше последняя цифра, тем лучше. Неплохо, если там 220, но ведь гораздо приятнее, если 280. Вот только ездить вы будете всё равно со скоростью не больше 110 (а в перспективе и того меньше) – потому что камеры, штрафы, лишний расход топлива, да и просто состояние дорог таково, что разгоняться особо негде. И главное – незачем!

Аналогия с шуруповёртами прослеживается в том, что для выполнения работы, на которую они рассчитаны, им достаточно более низкого крутящего момента, чем тот максимум, что заявлен в характеристиках. Так что логично задаться вопросом – а что это понятие обозначает и какой в нём смысл? Этой статьёй мы попробуем расставить точки над «i» и объяснить сразу несколько важных моментов:

• что такое крутящий момент, в чём он измеряется;
• 1 (10, 100, 1000) Н*м – это много или мало;
• чем отличается мягкий крутящий момент от жёсткого;
• и самое главное – почему аккумуляторный гайковёрт «не берёт» колёсные гайки, хотя покупался именно для этой работы? Да и продавец уверял, что раз в инструкции к автомобилю указан момент затяжки колёсных гаек 120 Н*м, то гайковёрт, с его заявленными 200 Н*м, открутит их, не заметив сопротивления?

Мы постарались написать статью максимально простым языком, но не настолько, чтобы у профессионалов возникло желание расстрелять авторов. Здесь приходится балансировать на тонкой грани, учитывая бездонную пропасть между предельно точно сформулированными определениями из физики и мира техники, с одной стороны, и устоявшимися терминами на потребительском рынке – с другой.

Что такое крутящий момент?

Это произведение модуля силы на длину рычага, к которому она приложена. Ну, если не вдаваться в подробности, сила – величина направленная, и поэтому произведение должно быть векторным. Крутящий момент достаточно легко представить «в ощущениях». Предположим, вы держите в руке палку длиной 1 м. Держите за конец, горизонтально, но сама палка невесомая, так что никакой нагрузки вы не чувствуете.

А теперь к концу палки прикрепляют груз весом 100 г. Всего-то, но на метровом рычаге «выворачивающее» руку усилие будет не таким уж малым – ощущения сразу станут «не те». Так вот, это «всего лишь» 1 Н*м: сила в один ньютон действует на рычаг длиной 1 м. Возьмите груз весом 200 г или увеличьте длину палки до 2 м – получите 2 Н*м, килограммовый груз даст соответственно 10 и 20 Н*м в зависимости от длины рычага. Ну а 55 Н*м – это 5,5-килограммовый груз на метровой палке, который вы пытаетесь удержать в руках. Кстати, 55 Н*м – это максимальный крутящий момент у некоторых 18-вольтовых аккумуляторных шуруповёртов… по крайней мере, по заявлениям производителя.

Чем мягкий момент отличается от жёсткого?

В технических характеристиках шуруповёртов часто упоминаются два вида крутящего момента – мягкий и жёсткий. Жёсткий момент у современных мощных моделей может быть значительно выше 100 Н*м. Однако в таблицах прочности крепежа (да, такие существуют) указаны предельные значения прочности в разы, а то и на порядок ниже максимальных значений крутящего момента инструмента. Как сопоставить одно с другим?

Методики замера крутящего момента регламентируются ISO 5393:2017. В аккумуляторных инструментах крутящий момент достигается двигателем, токи которого ограничены электроникой и характеристиками аккумулятора. Он повышается редуктором, но часть момента неизбежно теряется на трение и другие взаимодействия в редукторе и на валах.

Жёсткий крутящий момент достигается на метрической резьбе при затягивании соединений типа «болт-гайка». При этом берутся высокопрочные крепежи, так как на них можно достичь более высокого момента без их разрушения. Двигатель в момент достижения этих значений останавливается из-за перегрузки, через него течёт огромный ток, и в этот момент обычно реагирует защита по току. Так, двигатель типа Mabuchi RZ-8BAWA с номинальным напряжением 19,8 В, предназначенный для мощных инструментов с напряжением питания 18 (20) В, без нагрузки потребляет ток 4,6 А и развивает обороты до 20 200 в минуту. При блокировке вала, то есть в описанных выше условиях, его крутящий момент возрастает до 1,02 Н*м с током потребления в 116 А. В режиме же максимальной эффективности обороты снижаются до 16 870 в минуту, ток не превышает 23 А, но и крутящий момент при этом не выше 0,168 Н*м. Это именно у двигателя, дальше в дело вступает редуктор. Если он на первой скорости «выдаёт» 300 об/мин, то жёсткий крутящий момент в теории будет около 69 Н*м при потребляемом двигателем токе 116 А. Это именно в теории, потому что такие громадные токи будут, конечно же, ограничены встроенной электроникой. Иначе проводка и аккумулятор неминуемо выйдут из строя. Поэтому реальные значения жёсткого крутящего момента не настолько впечатляющи, тем не менее производители в погоне за красивыми цифрами указывают предельное теоретическое значение.

Мягкий крутящий момент достигается при сверлении и работе с крепежом типа «саморез-дерево», то есть в ситуациях, когда оснастка не останавливается, а продолжает вращаться, хотя и испытывает сопротивление со стороны крепежа или обрабатываемого материала. Если с жёстким крутящим моментом все более или менее понятно, то с мягким дело обстоит сложнее. Но к некоторым вполне обоснованным выводам можно прийти на основе анализа технических параметров инструментов и их двигателей. Если посмотреть заявленные производителями инструмента данные, можно увидеть, что мягкий крутящий момент обычно вдвое ниже жёсткого. В то же время некоторые производители двигателей публикуют данные о максимальной мощности. В этом режиме двигатель снижает обороты на 30-40% по сравнению с режимом максимальной эффективности. Сила тока повышается до 50% от режима полной блокировка вала, или около 250% — от режима максимальной эффективности. И при этом крутящий момент как раз имеет значение около 50% от режима полной блокировки вала. Сопоставляя эти данные, приходим к выводу, что мягкий крутящий момент реализуется при работе инструмента в режиме максимальной мощности.

Интересно посмотреть также на режим максимальной эффективности. Для примера рассмотрим тот же двигатель типа Mabuchi RZ-8BAWA номиналом 19,8 В. В режиме  максимальной эффективности через двигатель протекает ток не более 23 А, крутящий момент при этом — 0,168 Н*м, обороты – 16 870 в минуту. При таких исходных данных частота вращения вала инструмента на первой скорости составляет 300 об/мин, максимальный крутящий момент — 11,3 Н*м. Этого достаточно для сверления в стали отверстий диаметром 16 мм.

Говоря о шуруповёртах, надо помнить, что у них есть муфта ограничения крутящего момента. Она ограничивает его значениями 0,5-4 Н*м для младших моделей, и 1-6 Н*м — для старших. Максимальные известные значения – у некоторых узкоспециализированных моделей: там момент, даже ограниченный муфтой, может достигать 20 Н*м.

Ограничивающая муфта нужна для работы с крепежом, чтобы инструмент не сломал его. Ещё муфта необходима, если инструмент используют для нарезания мелкой резьбы. Известно, что мелкие метчики легко ломаются, поэтому лучше момент ограничить, чтобы избежать крайне сложной процедуры извлечения обломка метчика.

Что такое гайковёрт?

Для начала конкретизируем само понятие «гайковёрт». Две характерных особенности отличают его от шуруповёрта: наличие режима тангенциального удара и, обязательно, внешний квадрат дюймового размера — 3/8” (9,5 мм), ½” (12,7 мм), ¾” (19 мм), 1” (25,4 мм) – для фиксации оснастки. Аналогичный по конструктиву инструмент с тангенциальным ударом, но с автоматическим патроном под внутренний шестигранник ¼” (6,35 мм) называется ударным винтовёртом. Часто его тоже называют гайковёртом, но, на наш взгляд, это ошибочно. Разница между этими инструментами слишком велика, чтобы валить их в одну кучу.

ВИДЕО: В этом видеоролике мы разбираем бесщёточный аккумуляторный винтовёрт Stanley SBI201. Конструктивно он практически идентичен гайковёртам, разница только в шпинделе

Нам доводилось слышать мнение, что у гайковёртов с тангенциальным ударом какой-то свой, особенный крутящий момент, и он принципиально отличается от «обычного» крутящего момента. Именно этим иногда объясняют тот факт (весьма распространённый, кстати), что гайковёрт с максимальным моментом, скажем, 160 Н*м, не способен открутить крепёж, закрученный с усилием 120 Н*м (с помощью динамометрического ключа). Дескать, это разные моменты, и напрямую их сравнивать нельзя. Динамометрическим ключом – это усилие затяжки, а гайковертом – это как раз крутящий момент, и это якобы абсолютно разные понятия.

На самом деле понятия одинаковые, и момент, естественно, один и тот же. Но механизм его возникновения и воздействия у гайковёртов, действительно, другой, не такой, как у динамометрического ключа. И это объясняет, откуда возник такой стереотип про разную природу терминов. С ключом всё понятно, на него просто давишь с нужной силой. У гайковёртов есть специальная ударная муфта, формирующая тангенциальный удар (по окружности вращения). Ударная муфта состоит из вала с ударником на конце с парой (в единичных случаях — тройкой) кулачков, по которым ударяет цилиндрический вращающийся боек с ответными кулачками на торце. Крутящий момент у известных на момент написания статьи моделей не превышает 2400 Н*м (представьте себя удерживающим одной рукой груз весом в четверть тонны на конце метрового удилища!). Прелесть гайковёрта в том, что сопротивления руке не чувствуешь, во время работы его уверенно держишь одной рукой. Это характерная особенность всех инструментов с тангенциальным ударом, они абсолютно не выворачивают руку.

Конструкция ударной муфты механического гайковёрта – именно она создаёт тангенциальный удар

К слову, у пневматических гайковёртов конструкция совершенно другая. Основной тип ударного механизма тут — «двойной молот». Удары наносятся по кулачкам на внешней поверхности вала двумя молотками специальной формы, которые вращаются вокруг этого вала на раме.

Существуют также гидравлические ударные гайковёрты (они же – масляные). У них кулачки ударника расположены на внутренней части цилиндра, а массивный цилиндрический боёк имеет утапливающиеся и подпружиненные кулачки на внешней поверхности цилиндра. Крутящий момент у инструментов этого типа не превышает 50 Н*м, удар более мягкий, зато растянутый во времени.

Ударный механизм пневматического гайковёрта типа «двойной молот»

Каков крутящий момент у гайковёрта?

А вот теперь важный момент – в воздухе повисло слово «график». Именно в нём ключ к пониманию особенностей работы гайковёрта и ответ на вопрос «Почему же он не откручивает?»

График зависимости крутящего момента от времени воздействия. Здесь есть два ключевых момента. Первый – для каждого размера крепежа график свой, отдельный. Второй – крутящий момент зависит от времени воздействия, поэтому гайковёрт нельзя выключать сразу же, как только раздастся характерный металлический стук. Время воздействия надо подбирать именно по графику

В инструкции любого ударного гайковёрта обязательно должны быть два графика, показывающие, как именно нарастает крутящий момент на валу в зависимости от времени работы. Один график — для винтов средней прочности (8.8) другой — для высокопрочных винтов (не менее 10.9). В этой статье не будем подробно объяснять, что такое прочность крепежа, в чём она измеряется и почему обозначается именно так, – для обычного автолюбителя, покупающего гайковёрт только для самостоятельного сезонного шиномонтажа, эта информация не очень важна. Но знать, что в инструкции должны быть два графика, и уметь их понимать совершенно необходимо.

Именно эти графики являются решающим фактором при выборе модели для работы с крепежом.

Также для любого гайковёрта производитель указывает диапазон его применения в размерах метрической резьбы. Например, у модели Makita DTW1001RTJ с заявленным максимальным моментом 1050 Н*м диапазон применения такой: М12-М30 для стандартного крепежа и М10-М24 – для высокопрочного. При выборе в первую очередь надо ориентироваться на эти величины, а уже во вторую – на крутящий момент. Например, предполагается работа с винтами М12-М16. Здесь подходит инструмент с диапазоном М10-М20, то есть лучше взять модель, перекрывающую необходимый диапазон в обе стороны. Гнаться за «запасом мощности» не стоит… если попытаться применить такой инструмент для крепежа М6 или даже М8, то велик риск, что даже кратковременное воздействие ударной муфты повредит резьбу.

Определившись с моделью, смотрим на график и прикидываем, сколько времени в секундах надо «стучать» по винту или гайке, чтобы достичь нужного значения крутящего момента. Потому что именно в этом заключается одна из главных особенностей этого вида инструментов: нужный момент достигается не сразу. И необходимое для затяжки время определяют как раз по графику. Причём для каждого типоразмера крепежа график свой, индивидуальный… так что уместно говорить не о двух графиках, а о двух наборах графиков, это будет более точной формулировкой.

Для понимания особенностей работы гайковёрта следует также иметь хотя бы общее представление о силах, действующих на винтовое соединение. Они показаны на схеме.

Схема сил, действующих на винтовое соединение. Для понимания сути процессов важнее всего та, что обозначена цифрой 2, – сила трения головки

И теперь осталось открыть ещё один важный факт, после чего станет понятно, что же это за загадочная история с ньютон-метрами и аккумуляторными гайковёртами. В сервисных центрах обычно используют пневматические гайковёрты, а они конструктивно отличаются от аккумуляторных, и не только двигателем. Специализированный инструмент имеет регулировку крутящего момента на закручивание, допустим, в пределах 69-770 Н*м, а в режиме откручивания крутящий момент фиксированный и, кроме того, превышает максимальный момент на закручивание. Это непременное условие для успешного отворачивания прикипевших соединений. Здесь-то и проявляется главная проблема аккумуляторных моделей: у них крутящий момент одинаков что на прямом вращении, что на реверсе. Это значит, что инструментом с предельным крутящим моментом 200 Н*м  можно уверенно закрутить любой болт или гайку на легковом автомобиле, где необходимый момент затяжки не превышает 150 Н*м. Более того, им так же уверенно можно открутить всё, что закручено, но… только сразу после закручивания. Если дать соединению время поработать, то упомянутая выше сила трения головки увеличит требуемый для откручивания крутящий момент в несколько раз – это и есть эффект «прикипания». Именно поэтому не всегда получается сорвать гайку, закрученную с моментом 150 Н*м, гайковёртом с максимальным моментом в 200 Н*м, а то и выше. Придётся некоторые болты срывать по старинке ключом – именно так и поступают владельцы гайковёртов в подобных ситуациях.

Польза от инструмента в любом случае есть, и немалая. Хотя бы половину болтов он сорвёт, а для остальных сильно уменьшит время откручивания после срыва ключом. А с закручиванием у таких инструментов проблем вообще не возникает, главное – определить по графику нарастания подходящее время работы в режиме удара и обязательно дать инструменту поработать не меньше. Вот и весь секрет!

Автор: Дмитрий Сидоров.

Статья опубликована в объединённом выпуске «Весна 2020» (№1’2020)
журналов «Инструменты» + «Всё для стройки и ремонта» + «GardenTools»
серии «Потребитель».

Архив всех выпусков в pdf-формате смотрите здесь.

Февраль 2020 года