Резьбовое соединение

РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ Разъемными называют соединения, разборка которых проис­ходит без нарушения целостности составных частей изделия. Разъем­ные соединения могут быть как подвижными, так и неподвижными. Наиболее распространенными в машиностроении видами разъемных со­единений являются: резьбовые, шпоночные, шлицевые, клиновые, штифтовые и профильные.
Общие сведения о резьбовых соединениях Резьбовым называют соединение составных частей изделия с применением детали, имеющей резьбу. Резьба представляет собой чередующиеся выступы и впадины на поверхности тела вращения, расположенные по винтовой линии. Основ­ные определения, относящиеся к резьбам общего назначения, стандар­тизованы. Резьбовые соединения являются самым распространенным видом соединений вообще и разъемных в частности. В современных машинах детали, имеющие резьбу, составляют свыше 60 % от общего количества деталей. Широкое применение резьбовых соединений в машинострое­нии объясняется их достоинствами: универсальностью, высокой надежностью, малыми габаритами и весом крепежных резьбовых дета­лей, способностью создавать и воспринимать большие осевые силы, тех­нологичностью и возможностью точного изготовления. Недостатки резьбовых деталей: значительная концентрация на­пряжений в местах резкого изменения поперечного сечения и низкий КПД подвижных резьбовых соединений. Резьбы изготовляют либо пластической деформацией (накатка на резьбонакатных станках, выдавливание на тонкостенных металличес­ких изделиях), либо резанием (на токарно-винторезных, резьбонарез­ных, резьбофрезерных, резьбошлифовальных станках или вручную мет­чиками и плашками); на деталях из стекла, пластмассы, металлокера­мики, иногда на деталях из чугуна резьбу изготовляют отливкой или прессованием. Следует отметить, что накатывание резьбы круглыми или плоскими плашками на резьбонакатных станках — са­мый высокопроизводительный метод, с помощью которого изготовля­ется большинство стандартных крепежных деталей с наружной резь­бой, причем накатанная резьба прочнее нарезанной, так как в первом случае не происходит перерезание волокон металла заготовки, а повер­хность резьбы наклепывается. Диаметры стержней под накатывание и нарезание резьб, диаметры отверстий под нарезание резьб, а также выход резьбы (сбеги, недорезы, проточки и фаски) стандартизованы. Кроме того, стандартизованы мет­ки (в виде прорезей) на деталях с левой резьбой. Основные геометрические параметры резьбы: наружный диаметр d, D (по стандартам диаметры наружной резьбы обозначают строчными, а диаметры внутренней резьбы — прописными буквами); внутренний диаметр d1, D1, средний диаметр d2, D2 — диаметр вообра­жаемого цилиндра, на поверхности которого толщина витка равна ши­рине впадины; угол профиля , шаг резъбы р — расстояние между сосед­ними одноименными боковыми сторонами профиля в направлении, па­раллельном оси резьбы; число заходов n (заходность резьбы легко опре­деляется на торце винта по числу сбегающих витков); ход резьбы — величина относительного осевого перемещения гайки или вин­та за один оборот (в целях унификации обозначений шаг резьбы, как и шаг зубьев зубчатых колес, будем обозначать строчной буквой р, а не прописной, как по стандартам на резьбы). К основным параметрам относится угол подъема резьбы — угол, образованный касательной к винтовой линии резьбы в точках, лежа­щих на среднем диаметре, и плоскостью, перпендикулярной оси резь­бы. Угол подъема резьбы определяется зави­симостью
Диаметр, условно характеризующий размер резьбы, называется номинальным; для большинства резьб в качестве номинального диаметра резьбы принимается наружный диаметр. Классификация резьб. Классифицировать резьбы можно по мно­гим признакам: по форме профиля (треугольная, трапецеидальная, упор­ная, прямоугольная, круглая и др.); по форме поверхности (цилиндри­ческая, коническая); по расположению (наружная, внутренняя); по чис­лу заходов (однозаходная, многозаходная); по направлению заходов (пра­вая, левая); по величине шага (с крупным, с мелким); по эксплуатацион­ному назначению (крепежная, крепежно-уплотнительная, ходовая, спе­циальная). Крепежные резьбы (метрическая, дюймовая) предназначены для скреп­ления деталей; крепежно-уплотнительные (трубные, конические) приме­няют в соединениях, требующих не только прочности, но и герметичнос­ти; ходовые резьбы (трапецеидальная, упорная, прямоугольная) служат для передачи движения и применяются в передачах винт—гайка, кото­рые будут рассматриваться позже; специальные резьбы (круглая, оку­лярная, часовая и др.) имеют специальное назначение. Большинство при­меняемых в нашей стране резьб стандартизовано. Мы будем в основном рассматривать конструкцию и расчет деталей и соединений с крепежной резьбой, имеющей в маши­ностроении наиболее широкое применение, а также ознакомимся со стандартами на ходовые резьбы. Метрическая резьба. Форма и размеры профиля этой резь­бы, диаметры и шаги, основные размеры регламентированы стандарта­ми. Кроме того, стандартизованы резьба метрическая для приборострое­ния, резьба метрическая коническая, резьба метрическая на деталях из пластмасс (не указанные номера стандартов и срок их действия легко установить по «Указателю стандартов», переиздаваемому ежегодно). Метрическая резьба имеет исходный профиль в виде равностороннего треугольника с высотой H, вершины профиля среза­ны, как показано на рисунке, а впадины притуплены, что необходимо для уменьшения концентрации напряжений и по технологическим со­ображениям (для увеличения стойкости резьбонарезного и резьбонакатного инструмента). Форма впадины резьбы болта может быть зак­ругленной или плоскосрезанной. В резьбе предусмотрен радиальный зазор, который делает ее негерметичной. По стандарту метрические резьбы делятся на резьбы с крупным и мелким шагом. При одном и том же номинальном диаметре метричес­кая резьба может иметь один крупный и пять мелких шагов, например, при номинальном диаметре 20 мм метрическая резьба имеет крупный шаг, равный 2,5 мм, и пять мелких шагов, равных 2; 1,5; 1; 0,75; 0,5 мм. Резьбы с мелким шагом имеют меньшую высоту профиля и меньше ос­лабляют сечение детали; кроме того, эти резьбы имеют меньшие углы подъема резьбы и обладают повышенным самоторможением. Поэтому резьбы с мелким шагом применяют для соединения мелких тонкостен­ных деталей и при действии динамических нагрузок. В машиностроении основное применение находит метрическая резь­ба с крупным шагом как более прочная и менее чувствительная к ошибкам изготовления и износу. Крепежные резьбовые детали имеют обычно правую однозаходную резьбу; левая резьба при­меняется редко. Допуски и посадки метрических резьб стандартизованы. Согласно дей­ствующим стандартам, точность метри­ческих резьб обозначают полем допус­ка среднего, наружного (для болта) или внутреннего (для гайки) диаметра; в обозначении допуска цифра указывает степень точности, а буква — основное отклонение. Поля допусков установле­ны в трех классах точности: точном (для прецизионных резьб), сред­нем (для общего применения), грубом (при технологической невоз­можности получения большей точности). Для среднего класса поля­ми допусков предпочтительного применения являются: 6H (для гаек) и 6g (для болтов), что обеспечивает посадку 6H/6g с зазором. Кроме посадок с зазором стандартами предусмотрены посадки переходные и с натягом.
Дюймовая резьба. Эта крепежная резьба имеет тре­угольный профиль с углом = 55°, номинальный диаметр ее задается в дюймах (1" = 25,4 мм), а шаг — числом витков, приходящихся на один дюйм длины резьбы. Дюймовая резьба подобна применяемой в Англии, США и некоторых других странах резьбе Витворта; она используется у нас лишь при ремонте импортных машин. Применение дюймовой кре­пежной резьбы в новых конструкциях запрещено, а стандарт на нее лик­видирован без замены.
Из дюймовых резьб в нашей стране стандартизованы и нахо­дят применение: трубная цилиндрическая, трубная коническая (обе с углом профиля 55°) и коническая дюймовая с углом профи­ля 60°. Эти резьбы применяют в трубопроводах, они являются крепежно-уплотнительными. Трансцеидальная резьба. Профиль этой резьбы представляет собой равнобокую трапецию с углом между боковыми сторонами = 30°. Профили, основные размеры и допуски трапецеи­дальных резьб стандартизованы, причем предусмотрены резьбы с мел­ким, средним и крупным шагами. Упорная резьба. Профиль этой резьбы представля­ет собой неравнобокую трапецию с углами наклона боковых сторон к прямой, перпендикулярной оси резьбы, равными 3 и 30°. Основные размеры и допуски упорной резьбы для диаметров от 10 до 600 мм рег­ламентированы ГОСТом. Стандартизована также резьба упорная уси­ленная для диаметров от 80 до 2000 мм, у которой одна сторона профи­ля наклонена под углом 45°. Трапецеидальная и упорная резьбы являются ходовыми и применя­ются в передачах винт—гайка. Так, например, трапецеидальная резьба применяется для ходовых винтов токарно-винторезных станков, где возникают реверсивные нагрузки; упорная резьба применяется при односторонних нагрузках, например для грузовых винтов домкратов и прессов, причем усилие воспринимается стороной, имеющей угол на­клона 3°. Трапецеидальную и упорную резьбы можно нарезать на резьбофре-зерных, токарно-винторезных станках (последний способ значительно менее производителен), а окончательную обработку производить на рсзьбошлифовальных станках. Прямоугольная резьба. Эта резьба не стандарти­зована и имеет ограниченное применение в неответственных передачах винт — гайка. В дальнейшем будет показано, что эта резьба из всех име­ет наибольший КПД, но ее нельзя фрезеро­вать и шлифовать, так как угол профиля = 0; прочность прямоугольной резьбы ниже, чем у других резьб. Расчет крепежных резьбовых соединении Основным критерием работоспособности крепежных резьбовых со­единений является прочность. Стандартные крепежные детали сконст­руированы равнопрочными по следующим параметрам: по напряжениям среза и смятия в резьбе, напряжениям растяжения в нарезанной ча­сти стержня и месте перехода стержня в головку. Поэтому для стан­дартных крепежных деталей в качестве главного критерия работоспо­собности принята прочность стержня на растяжение, и по ней ведут расчет болтов, винтов и шпилек. Расчет резьбы на прочность выполня­ют в качестве проверочного лишь для нестандартных деталей. Расчет резьбы. Как показали исследования, проведенные Н.Е.Жуковским, силы взаимодействия между витками винта и гайки распре­делены в значительной степени неравномерно, однако действительный характер распределения нагрузки по виткам зависит от многих факто­ров, трудно поддающихся учету (неточности изготовления, степени износа резьбы, материала и конструкции гайки и болта и т.д.). Поэтому при расчете резьбы условно считают, что все витки нагружены одина­ково, а неточность в расчете компенсируют значением допускаемого напряжения. Условие прочности резьбы на срез имеет вид
где Q — осевая сила; Аср — площадь среза витков нарезки; для винта ,для гайки . Здесь — высота гай­ки; — коэффициент, учитывающий ширину основания витков резьбы: для метрической резьбы для винта , для гайки ; для тра­пецеидальной и упорной резьб ; для прямоу­гольной резьбы k = 0,5. Если винт и гайка из одного мате­риала, то на срез проверяют только винт, так как . Условие прочности резьбы на смятие имеет вид
где Асм — условная площадь смятия (проекция площади контакта резь­бы винта и гайки на плоскость, перпендикулярную оси): , где — длина од­ного витка по среднему диаметру; h — рабочая вы­сота профиля резьбы; — число витков резь­бы в гайке высотой ; р — шаг резьбы (по стан­дарту рабочая высота профиля резьбы обозна­чена ). Расчет незатянутых болтов. Характерный при­мер незатянутого резьбового соединения — креп­ление крюка грузоподъемного механизма. Под действием силы тяжести груза Q стержень крюка работает на растяжение, а опасным будет сечение, ослабленное нарезкой. Статическая проч­ность стержня с резьбой (которая испытывает объемное напряженное состояние) приблизитель­но на 10 % выше, чем гладкого стержня без резьбы. Поэтому расчет стержня с резьбой условно ведут по расчетному диаметру , где р — шаг резьбы с номинальным диаметром d (приближенно можно считать ). Условие прочности нарезанной ча­сти стержня на растяжение имеет вид
, где расчетная площадь . Расчет­ный диаметр резьбы . По найденному значению расчетного диаметра подбирается стандар­тная крепежная резьба. Расчет затянутых болтов. Пример затянутого болтового соедине­ния — крепление крышки люка с прокладкой, где для обеспечения гер­метичности необходимо создать силу затяжки Q. При этом стержень болта растягивается силой Q и скручивается моментом Мр в резьбе. Напряжение растяжения , максимальное напряжение кручения , где — момент сопротивления кручению сечения болта; . Подставив в эти формулы сред­ние значения угла подъема резьбы, приведенного угла трения ' для метрической крепежной резьбы и применяя энергетическую теорию прочности, получим . Отсюда, согласно условию прочности , запишем
,
где , а - допускаемое напряжение при растяжении. Таким образом, болт, работающий на растяжение и кручение, мож­но условно рассчитывать только на растяжение по осевой силе, увели­ченной в 1,3 раза. Тогда
. Здесь уместно отметить, что надежность затянутого болтового соеди­нения в значительной степени зависит от качества монтажа, т. е. от кон­троля затяжки при заводской сборке, эксплуатации и ремонте. Затяжку контролируют либо путем измерения деформации болтов или специаль­ных упругих шайб, либо с помощью динамометрических ключей. Расчет затянутого болтового соединения, нагруженного внешней осевой силой. Примером такого соединения может служить крепление 2 болтами крышки работающего под внут­ренним давлением резервуара. Для такого соединения необходимо обес­печить отсутствие зазора между крышкой и резервуаром при приложении нагрузки R2, иначе говоря, обеспечить нераскрытие стыка. Введем следующие обозначения: Q — сила первоначальной затяжки болто­вого соединения; R — внешняя сила, при­ходящаяся на один болт; F— суммарная на­грузка на один болт (после приложения внешней силы R). Очевидно, что при осуществлении первоначальной затяжки болто­вого соединения силой Q болт будет растянут, а соединяемые детали сжаты. После приложения внешней осевой силы R болт получит допол­нительное удлинение, в результате чего затяжка соединения несколько уменьшится. Поэтому суммарная нагрузка на болт F Для удобства расчетов условились считать, что часть внешней на­грузки R воспринимается болтом, остальная часть — соединяемыми деталями, а сила затяжки остается первоначальной, тогда F = Q + kR, где k — коэффициент внешней нагрузки, показывающий, какая часть внешней нагрузки воспринимается болтом. Так как до раскрытия стыка деформации болта и соединяемых дета­лей под действием силы R равны, то можно записать:
; , — соответственно податливость (т.е. деформация под действием силы в 1 Н) болта и соединяемых деталей. Из последнего равенства получим
. Отсюда видно, что с увеличением податливости соединяемых дета­лей при постоянной податливости болта коэффициент внешней нагруз­ки будет увеличиваться. Поэтому при соединении металлических дета­лей без прокладок принимают k = 0,2 . 0,3, а с упругими прокладка­ми – k = 0,4 . 0,5. Очевидно, что раскрытие стыка произойдет, когда часть внешней силы, воспринятой соединяемыми деталями, окажется равной перво­начальной силе затяжки, т. е. при (1 - k)R = Q. Нераскрытие стыка бу­дет гарантировано, если
Q = K(1 - k)R, где К — коэффициент затяжки; при постоянной нагрузке К = 1,25 . 2, при переменной нагрузке К = 1,5 . 4. Ранее мы установили, что расчет затянутых болтов ведется по увеличенной в 1,3 раза силе затяжки Q. Поэтому в рассматриваемом слу­чае расчетная сила
, а расчетный диаметр болта
. Расчет болтовых соединений, нагруженных поперечной силой. Возможны два принципиально отличных друг от друга варианта таких соединений. В первом варианте болт ставится с зазором и работает на растяжение. Затяжка болтового соединения силой Q создает силу тре­ния, полностью уравновешивающую внешнюю силу F, приходящуюся на один болт, т.е. , где i — число плоскостей трения; — коэффициент сцеп­ления. Для гарантии минимальную силу за­тяжки, вычисленную из последней формулы, увеличивают, умножая ее на коэффициент за­паса сцепления К = 1,3 . 1,5, тогда
. Расчетная сила для болта Qрасч = 1,3 Q, а расчетный диаметр болта
. В рассмотренном варианте соединения сила затяжки до пяти раз может превосходить внешнюю силу и поэтому диаметры болтов по­лучаются большими. Во избежание этого не­редко такие соединения разгружают установ­кой шпонок, штифтов и т. п. Во втором варианте болт повышенной точности ставят в развернутые отверстия соединяемых деталей без зазора, и он работа­ет на срез и смятие. Условия прочности такого болта имеют вид
, где i — число плоскостей среза; — ус­ловная площадь смятия, причем если , то в расчет (при оди­наковом материале деталей) принимается меньшая величина. Обычно из условия прочности на срез определяют диаметр стержня болта, а за­тем проводят проверочный расчет на смятие. Во втором варианте конструкции болтового соединения, нагружен­ного поперечной силой, диаметр стержня болта получается в два-три раза меньше, чем в первом варианте (без разгрузочных деталей). Допускаемые напряжения. Обычно болты, винты и шпильки изго­товляют из пластичных материалов, поэтому допускаемые напряжения при статической нагрузке определяют в зависимости от предела теку­чести материала, а именно: при расчете на растяжение
; при расчете на срез
; при расчете на смятие
. Значения допускаемого коэффициента запаса прочности [s] зависят от характера нагрузки (статическая или динамическая), качества мон­тажа соединения (контролируемая или неконтролируемая затяжка), материала крепежных деталей (углеродистая или легированная сталь) и их номинальных диаметров. Ориентировочно при статической нагрузке крепежных деталей из углеродистых сталей: для незатянутых соединений [s] = 1,5 . 2 (в об­щем машиностроении), [s] = 3 .4 (для грузоподъемного оборудова­ния); для затянутых соединений [s] = 1,3 . 2 (при контролируемой за­тяжке), [s] = 2,5 . 3 (при неконтролируемой затяжке крепежных дета­лей диаметром более 16 мм).
Для крепежных деталей с номинальным диаметром менее 16 мм верхние пределы значений коэффициентов запаса прочности увели­чивают в два и более раз ввиду возможности обрыва стержня из-за перетяжки. Для крепежных деталей из легированных сталей (применяемых для более ответственных соединений) значения допускаемых коэффициен­тов запаса прочности берут примерно на 25 % больше, чем для углеро­дистых сталей.
При переменной нагрузке значения допускаемых коэффициентов запаса прочности рекомендуются в пределах [s] = 2,5 . 4, причем за пре­дельное напряжение принимают предел выносливости материала кре­пежной детали. В расчетах на срез при переменной нагрузке значения допускаемых напряжений берут в пределах [] = (0,2 .0,3) (меньшие значения для легированных сталей). Пример. Рассчитать номинальный диаметр резьбы хвостовика крюка грузоподъемного крана, если нагрузка Q = 40 кH, а крюк изго­товлен из стали Ст3. Решение. По таблицам справочников находим предел текучести для мате­риала крюка =240 МПа. Принимая значение допускаемого коэффициента запаса прочности для незатянутого резьбового соединения [s] = 3, определяем допускаемое напряжение = 240/3 = 80 МПа. Из расчета на прочность определим расчетный диаметр резьбы
. Принимая для нарезанной части крюка метрическую резьбу с крупным шагом р = 3,5 мм, определяем номинальный диаметр резьбы . По таблицам стандарта принимаем для хвостовика крюка резьбу М30.