Соединение деталей с помощью резьбы является одним из старейших и наиболее распространенных видов разъемного соединения
Достоинства резьбовых соединений.
1. Обеспечивают возможность многократной сборки-разборки.
2. При небольшой силе на ключе создают значительные силы затяжки вследствие клинового действия резьбы и большого отношения длины L гаечного ключа к радиусу r резьбы (L / r – 28).
3. Позволяют производить сборку деталей при различном взаимном их расположении. Тем самым с помощью резьбовых деталей можно выполнять регулирование, в том числе и регулирование осевого положения деталей на валу или осевого положения самого вала в корпусе.
Недостаток – сравнительно большие размеры фланцев для размещения гаек или головок винтов
Классификация резьб
По форме основной поверхности различают цилиндрические и конические резьбы . Наиболее распространена цилиндрическая резьба. Коническую резьбу применяют для плотных соединений труб, масленок, пробок и т. п.
По форме профиля различают треугольные, прямоугольные, трапецеидальные, круглые и другие резьбы .
По направлению винтовой линии различают правую и левую резьбы . У правой резьбы винтовая линия идет слева направо и вверх, у левой – справа налево и вверх. Наиболее распространена правая резьба. Левую резьбу применяют только в специальных случаях.
Если витки резьбы расположены по двум или нескольким параллельным винтовым линиям, то они образуют многозаходную резьбу . По числу заходов различают однозаходную, двухзаходную и т. д. резьбы. Наиболее распространена однозаходная резьба. Все крепежные резьбы однозаходные . Многозаходные резьбы применяются преимущественно в винтовых механизмах . Число заходов больше трех применяют редко.
Типы резьб
Резьбы бывают: метрическая и дюймовая с треугольным профилем – основная крепежная резьба; трапецеидальная симметричная ; трапецеидальная несимметричная или упорная; прямоугольная и круглая . Также есть трубная резьба, профиль которой треугольный со скругленной вершиной и углом 55 0 .
| Треугольные | |
| Метрическая | Дюймовая |
| Трапецидальная | |
| Прямоугольная | |
Основные типы резьбовых соединений
Проверка элементов резьбы на прочность
Основные виды разрушения резьб: срез витков и износ витков . В соответствии с этим основными критериями работоспособности и расчета для резьб являются прочность, связанная с напряжениями среза τ и износостойкость, связанная с напряжениями смятия σ см
Расчет болтового соединения, нагруженного поперечной силой
Условием надежности соединения является отсутствие сдвига деталей в стыке . Конструкция может быть выполнена в двух вариантах.
При этом внешнюю нагрузку F уравновешивают силами трения в стыке, которые образуются от затяжки болта. Без затяжки болтов детали могут сдвигаться в пределах зазора, что недопустимо.
В этом случае отверстие калибруют разверткой, а диаметр стержня болта выполняют с допуском, обеспечивающим беззазорную посадку. Такая установка болта в отверстие соединяемых деталей обеспечивает восприятие внешней нагрузки стержнем болта . При расчете прочности соединения не учитывают силы трения в стыке, так как затяжка болта в принципе не обязательна.
Способы стопорения резьбовых соединений
Самоотвинчивание разрушает соединения и может привести к аварии . Предохранение от самоотвинчивания весьма важно для повышения надежности резьбовых соединений и совершенно необходимо при вибрациях, переменных и ударных нагрузках. Вибрации понижают трение и нарушают условие самоторможения в резьбе.
Существует много способов стопорения или предохранения от самоотвинчивания. Описание этих способов приводится в справочниках и специальной литературе. Рассмотрим наиболее распространенные.
7.2.2. Шпоночные соединения
Шпоночные соединения служат для закрепления деталей на осях и валах. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки и т.д. Эти соединения могут передавать в основном вращающий момент.
Классификация шпоночных соединений
Виды ненапряженных шпоночных соединений
Виды напряженных шпоночных соединений
Расчет шпоночного соединения призматической шпонкой
Зависят резьбовые соединения от наружной и внутренней поверхности расположения. Они бывают внутренними, наружными, коническими и цилиндрическими. Различаются по сечению и профилю детали: круглые, прямоугольные, упорные, трапецеидальные. Назначение бывает ходовым либо крепежным.
Крепежная имеет треугольный профиль и разделяется на две группы: дюймовая и метрическая.
Резьбовое соединение дюймовое измеряется в дюймах (от этого и название), шаг равен 25,4 мм. Характеризуется количеством ниток винтообразной линии на один дюйм нарезанной детали.
Дюймовые используются для соединения труб (называются Также применяются для нарезания на запасных частях различного оборудования. В машинах, которые производятся в наше время, не применяется. Стандарты разработаны под метрическую, поэтому проектирование ведется под этот стандарт.
Резьбовые соединения с упорной резьбой применяются при больших нагрузках.Трапецеидальные служат креплением при передаче движения (винты ходовые) и усилия, но не производят жесткого скрепления деталей. Для арматуры применяют круглую резьбу, в машинах она используется крайне редко.
С треугольным профилем резьбовые соединения являются самыми надежными, даже при одном и том же диаметре. Упорная является менее прочной. Еще менее надежной резьбой будет трапецеидальная, Самая слабая – прямоугольная. Благодаря плавным закруглениям у круглой высокая динамическая прочность.
Резьбовые соединения разделяются по группам: винтовые, комбинированные, болтовые и шпилечные.
Простейшие соединения состоят из гайки и винта.
Чтобы не происходило самоотвинчивания в соединениях, применяют стопорящие детали, которые смягчают вибрацию и ударную нагрузку, снижают трение.
В справочниках приводится множество способов стопорения от самоотвинчивания.
Для автомобиля производятся с помощью болтов, изготовленных из углеродистого металла. В крепеже, требующем повышенной надежности и прочности, применяется легированная хромистая сталь. В момент затяжки резьбовых соединений применяется динамический ключ (в нем нормированы моменты нагрузки усилия).Такие ключи применяются в механизмах, где сила соединения строго определена в
Резьбовые соединения сначала зажимают, потом немного ослабляют и снова затягивают. Так контролируется правильность силы зажима.
Расчет резьбовых соединений производится с целью определения напряжения, которое возникает в соединении. Также нужно рассчитывать запас прочности и для применяемых болтов.
Расчет выполняется по элементам:
Без гайки и с гайкой;
С нагрузками эксцентрическими и концентрическими;
С креплением шпилькой;
Зона контакта определяется геометрией резьбы;
Если много участков валов цилиндрических;
С множеством пластин.
При расчетах используются одни статистические нагрузки.
Резьбовые соединения хороши тем, что их всегда можно разобрать, не повреждая самих деталей.
ЛЕКЦИЯ 3
РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Резьбовые соединения – это самый распространенный вид разъемных соединений. Они осуществляются болтами, винтами, шпильками, гайками и т. п.
Основным элементом соединения является резьба, образуемая нарезанием или накаткой на детали по винтовой линии (рис. 5.1.1, 5.1.2).
Рисунок. 5.1.1 – Винтовая линия резьбы
Угол подъема резьбы
Резьбы классифицируются по форме поверхности , на которой образуется резьба: цилиндрические и конические .
По форме профиля различают типы:
треугольные (рис. 5.1.3, а );
упорные (рис. 5.1.3, б );
трапецеидальные (рис. 5.1.3, в );
прямоугольные (рис5.1.3, г );
круглые (рис. 5.1.3, д ).
При подъеме винтовой линии слева на право – резьба правая, у левой – справа налево.
Резьбы делятся на многозаходные и однозаходные (рис. 5.1.4).
По назначению различают:
крепежные:
крепежно-уплотняющие;
ходовые (для преобразования движения).
Рисунок 5.1.2– Образование резьбы
Крепежно-уплотняющие резьбы применяют для соединения деталей, требующих герметичности (рис. 5.1.6).
Крепежные резьбы чаще однозаходные. Резьбы для преобразования движения (вращательное в поступательное и наоборот) применяют в винтовых механизмах (в ходовых и грузовых винтах). Они имеют трапецеидальный профиль, реже – прямоугольный.
Рисунок 5.1.3- Формы профиля резьбы:
а – треугольная; б – упорная; в – трапецеидальная; г – прямоугольная; д – круглая
Достоинства резьбовых соединений:
простота конструкции, технологичность;
удобство сборки, разборки;
высокая нагрузочная способность;
малые габариты соединений;
стандартизация изделий.
Рисунок 5.1.4- Виды резьб
а – трехзаходная; б – однозаходная
Недостаток: наличие резьбы создает концентрацию напряжений на поверхности деталей, что снижает их прочность при переменных напряжениях.
Геометрические параметры резьбы
Основными параметрами цилиндрической резьбы являются:
d – номинальный диаметр (нагруженный диаметр резьбы винта);
d l – внутренний диаметр резьбы гайки;
d 3 – внутренний диаметр резьбы винта;
d 2 – средний диаметр резьбы, на котором ширины профилей винта и гайки совпадают;
р – шаг резьбы, т. е. расстояние между одноименными сторонами соседних профилей;
р h – ход резьбы, т. е. расстояние между одноименными сторонами одного и того же витка в осевом направлении (рис. 5.1.4, а, б ).
Для однозаходной резьбы p h = р .
Для многозаходной резьбы p h = z∙р , где z – число заходов.
Ход равен пути перемещения винта вдоль своей оси при повороте на один оборот в неподвижной гайке;
α – угол профиля резьбы; наиболее распространенной является метрическая резьба, для которой α = 60°.
у – угол наклона боковой стороны профиля (рис. 5.1.5);
у – угол подъема резьбы (рис. 5.1.1);
Основные типы резьб. Метрическая резьба – изготовляется по стандарту с крупным и мелким шагом (табл. 1.12). Угол наклона у боковой стороны профиля дает возможность самоторможения и обеспечивает восприятие больших осевых сил (рис. 5.1.5). Мелкие резьбы применяют в соединениях, работающих при переменных нагрузках.
Рисунок 5.1.5– Метрическая резьба
Дюймовая резьба имеет профиль равнобедренного треугольника с углом при вершине α = 55°. Число витков задают на дюйм (1 дюйм = 25,4 мм). В РФ используется при ремонта импортного оборудования.
Трубная резьба имеет профиль равнобедренного треугольника с закругленными выступами и впадинами (рис. 5.1.6).
Рисунок 5.1.6– Трубная резьба
Трапецеидальная резьба – основная в передаче винт-гайка. Профиль – равнобочная трапеция, угол профиля α = 30°, угол наклона боковой стороны = 15° (рис. 5.1.7). Характеризуется технологичностью, малыми потерями на трение, КПД выше, чем у резьб треугольного профиля. Применяется для реверсивных передач под нагрузкой (домкраты, прессы, ходовые винты станков).
Упорная резьба (рис. 5.1.8). Профиль – неравнобочная трапеция с = 3°. Применяют в передаче винт-гайка при больших односторонних нагрузках (винты домкратов, прессов).
Рисунок 5.1.7– Трапециедальняя резьба Рисунок 5.1.8– Упорная резьба
Прямоугольная резьба (рис. 5.1.9). Профиль резьбы – квадрат, = 0°. Имеет самый высокий среди резьб КПД, но затруднительна в изготовлении. Затруднение вызваны тем, что эту резьбу нельзя фрезеровать и шлифовать, т. к. угол профиля α = 0°. Не стандартизирована. Применение ограниченно (малонагруженные передачи винт-гайка).
Рис. 5.1.9. Прямоугольная резьба
Таблица 1.12 – Основные размеры метрической резьбы, мм (по ГОСТ 9150-81. ГОСТ 8724-81
d, D – наружные диаметры соответственно наружной резьбы (болта) и внутренней резьбы (гайки);
d 2 , D 2 – средние диаметры соответственно болта и гайки;
d 1 , D 1 – внутренние диаметры соответственно болта и гайки;
d 3 – внутренний диаметр болта по дну впадины;
р – шаг резьбы;
Н – высота исходного треугольника.
Номинальные значения диаметров резьбы должны соответствовать указанным на чертеже и в таблице.
| Шаг резьбы р | Диаметр резьбы | |||
| наружный | внутренний | внутренний по дну впадины | ||
| С крупным шагом | ||||
| Продолжение табл. 1.12 | ||||
| Диаметр резьбы | ||||
| Шаг резьбы р | наружный | внутренний | внутренний по дну впадины | |
Конструктивные формы резьбовых соединений. Наибольше распространение среди резьбовых деталей получили крепежные болты, шпильки, винты, гайки.
Соединение болтом (рис. 5.1.10, а ) применяют для деталей сравнительно малой толщины, а также при многократной разработке и сборке соединений. При большой толщине соединяемых деталей предпочтительны шпильки (рис. 5.1.10, в ).
Рисунок 5.1.10. Виды резьбовых соединений: Рисунок 5.1.11. Формы головок болтов:
а – соединение болтом; б – соединение вин- а – шестигранные; б, е – полукруглые; том; в – соединение шпилькой е, ж – цилиндрические; г, д – по
Болты и крепежные винты различают по форме головок, форме стержня, а также по степени точности изготовления (рис. 5.1.11).
Чаще применяют болты и винты с шестигранной головкой, так как они позволяют приложить больший момент завинчивания и получить большие силы затяжки деталей.
Гайки различают в зависимости от формы, высоты и точности изготовления (рис. 1.46, 1.47).
Шайбы подкладывают под гайки увеличивая этим опорную поверхность и предохраняя детали от задиров. Существуют шайбы пружинные, стопорные и др. применяемые для предохранения резьбовых деталей от самоотвинчивания.
Рисунок. 5.1.12 – Виды гаек: Рисунок 5.1.13 – Гайки шестигранные:
а – гайка круглая, б – гайка-барашек а – нормальной высоты; б – высокая; в –
узкие; г – корончатые
КПД винтовой пары. При переменных нагрузках условие самоторможения не наблюдается, поэтому применяют различные способы стопорения.
КПД винтовой пары определяется как отношение полезной работы W п на винте к затраченной W З за один оборот винта или гайки.
где – угол подъема резьбы;- приведенный угол трения,
f ” – приведенный коэффициент трения (рис. 5.1.1).
Значение КПД имеет смысл для передачи винт-гайка. Для повышения КПД применяют многозаходную резьбу с углом подъема до 40°, а также антифрикционные материалы (бронзу и др.), вводят смазочные материалы.
Классы прочности и материалы резьбовых изделий. Стальные болты, шпильки и винты изготовляют 12 классов прочности, которые обозначают двумя числами, разделенными точкой: 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.6, 6.8 и т. д. Первое число, умноженное на 100, указывает минимальное значение временного сопротивления в Н/мм 2 (МПа); произведение чисел, умноженное на 10, определяют предел текучести в Н/мм 2 .
Класс прочности деталей выбирается в зависимости от степени нагруженности. При малой нагруженности принять 5.6; 6.6 – для средней нагруженности; 12.9 – для высокой нагруженности.
| Таблица 1.13 – Классы прочности и механические характеристики болтов, гаек (выборка) | ||||
| Класс прочности | Временное сопротивление ств, Н/мм 2 (МПа) | Предел текучести от, Н/мм 2 (МПа) | Марка стали | |
| 20, СтЗкпЗ | ||||
Для стандартных крепежных резьбовых деталей общего назначения применяют низко- и среднеуглеродистые стали по ГОСТ 1759.4-87.
| Таблица 1.14 – Механические характеристики марок сталей | |||||||
| Марка стали | Предел прочности , МПа | Предел текучести , МПа | Предел выносливости МПа | Марка стали | Предел прочности , МПа | Предел текучести , МПа | Предел выносливости , МПа |
Углеродистые стали 10…35 являются дешевыми и позволяют изготовлять болты, винты, гайки методом штамповки с последующей накаткой резьбы. Легированные стали ЗОХ, 30ХГСА применяют при высоких нагрузках на детали, испытывающих переменные и ударные нагрузки.
Значения допускаемых напряжений определяют в зависимости от предела текучести , так как в большинстве случаев резьбовые изделия изготовляют из пластичных материалов.
При расчете на растяжение: , (- см. табл. 1.14).
При расчете на срез: ср = 0,4 .
При расчете на смятие: см = 0,8 .
Значения допускаемого коэффициента запаса прочности зависят от характера нагрузки, качества монтажа (контролируемая или неконтролируемая затяжка), материала крепежных деталей из углеродистых сталей:
для незатянутых соединений = 1,5…2 (в общем машиностроении);
для грузоподъемного оборудования = 3…4;
для затянутых соединений = 1,3…2, (при контролируемой затяжке) и- при неконтролируемой затяжке.
Типовые схемы расчета болтов
Рисунок 5.1.14 – Нагружение стержня винта растягивающей силой
Опыт эксплуатации машин, аппаратов показал, что отказы соединений обычно происходят из-за разрушения резьбовых изделий и разгерметизации стыков. Как правило происходит поломка болтов и шпилек по резьбовой части. Реже встречаются поломки болтов под головкой и срез резьбы в гайке. Рассмотрим некоторые случаи нагружения болтов (винтов).
1. Стержень винта нагружен только внешней растягивающей силой F (pиc. 5.1.14). Опасным является сечение резьбы по диаметру d 1 – внутренний диаметр резьбы.
Условие прочности при растяжении:
Расчетный диаметр d 1 – согласовать со стандартом и записать найденный номинальный диаметр резьбы.
Рисунок 5.1.15
2. Болт затянут (крепление крышек корпусов редукторов, крепление герметичных крышек). Болт затягивается осевой силой F 0 и закручивается моментом сил трения в резьбе (рис. 5.1.15).
Напряжение растяжения от силы F зат :
где d paсч = d – 0,94p ;
d и р – наружный диаметр резьбы и шаг резьбы;
F зат – на практике определяют:
F зат = К зат F , где
К зат – коэффициент затяжки по условию нераскрытия стыка.
При постоянной нагрузке К зат = 1,25…2.
При переменной нагрузке К зат = 2,5…4.
При металлической фасонной прокладке К зат = 2…3.
При металлической плоской прокладке К зат = 3…5.
Напряжение кручения от трения в резьбе
где – угол подъема резьбы;
Приведенный угол трения.
Эквивалентное напряжение по теории энергии формоизменения
Подставляя выражение ив формулуи принимая для стандартных болтов с метрической резьбой= 2°30″,d 2 /d l = 1,12 и f = 0,15; чему соответствует = 8°40″, получим.
