Виды стопорения крепёжных деталей

Содержание.
1. Виды стопорения 2. Стопорение контргайками 3. Стопорение шплинтами 4. Стопорение шайбами 4.1. Отгибные шайбы
4.2. Упругие шайбы 4.3. Храповые шайбы 5. Вязка проволокой 6. Самоконтрящиеся гайки 7. Стопорение покрытиями 8. Литература
1.Виды стопорения. Все нарезные крепежные детали машин должны быть надежно застопорены от само­отвертывания. Несоблюдение этого правила приводит к самым серьезным последствиям; известны случаи, когда отвернувшиеся внутри механизма гайка или болт вызывали тяжелые аварии и выводили из строя дорогостоящие агрегаты. Различают два основных способа стопорения. Позитивное (или жесткое) стопорение за­ключается в том, что стопоримая деталь со­единяется со стопорящей деталью жесткой связью — стопором; отвертывание стопоримой детали невозможно без среза, разрушения или деформации стопора. К этому способу отно­сится стопорение шплинтами, отгибными шай­бами, пластинками, вязочной проволокой и т. д. Другой способ заключается в создании по­вышенного трения между стопоримой и сто­порящей деталями; этот способ называют фрик­ционным стопорением. К нему относится стопо­рение контргайками, упругими подкладными шайбами, самоконтрящимися гайками и т. д. Фрикционное стопорение менее надежно, чем позитивное; всегда существует опасность уменьшения силы трения и, как следствие, ос­лабление соединения. По этой причине во всех ответственных соединениях и в соединениях, расположенных внутри машины, применяют только позитивное стопорение (главным обра­зом шплинтами). Менее ответственные соеди­нения, ослабление которых не может вызвать аварии машины, а также наружные (доступные для наблюдения) соединения допускается сто­порить фрикционным способом. Однако в этом случае необходим периодический кон­троль с подтяжкой ослабевших соединений. Разновидностью фрикционного стопорения является упругое стопорение, заключающееся в том, что в соединение вводят упругий эле­мент, постоянно поддерживающий натяжение в системе. Чем больше податливость системы, тем надежнее фрикционное стопорение: сила трения между стопоримой и стопорящей де­талью будет поддерживаться при появлении некоторых остаточных деформаций, вибрациях, пульсациях нагрузки и т. д. При стопорении контргайками система почти не обладает упругостью, при стопорении шайбами Гровера (пружинными шайбами) обладает незначитель­ной упругостью; при некоторых видах фрик­ционного стопорения обеспечивается весьма большая упругость. Существуют и смешанные способы стопорения, в которых сочетаются принципы позитивного и фрикционного стопорения. Таков, например, слу­чай храповых шайб. Здесь стопорение осуществляет­ся отчасти повышенным трением в резьбе в резуль­тате упругой деформации шайбы при затяжке и отчасти созданием жесткой связи между гайками и корпусом в результате врезания зубьев шайбы в торец гайки и опорную поверхность корпуса. Гайку можно стопорить на болт и на корпус (стягиваемую деталь). Различают следующие случаи. 1. Гайка удерживается за резьбу болта. При этом способе между нитками резьбы гайки и болта теми или иными приемами создают повышенное трение, увеличивающее сцепление между гайкой и болтом. К данному способу относят, например, стопорение за счет натяга в соединении, контргайками, упругими под­кладными шайбами, самоконтрящимися упру­гими гайками и т. д. 2. Гайка удерживается за тело болта. При этом способе применяют стопор той или иной формы, который одновременно входит в от­верстия или выемки в теле болта и гайки. К данному способу относят стопорение шплинтами, шайбами с отгибными лапками и т. д. Этот способ стопорения позитивный. 3. Гайка удерживается за корпус. При этом способе создают жесткую или упругую связь между гайкой и стягиваемой деталью (корпу­сом) или установленными на ней элементами. К данному способу относят, например, стопо­рение гаек лепестковыми шайбами с отгибом лепестков на гайку и на корпус, стопорение привертными шайбами с вырезами под гайку, вязку гаек проволокой и т. д. При этом спосо­бе обязательна одновременная фиксация болта от проворота относительно корпуса; иначе возможно самопроизвольное вывертывание болта из гайки. Для болтов и шпилек применимы все возможные способы стопорения: фрикционного, позитивного с фиксацией гайки на тело болта или шпильки, позитивного с фиксацией гайки на. корпус. Для ввертных болтов возможно фрикционное и позитивное стопорение болта на корпус. Во всех случаях целесообразно увеличивать податливость болта. Это повышает надеж­ность стопорения, способствуя сохранению по­стоянного натяга в соединении. Соединения с короткими жесткими болтами быстро ослабевают в эксплуата­ции, так как остаточные деформации, неизбеж­но возникающие со временем в резьбе и на опорных поверхностях, соизмеримы с удлине­нием болта при затяжке; поддерживать по­стоянный натяг в соединениях такого типа не­возможно, особенно в условиях тряски, вибра­ций и пульсации нагрузки. Не помогает в данном случае и позитивное стопорение, шплинты только предупреждают потерю болта или гайки, соединение же с тече­нием времени все равно ослабевает и делается неработоспособным. В тех случаях, когда применение коротких жестких болтов продиктовано необходи­мостью (например, случай крепления отъ­емных листовых элементов рам, облицовок и т.д.), приходится прибегать к периодическо­му осмотру и подтяжке ослабевших соедине­ний (регулярная подтяжка всех болтовых со­единений шасси и корпуса автомашин). Шплинтовку гаек в данном случае не приме­няют, так как она только затруднила бы подтяжку. Рациональное решение задачи состоит в уве­личении податливости системы. Длинные тон­кие упругие болты могут удерживать гайку от самоотвертывания; шплинтов­ка в данном случае является дополнительной мерой предосторожности. Применение длинных болтов, однако, далеко не всегда возможно из-за габаритных условий; в этих случаях прибе­гают к установке специальных упругих эле­ментов. Аналогичный результат дает и повышение упругости стягиваемых деталей. Подобные конструк­ции, разумеется, применимы только в случае если детали изготовлены из прочного мате­риала с высоким модулем упругости. В целях исключения перетяжки соединения вводят ограничители. Величина за­тяжки в данном случае определяется размером зазора, выбираемого при затяжке. Гайки, работающие под постоянным натя­гом сильных пружин испытывают фрикционное стопорение. Однако при работе в условиях вибраций или под динамической нагрузкой целесообразно дополнительно сто­порить гайку тем или иным способом. Глухое стопорение применяют в случаях, когда гайку на болте устанавливают навсегда. Существуют различные способы глухого стопорения: полной или частичной сваркой (пайкой) гайки и болта, раскерновкой), расклепкой или развальцовкой, обжатием удлиненного «воротника» гайки, расклиниванием конца болта кони­ческим штифтом), прошпиливанием гайки и болта штифтом.
Наиболее простым способом из указанных является сварка, особенно частичная (доста­точно одной капли расплавленного металла).
2.Стопорение контргайками. Стопорение контргайками (рис. 1) приме­няют редко вследствие недостаточной надежности. Этому способу присущ и другой недо­статок: при затяжке контргайка 1 (см рис. 1,I), вытягивая болт, принимает на себя всю нагрузку, в то время как основная гайка раз­гружается. Это заставляет иногда применять обратную схему: контргайку распо­лагают под основной гайкой (см. рис. 1,II), что обеспечивает более благоприятное распре­деление сил. Иногда контргайку делают одной высоты с основной гайкой (рис. 1,III).
Контргайки незаменимы в тех случаях, ког­да требуется бесступенчатая фиксация положе­ния гайки на болте, особенно при значитель­ном перемещении гайки вдоль болта. Часто применяют стопорение контргайкой в узлах регулирования осевого натяга подшип­ников качения. При применении конических контргаек увеличивается сцепление между контргайкой и основной гай­кой. Для повышения сцепления в резьбе кони­ческие контргайки снабжают прорезями, уве­личивающими податливость конуса в радиаль­ном направлении. Излишняя податливость конуса может затруднить пол­ную затяжку вследствие заклинивания гайки на резьбе на последних стадиях затяжки. Не­достаток конических контргаек — усложнение обработки посадочных поверхностей конуса и возникновение повышенных напряжений смятия на опорных поверхностях. На рис. 2 изображена упругая контргайка Палнэт (по названию фирмы «Polnut», выпу­скающей эти гайки). Гайку изготовляют из ли­стовой закаленной стали. Она имеет один виток резьбы, образованный отгибом по винто­вой линии внутренних лепестков. К достоин­ствам этой конструкции следует отнести ее малую массу и наличие некоторой упругости, обеспечивающей более надежное сцепление гайки с болтом. В последнее время упругие контргайки выполняют как одно целое с ос­новной гайкой.




















3. Стопорение шплинтами.
Стопорение шплинтами (шплинтовка) гаек — надежный и очень распространенный способ стопорения, применяемый в наиболее ответственных узлах. На рис. 3 для сравнения с более совре­менными способами шплинтовки гаек приве­ден устаревший способ шплинтовки. Недо­статки этого способа - ослабление болта на рабочем, напряженном участке, ограничен­ность хода гайки в пределах шплинтуемое™. В современных конструкциях (рис. 4) для увеличения хода затяжки (пределов шплинтуемости) в верхней части гайки делают пазы (обычно шесть — по числу граней гайки) глу­биной и, существенно большей диаметра d шплинта. Шплинт, выполненный из проволо­ки полукруглого сечения, вводят в один из па­зов гайки и в поперечное отверстие в верхней, ненагруженной, части болта; концы шплинта отгибают. Применяют два способа установки шплин­тов. При первом способе (рис. 4,I) шплинт устанавливают плоскостью кольца параллель­но оси болта; концы шплинта отгибают: один на грань гайки, другой на торец болта. При втором способе (рис. 4,II) шплинт устанав­ливают плоскостью кольца перпендикулярно к оси болта; концы шплинта отгибают на гра­ни гайки. Первый способ применяют чаще, так как он обеспечивает удобство монтажа и компакт­ность конструкции. Однако второй способ уве­личивает пределы шплинтуемости. Гайки с шестью пазами допу­скают возможность стопорения через каждые 60° поворота гайки. При шаге резьбы ~ 1,5 мм это соответствует вытяжке болта на 0,25 мм; регулировка силы затяжки, как вид­но, получается грубой. Для увеличения дробности фиксации в болте иногда сверлят два взаимно перпендику­лярных отверстия. В этом случае гайка может быть застопорена через каждые 30° поворота. Максимально возможное осевое перемещение гайки вдоль болта между край­ними положениями стопорения составляет t = = h—d (где h — глубина паза; d — диаметр шплинта). Для увеличения пределов шплинтуемости отверстия смещают относительно друг друга на величину s = h — d (не более). Этот способ применяют при длинных болтах, вы­тяжка которых при завертывании гайки может достигать значительной величины (0,5 мм и более). Иногда применяют способ шплинтовки, при котором паз выполняют на конце болта, а от­верстие — в гайке. Шплинты изготовляют из мягкой стали и после однократного употребления заменяют новыми. На практике применяют и по­стоянные упругие шплинты из закаленной стали. Концы упругих шплинтов снаб­жают зубчиками, которые надежно фиксируют шплинт после его установки.



4. Стопорение шайбами.


4.1 Отгибные шайбы.

Распространенным способом позитивного стопорения является стопорение отгибными шайбами. Шайбы изготовляют из мягкой листовой стали и снабжают лапками. При установке шайбы под гайку одну из ла­пок фиксируют на стягиваемой детали (чаще всего отгибом на близлежащий уступ крепеж­ного фланца), другую отгибают на грань гай­ки. Получается жесткая связь между гайкой и стягиваемой деталью (стопорение на кор­пус). Помимо отгибки на фланец, практикуют и другие способы фиксации шайбы на стяги­ваемой детали, пользуясь для этого любыми подходящими элементами детали, находящи­мися поблизости от гайки. Иногда фиксирую­щие элементы приходится создавать искус­ственно: лапку заправляют в специально про­деланное поблизости от гайки отверстие, или надевают ее на специально установленный для этой цели штифт, или фиксируют соседним болтом. Фиксация стопорными шайбами применима для ввертных болтов и для гаек, наверты­ваемых на шпильки. При стопорении гаек, на­вертываемых на болты (рис. 5), необходима одновременная фиксация головки болта от по­ворота. При стопорении одной гайки (рис. 5,I) болт может вывернуться из засто­поренной гайки. Правильная конструкция с фиксацией гайки и болта показана на (рис. 5,II). Фиксация стопорной шайбы на корпусе должна быть надежной и жесткой. На рис. 6 показана стопорная шайба с треугольным вырезом на лапке, позволяющим отгибать лапку не только на грань гайки (рис. 6,I), но и на угол шестигранника гайки (рис. 6,II), благодаря чему гайка может быть застопорена не через 60°, а через каждые 30° поворота. Шайбы часто выполняют без лапок, в ви­де круглых, овальных или прямоугольных пла­стинок. Фиксация шайбы на корпусе и гайки в данном случае достигается отгибом краев пластинок; иногда с вырубкой отгибаемых частей, что по­зволяет стопорить бесступенчато. Отгибные шайбы — стопоры разового применения. При каждой перетяжке соединения отгибные шайбы заменяют новыми.













4.2 Упругие шайбы.

Стопорение упругими шайбами основано на создании постоянных сил трения в резьбе и на торце гайки. Таким образом, в данном случае сочетается принцип стопорения гайки «на болт» и «на корпус». Силы трения препятствуют отвертыванию гайки при вибрациях, пульсации сил, дей­ствующих на соединение, а также при появле­нии остаточных деформаций в системе (напри­мер, при смятии опорных поверхностей). Чем больше упругость шайбы, тем надежнее стопорение. За исключением особых случаев, упругие шайбы устанавливают так, чтобы при оконча­тельной затяжке обеспечивался жесткий упор гайки в опорную поверхность стягиваемой детали. Простейшая и наиболее часто применяемая (хотя далеко не самая совершенная) форма упругого стопорения — разрезная пружинная шайба — шайба Гровера (иногда называемая просто «гровером»). Шайба (рис. 7) предста­вляет собой изготовленное из закаленной ста­ли кольцо с косым разрезом под углом ~ 15° к оси кольца. Наклон разреза делается левым для правой резьбы и правым для левой ре­зьбы. Концы шайбы слегка разведены и снабжены острыми кромками. При затяжке кольцо сжи­мается, кромки врезаются в тело гайки и в опорную поверхность, обеспечивая стопорение гайки «на корпус». Врезание замет­но выражено в том случае, когда опорные по­верхности имеют не слишком высокую твер­дость (НВ
Недопустима установка шайб Гровера на поверхностях мягких металлов (например, литые алюминиевые и магниевые сплавы): зубчики шайб портят такие поверхности. Применение стальных подкладных шайб сводит на нет стопорящий эффект врезания зубчиков в тело корпуса. Нижняя граница применения шайб Гровера — металлы с твердостью НВ>150. Для работы соединения как упругой си­стемы безразлично, где установлена шайба: под гайкой или под головкой бол­та, или одновременно под гайкой и болтом в последнем случае упругость системы увеличивается вдвое. Основной недостаток шайбы Гровера за­ключается в том, что от увеличения сечения кольца в ширину и в высоту возра­стает развиваемая кольцом упругая сила, но не повышается упругая деформация. Другой существенный недостаток — неизбежность внецентренного приложения силы затяжки, вы­званная тем, что сила затяжки передается гай­ке (и опорной поверхности) в большей степени на участке расположения храповых зубчиков, чем на остальной части окружности. Лучше в этом отношении пружинные шайбы прямоугольные, выгнутые по цилиндру (рис. 8). Шайбы затягивают до расплющивания, что обеспечивает жесткий упор гайки в опорную поверхность и возможность затяжки болта большой силой. Для увеличения упругости шайбы снабжают радиальными прорезями или делают разрезными. Применяют установку шайб одновременно под гайку и под головку болта. Для удобства монтажа упру­гие шайбы иногда заделывают в гайку соеди­нением, обеспечивающим возможность прово­рачивания гайки относительно шайбы.

4.3 Храповые шайбы.
При этом способе под гайку подкладывают шайбы, выполненные из закаленной стали и снабженные зубчиками. Форма зубчиков такова, что они, не мешая за­вертыванию гайки, препятствуют ее отверты­ванию, впиваясь своими острыми гранями в торец гайки и в опорную поверхность корпу­са и действуя наподобие храповых собачек (от­куда и возникло название шайб). Вместе с тем зубчикам, а иногда и шайбе в целом придают известную упругость, благо­даря которой описанный эффект сохраняется и при небольшом ослаблении затяжки, а также при вибрациях и пульсации сил, действующих на соединение. Таким образом, стопорение осуществляется отчасти по принципу упругого стопорения, отчасти по принципу жесткой свя­зи между гайкой и корпусом; гайка стопорит­ся и «на болт» и «на корпус». Для упрощения монтажа храповые шайбы иногда встраивают в гайку, обеспечивая в соединении возможность враще­ния гайки относительно шайбы. Храповые шайбы не применяют, если притя­гиваемая деталь изготовлена из мягкого (алю­миниевые и магниевые сплавы) или из очень твердого металла (закаленная сталь). В первом случае шайбы портят поверхность детали, во втором — эффективность стопорения значи­тельно снижается: остается только пружинный эффект, а храповой исчезает. Целесообразная область применения храповых шайб — детали с твердостью в пределах НВ 250 — 300.
5. Вязка проволокой.
Во многих случаях применяют стопорение гаек при помощи проволоки. Проволоку про­пускают через отверстие в гранях стопоримой гайки и через отверстие в смежной гайке или в каком-нибудь близлежащем элементе дета­ли, или в специально устанавливаемом эле­менте (винт, штифт и т. д.). Концы проволоки скручивают плоскогубцами (рис. 9). Операцию сверления отверстий в гайках вы­полняют в специальных приспособлениях. Обычно сверлят три отверстия (рис. 9,I), реже шесть (рис. 9,II). При таком способе сто-порения увеличение числа отверстий не имеет смысла, так как правильная вязка может быть осуществлена при большом угле поворота гайки; в отличие от большинства других пози­тивных способов стопорения вязка позволяет осуществить практически бесступенчатую угловую фиксацию гайки. На рис. (9, III) показан способ вязки через пазы корончатой гайки и отверстие в болте. Этот способ обеспечивает, с одной стороны, фиксацию гайки на болту, с другой - фикса­цию болта относительно корпуса. Отверстия под вязку в головках болтов обычно сверлят перпендикулярно граням (рис. 9,IV). . При вязке надо соблюдать следующее пра­вило: натяжение, возникающее при скручива­нии концов проволоки, должно создавать момент, способствующий завертыванию стопо­римой гайки . При противопо­ложном направлении вязки прово­лока не предотвращает самоотвертывания гай­ки; напротив, появляется момент, способствующий отвертыванию гайки. Стопорение получается ненадежным и в случае «безразлич­ного» направления натяжения.

6.Самоконтрящиеся гайки. Правильно сконструированные самоконтря­щиеся гайки должны отвечать следующим условиям: стопорение гайки должно быть надежным; конструкция должна обеспечивать легкое за­вертывание гайки вплоть до последней стадии затяжки;
- конструкция не должна мешать полной за­тяжке соединения; - конструкция должна допускать многократ­ное применение гайки; - конструкция должна допускать применение стандартных ключей; - конструкция должна допускать применение механизированных способов завертывания (при помощи гайковертов и т. д.).
Как правило, действие самоконтрящихся гаек основано на принципе фрикционного стопорения, т. е. создания повышенного трения в витках резьбы. Наиболее совершенны гайки, у которых повышенное трение создается толь­ко в конце затяжки. В конструкциях подобного рода в большей или меньшей степени исполь­зуют упругие свойства материала гайки, по­этому почти все самоконтрящиеся гайки нуж­даются в термообработке. Наиболее простой способ увеличения тре­ния — это применение посадок с натягом для резьбовых деталей или резьб с разным шагом в гайке и на болте. В первом случае завинчи­вание деталей затруднительно, и поэтому этот способ применяют преимущественно в глухих соединениях (например, при установке шпилек в корпуса) или в тех случаях, когда необходи­мо фиксировать гайку в любом осевом поло­жении на стержне. Самоконтрящиеся гайки с коническими опорными поверхностями, осно­ванные на принципе сжатия резьбы (а также создания повышенного трения на опорных по­верхностях в конце затяжки), применяют в на­стоящее время редко в силу следующих прису­щих им недостатков: - необходимости специальной обработки по­садочных поверхностей в корпусах; - создания дополнительных напряжений рас­тяжения в корпусах; опасности смятия кони­ческих опорных поверхностей в корпусах (особенно при малых углах конуса); - невозможности в ряде случаев (особенно при разрезных конусах) полной затяжки соеди­нения вследствие защемления резьбы на участ­ке расположения конуса. рис. 10 рис. 11 На рис.10 показан простейший способ уве­личения трения в резьбе к концу затяжки пу­тем деформации последних (по ходу заверты­вания гайки) витков резьбы (например, кернов-кой). Недостаток этого способа — отсутствие упругости, необходимой для поддержания на­тяга в резьбе при всех условиях работы. На рис.11 изображены самоконтрящиеся гайки с удлиненной коронкой, целой или раз­резной, которая при изготовлении обжимает­ся. При завертывании гайки в момент, когда нарезная часть болта входит в обжатый уча­сток, в резьбе возникает повышенное трение. Гайки с разрезными коронками (рис. 11,II) обеспечивают более надежное стопорение бла­годаря упругости лепестков коронки. На рис. 12 показаны самоконтрящиеся гай­ки, действие которых основано на известном явлении самозатягивания упругого витка при вращении его по валу (этот принцип исполь­зуют в некоторых конструкциях колес свобод­ного хода). В верхней части гайки при помощи прорези образован виток, скрепленный с те­лом гайки короткой перемычкой; конец витка смещен к центру гайки для создания первона­чального натяга. При завертывании гайки ви­ток не препятствует вращению; при отверты­вании возникает повышенное трение, тормозя
































7. Стопорение покрытиями.
В некоторых случаях для машин, работаю­щих в закрытых помещениях без тряски и толчков, наружные крепежные детали спе­циально не стопорят, а фиксируют лакокра­сочными покрытиями, наносимыми на поверх­ность машины (рис. 1 — III;). Способ этот, разумеется, не может гарантиро­вать надежного стопорения; все же он предох­раняет крепежные детали от самоотвертыва­ния. Применение современных покрытий на ос­нове синтетических смол (в частности, кремнийорганических), создающих на поверхности машины .прочную, эластичную пленку, устой­чивую против внешних воздействий, значи­тельно повышает надежность этого способа стопорения. Особенно прочное сцепление между стопо­римой деталью и корпусом получается в слу­чае, когда материал покрытия затекает в коль­цевой зазор между деталью и корпусом, установленных запод­лицо.
Литература



П.И. Орлов “Основы конструирования: Справочно-методическое пособие” Издательство “Машиностроение”, 1988