Раздел 3. Разъемные соединения.

К разъемным относятся такие соединения, которые могут быть разобраны без повреждения деталей.

Резьбовые соединения

Являются наиболее совершенным, а потому массовым видом разъёмных соединений. Применяются в огромном количестве во всех машинах, механизмах, агрегатах и узлах.

Рис.1

Основные детали соединения имеют наружную либо внутреннюю винтовую нарезку (резьбу) и снабжены огранёнными поверхностями для захвата гаечным ключом.

Болт – длинный цилиндр с головкой и наружной резьбой. Проходит сквозь соединяемые детали и затягивается гайкой (рис.1,а) – деталью с резьбовым отверстием. Винт – внешне не отличается от болта, но завинчивается в резьбу одной из соединяемых деталей (рис.1,б). Шпилька – винт без головки с резьбой на обоих концах (рис.1,в).

Резьбовые соединения различают по назначению на:

• резьбы крепёжные для фиксации деталей (основная – метрическая с треугольным профилем, трубная – треугольная со скруглёнными вершинами и впадинами, круглая, резьба винтов для дерева) должны обладать самоторможением для надёжной фиксации;

Рис.2

Метрическая резьба (рис. 3). Форма профиля треугольная с углом a= 60° Профиль резьбы - симметричный (g = a /2 = 30°), имеет срезы по прямой вершив резьбы винта и гайки.

Рис.3

    Профиль впадин винта и гайки не регламентирован. Рабочая высо­та профиля H1=0,54Р. Метрическая резьба стандартизирова­на, является основной крепежной резьбой. Наклон боковой сторо­ны профиля обеспечивает возможность создания больших осевых сил, а также возможность самоторможения (вследствие клинового эффекта).

Метрическую резьбу выполняют с крупным и мелким шагами (рис. 4).

Рис.4

    За основную принята резьба с крупным шагом. Мелкую резьбу применяют для регулировки, для свинчивания тонкостенных, а также динамически нагруженных деталей. Метрическую резьбу с крупным шагом обозначают буквой М и числом, выражающим номинальный диаметр в миллимет­рах, например М20. Для мелкой метрической резьбы дополнитель­но указывают шаг, например М20х1,5.

Трапецеидальная резьба (рис.5). Имеет симметричный про­филь с углами a= 30° и g=a/2 = 15° и рабочей высотой про­филя H₁=0.5Р. Резьба стандартизирована. Шаг может быть крупным, средним и мелким. Меньший по сравнению с метрической резьбой угол наклона боковой стороны профиля обусловливает меньшие потери на трение при использовании этой резьбы. В силу чего резьбу применяют для передачи движения в ходовых и грузо­вых винтах при двустороннем (реверсивном) движении под нагруз­кой. Многозаходную трапецеидальную резьбу с номинальным диа­метром 40 мм, ходом 12 мм и шагом б мм обозначают Тr 40х12 (Р6); однозаходную - Тr 40х6.

Упорная резьба (рис.6). Имеет несимметричный профиль. Ее применяют для ходовых и грузовых винтов с большой односторонней осевой нагрузкой. Угол наклона рабочей стороны профиля ; к перпендикуляру к оси резьбы для повышения КПД выбирают достаточно малым (g = 3°), угол наклона нерабочей стороны профиля - 30°, рабочая высота профиля, H1=0,75Р. Резьба стандар­тизирована, шаг может быть крупным, средним и мелким. Многоза­ходную упорную резьбу, имеющую (d = 40 мм, Ph= 12 мм, Р = 6 мм обозначают S 40х12(Р6); однозаходную – S 40х6.

Прямоугольная резьба (угол наклона боковой стороны к пер­пендикуляру к оси резьбы g = 0°). Обеспечивает наивысший КПД, но неудобна в изготовлении, не стандартизирована.

Круглая резьба. Применяется для винтов, подверженных боль­шим динамическим нагрузкам, а также для винтов, часто завинчи­ваемых и отвинчиваемых.

В машинах, выпущенных в странах, где действует дюймовая система мер, используют дюймовые резьбы, в которых вместо шага задано число ниток резьбы на дюйм, а угол профиля a = 55°.

 Дюймовые резьбы не применяются при проектирования новых изде­лий.

 Трубная резьба. Представляет собой мелкую дюймовую резьбу без зазоров по выступам я впадинам. Она является крепежно-уплотняющей; ее применяют для соединения труб.

 Конические резьбы. Обеспечивают непроницаемость без специальных уплотнений. Их применяют для соединения труб, уста­новки пробок, масленок и т.п. Стандартизованы три резьбы с ко­нусностью 1:16 ( j/2 = 1°47'24'' ). На рис. 7 показана труб­ная коническая резьба с углом профиля a = 55°. Для возможно­сти свинчивания с внутренней цилиндрической резьбой профиль резьбы конической выполняют с биссектрисой угла, перпендикуляр­ной оси конуса. Диаметры резьбы измеряют в так называемой ос­новной плоскости, соответствующей торцу гайки со стороны боль­шого диаметра резьбы. Коническая резьба позволяет затяжкой ком­пенсировать износ, обеспечивает более равномерное распределе­ние нагрузки между витками резьбы, сокращает время на сборку.

Рис.7

• резьбы силовые для винтовых механизмов (прямоугольная, трапецеидальная симметричная, трапецеидальная несимметричная упорная) должны обладать малым трением для снижения потерь.

Рис. 8

Силовые резьбы применяются для тех винтовых соединений, в которых желательно иметь меньшие потери на трение (например, в домкратах, натяжных устройствах, подъемниках, винтовых прессах, ходовых винтах).

Прямоугольная резьба, вследствие технологических трудностей ее изготовления, применяется крайне редко и обычно заменяется резьбами типа (рис.8,в и г). Резьба (рис.8, г), как показано на рисунке, применяется только при одностороннем действии основных нагрузок; при обратном приложении нагрузки потери на трение возрастают. В некоторых случаях применяется также резьба круглого профиля (там, где имеется опасность повреж­дения острых кромок, например, в пожарном оборудовании, в цоколях электрических ламп).

Конструкции винтов и гаек весьма многообразны.

Для малонагруженных и декоративных конструкций применяются винты и болты с коническими и сферическими головками (как у заклёпок), снабжёнными линейными или крестообразными углублениями для затяжки отвёрткой. Для соединения деревянных и пластмассовых деталей применяют шурупы и саморезы – винты со специальным заострённым хвостовиком.

Болты и гайки стандартизованы. В их обозначении указан наружный диаметр резьбы.

Формы головок винтов

Рис.9

Все винты (и болты) по форме их головок можно разделить на три группы: захватываемые инструментом снаружи (рис. 9а,б,в); захватываемые инструментом о торца (рис. 9г.д.е); с головками, препятствующими провороту винта (рис. 9ж,з).

  Головки винтов с наружным захватом. Обеспечивают наиболь­шую силу затяжки, но при этом требуется больше места для захва­та ключом. Широкое распространение получила шестигранная головка (Рис. 9а,б), для которой требуется поворот гаечного клю­ча (рис. 10а) на 1/6 оборота до перехвата за следующие грани (при условии, что ключ не переворачивается). Для уменьшенной шестигранной головки (см. рис. 96) нужно меньше места для раз­мещения. Это позволяет снизить массу конструкции. В условиях частого завинчивания и отвинчивают и при наличии свободного пространства для поворота ключа применяют квадратные головки (см. рис. 9в). которые при тех же габаритах имеют более широкие грани.

Головки с торцовым захватом. Можно размещать в углублениях, что улучшает внешний вид, уменьшает габариты и создает удобства обслуживания машины. В зависимости от формы применяе­мого инструмента такие головки выполняют: о внутренним шести­гранником (см. рис. 9г). шлицем под обычную отвертку (см. рис. 9д) или с крестовым шлицем под специальную отвертку (см. рис. 9е). Винты с внутренним шестигранником обслуживаются простым ключом в виде изогнутого под прямым углом прутка шестигранного профиля. На рис. 10 показаны гаечный ключ (рис. 10а) для винта с наружным шестигранником и ключ прутом для винта с внутренним шестигранником (рис. 106). Во втором случае размеры соединения (А - расстояние до соседнего винта, С - до стены, К - ширина фланца) меньшие. Широкое применение винтов с внутренним шестигранником объясняется еще и тем, что проч­ность граней шестигранного отверстия меньше прочности стержня винта, и его невозможно оборвать при затяжке, а процесс затяж­ки легко поддается автоматизации. Головки винтов для завинчи­вания отверткой (см. рис. 9д,е) могут быть цилиндрическими, полукруглыми, потайными или полупотайными. Головки с крестовым шлицем (см. рис. 9е) более совершенны, так как такой шлиц луч­ше сопротивляется обмятию.

Рис.10

Головки, препятствующие провороту. Подразделяют на голов­ки специальной формы, закладываемые в гнезда, или головки с двумя параллельными рабочими гранями, закладываемые в пазы (см. рис. 9ж), и круглые головки с усиком, вызывающие обмятие детали (см. рис. 9з).

  Формы гаек

     Наибольшее распространение получили шестигранные гайки (рис. 11а,б). При частом завинчивании и отвинчивании и больших силах затяжки используют высокие гайки, при необходимости эко­номии места - гайки с уменьшенным размером под ключ (см. рис. 11а). Гайки, подлежащие стопорению с помощью шплинтов, выполняют прорезными (на рисунке не показаны) или корончатыми (см. рис. 11в). Круглые гайки со шлицами (см. рис. 11г) исполь­зуют преимущественно для валов. При относительно малых (для данного номинального диаметра) осевых нагрузках используют гай­ки с отверстиями на торцовой поверхности (см. рис. 11д). Гайки, предназначенные для небольшой затяжки и частого отвинчивания без ключа, выполняют с накаткой иди в виде барашков (см. рис. 11е).

Рис.11

Резьбовые соединения имеют ряд существенных достоинств:

• высокая надёжность;

• удобство сборки-разборки;

• простота конструкции;

• дешевизна (вследствие стандартизации);

• технологичность;

• возможность регулировки силы сжатия.

Недостатки резьбовых соединений:

• концентрация напряжений во впадинах резьбы;

• низкая вибрационная стойкость (самоотвинчивание при вибрации).

Это серьёзные недостатки, однако, их можно свести к минимуму и, практически, полностью исключить. Это делается посредством правильного проектировочного расчёта и специальных мер стопорения, называемых на техническом языке "контровка". Известны следующие виды стопорения.

1. Стопорение дополнительным трением, за счёт создания дополнительных сил трения, сохраняющихся при снятии с винта внешней нагрузки.

	Контргайка воспринимает основную осевую нагрузку, а сила трения и затяжки в резьбе основной гайки ослабляется. Необходима взаимная затяжка гаек.
				Самоконтрящиеся гайки с радиальным натягом резьбы после нарезания резьбы и пластического обжатия специальной шейки гайки на эллипс.
					Иногда самоконтрящиеся гайки выполняются с несколькими радиальными прорезями.
					Гайки с полиамидными кольцами без резьбы, которая нарезается винтом при завинчивании, обеспечивают большие силы трения. Применяют полиамидную пробку в винте.
							Контргайка цангового типа (слева) при навинчивании обжимается на конической поверхности. Контргайка арочного типа (справа) при навинчивании разгибается и расклинивает резьбу.
		Пружинные шайбы обеспечивают трение в резьбе. Повышают сцепление врезанием своих острых срезов. Изготавливаются для правой и левой резьбы. Создают некоторое смещение нагрузки.
				У пружинных шайб с несколькими отогнутыми усиками сила упругости направлена строго по оси болта. Стопорение пружинными шайбами ненадёжно.
			При спокойных нагрузках резьбы стопорят специальными винтами через медную или свинцовую прокладку или деформированием гайки с прорезями, перпендикулярными оси.

2. Стопорение специальными запирающими элементами, полностью исключающими самопроизвольный проворот гайки.

		Шплинты ГОСТ 397-79 сгибают из проволоки полукруглого сечения плоскими сторонами внутрь. Выпадению шплинта препятствуют его петля и разогнутые концы.
	Шайбы с лапками ГОСТ 11872-80 стопорят гайки со шлицами при регулировке подшипников качения на валу. Внутренний носик отгибается в канавку винта, а наружные лапки – в шлицы гайки.
			У шайб с лапками ГОСТ 3693/95-52 одна отгибается по грани гайки, а другая по грани детали. Стопорение такими шайбами, как и шплинтами, весьма надёжно и широко распространено.
					В групповых соединениях головки болтов обвязывают проволокой через отверстия с натяжением проволоки в сторону затяжки резьбы.

3. И, наконец, стопорение может выполняться также пластическим деформированием или приваркой после затяжки.

Все резьбы стандартизированы в мировом масштабе, то есть резьбы национальных стандартов соответствующих типов взаимозаменяемы.

Сравнение крепежных и силовых резьб

Рис.12

На рис.12 показаны в сравнении профили силовой (б) и крепежной (а) резьб. При равной в обоих случаях осевой нагрузке р крепежная резьба имеет большую силу трения в витках. Сила трения в силовой резьбе:

F_б=Pf

Сила трения в крепежной резьбе:

Fa = Nf = = Pf¢; f¢ = .

f¢ > f; Fб > Fa.

2. По шагу резьбы разделяются на основные и мелкие. Мелкие резьбы для тех же диаметров имеют меньший шаг того же профиля, что и в основной резьбе. Применение мелких резьб меньше ослабляет сечение деталей и благодаря меньшему углу спирали нарезки лучше предохраняет соединение против самоотвинчивания.

Для диаметров свыше 20 мм уже обычно применяются мелкие резьбы.

Пример обозначения резьбы:

М 16 х 2 - основная; М 16 х 1,5 - мелкая.

Здесь: М - метрическая; 16 - номинальный (наружной) ди­аметр резьбы в мм; 2 и 1,5 - шаг резьбы в мм.