4.3.3. Різьбові з’єднання

Загальні відомості

Будь–який пристрій складається з багатьох деталей та окремих складальних одиниць. Ці деталі та складальні одиниці пов'язані між со­бою тим чи іншим способом.

Використання рухомих зв'язків елементів обумовлене кінематикою машини. Нерухомі зв'язки застосовують для забезпечення мож­ливості розбирання машини на деталі та складальні одиниці. Потре­ба розбирання спричинена спрощенням виготовлення, складання, ремонту та транспортування.

Нерухомі зв'язки деталей у машинобудуванні називають з'єднаннями. Всі види з'єднань поділяють на роз'ємні та нероз'ємні.

Роз'ємні з'єднання (різьбові, клемові та ін) допускають розбирання з'єднаних деталей без пошкоджень елементів з'єднання.

Нероз'ємні з'єднання (зварні, паяні, клепані та ін.) не дають змоги виконувати розкладання з'єднаних деталей без пошкодження еле­ментів з'єднання. Використання нероз'ємних з'єднань обумовлене технологічними та економічними вимогами.

Проміжне місце між роз'ємними та нероз'ємними займають пресові з'єднання В деяких випадках ці з'єднання проектуються як нероз'ємні, і розкладання їх може спричинити пошкодження спряжених поверхонь та послаблення посадки деталей. Але при малих на­тягах, характерних, наприклад, для посадки кілець підшипників кочення, ці пошкодження незначні, навіть для багатократного запресовування.

З'єднання деталей конструкції є дуже важливими елементами конструкцій, бо багато аварій або порушень нормальних режимів роботи пристроїв обумовлені незадовільною міцністю та надійністю з'єднань.

Різьбовими називають такі з'єднання, які виконуються за допомогою деталей, що мають різьбу.

Широке використання різьбових з'єднань у машинобудуванні обумовлене їхньою простотою, високою несучою здатністю, надійністю, а також зручністю з'єднання та роз'єднання деталей. Застосуванню різьбових з'єднань сприяють також наявність значної номенклатури спеціальних різьбових деталей, пристосованих до різних конструктивних варіантів з'єднань, їхня широка стандартизація та мала вартість в умовах масового виготовлення.

Обмеження у використанні різьбових з'єднань пов'язані з наявністю значної кількості концентраторів напружень на поверхнях різьбових деталей, що зменшує їх втомну міцність при дії змінних напружень.

Кріпильні різьби та їхні основні параметри

Кріпильні різьби застосовують у деталях різьбових з'єднань. Залежно від форми поверхні, на якій нарізана різьба, розрізняють циліндричні та конічні різьби. В основному використовуються циліндричні кріпильні різьби. Конічну різьбу застосовують у випадках, коли треба забезпечити герметичність з'єднання.

Кріпильні різьби бувають; метричні, трубні та круглі.

Метрична різьба (рисунок 42а) є основною кріпильною різьбою Вона має назву метричної тому, що всі її розміри задаються в міліметрах (на відміну від мало розповсюдженої дюймової різьби, розміри якої даються в дюймах). Метрична різьба має трикутний про­філь витків із кутом профілю α = 60°. Вершини витків та впадин притуплені по прямій або по дузі кола, по вершинах та впадинах утворений зазор Така конструкція полегшує обробку різьби, зменшує концентрацію напружень та запобігає пошкодженням різьби в умо­вах виконання складальних робіт.

Рисунок 42. Геометричні параметри різьби: а – метричної; б – трубної

Метрична різьба характеризується такими основними геометричними параметрами: d – зовнішній (номінальний) діаметр різьби; d₁ – внутрішній діаметр; d₂ – середній діаметр (діаметр уявного циліндра, поверхня якого перетинає витки різьби по висоті так, що ширина витка дорівнює ширині впадини); Ρ – крок різьби (від­стань між однойменними сторонами двох сусідніх витків, виміряна в напрямі осі гвинта); Η = 0.866Р – теоретична висота профілю витка різьби;

Н₁ = 0.541Р – робоча висота профілю, на якій дотикаються витки гвинта і гайки;

n – число заходів різьби (для кріпильних метричних різьб n = 1) і ψ – кут підйому гвинтової лінії різьби по її середньому діаметру, що визначається за співвідношенням

tg ψ = Ρn/(πd₂). (65)

Метричні різьби бувають з нормальним або малим кроком. Так, для різьби із зовнішнім діаметром d = 20 мм стандартами, крім різьби з нормальним кроком

Ρ = 2,5 мм, передбачені різьби з мали ми кроками: 2; 1,5; 1,0; 0,75 і 0,5 мм. При зменшенні кроку відповідно зменшується глибина різьби та кут підйому гвинтової лінії ψ.

Позначення метричної різьби: М20 – метрична різьба з нормаль­ним кроком і зовнішнім діаметром d = 20 мм; М20 x 1,5 – метрич­на різьба з малим кроком витків Ρ = 1,5 мм і зовнішнім діаметром d = 20 мм.

Основні геометричні параметри метричних різьб регламентовані стандартами ГОСТ 9150–81, ГОСТ 8724–81 та ГОСТ 24705–81.

Трубна різьба (рисунок 42б) використовується для герметичного з'єднання труб та арматури. Ця різьба має кут профілю витків α = 55°, вершини та впадини витків закруглені і відсутній зазор між вершинами та впадинами, що надає з'єднанню деталей високу щільність.

Трубна різьба має малий крок витків, оскільки нарізується на трубі з малою товщиною стінки. За номінальний діаметр трубної різьби беруть внутрішній діаметр труби. Зовнішній діаметр такої різьби в дійсності більший номінального на дві товщини стінки труби.

У міжнародному стандарті для трубної різьби зберігається дюймове вимірювання. Позначення трубної різьби в технічній документації таке: Трубн. 2" кл.2 – трубна різьба із номінальним діаметром 2 дюйми за другим класом точності.

Трубну різьбу можна нарізувати також на конічній поверхні для досягнення високої щільності з'єднання. Приклад позначення конічної трубної різьби – Κ 3/4*.

Нині замість трубних різьб часто застосовують метричні різьби з малим кроком витків.

Кругла різьба зручна для виготовлення накатуванням або витисканням на тонкостінних металевих та пластма­сових деталях, а також відливанням на чавунних, скляних, пластмасових та інших виробах. Профіль витків круглої різьби утворюється спряженими дугами кіл, а кут профілю α = 30°.

Круглі різьби мають обмежене застосування, і в основному вони використовуються для деталей, що часто згвинчуються та відгвинчу­ються в умовах забруднення (пожежна арматура, вагонні стяжки, цоколі електроламп та ін.). Параметри круглої різьби регламентова­ні ГОСТ 6042–83.

Кріпильні різьбові деталі, їхні конструкції та матеріали

Для з'єднання деталей використовують болти (гвинти з гайками), гвинти або шпильки (рисунок 42а–в).

Рисунок 43. З’єднання за допомогою болта, гвинта та шпильки

Використання болтів для з'єднання деталей не вимагає нарізу­вання в цих деталях різьби. Це особливо важливо в тих випадках, коли матеріал деталі не може забезпечити достатню міцність різьби. Однак у з'єднанні болтом повинен бути передбачений простір для го­ловки гвинта та гайки, а також має місце деяка незручність виконан­ня складальних операцій, бо при загвинчуванні або відгвинчуванні гайки треба утримувати головку гвинта від прокручування. Болто­ве з'єднання дещо збільшує масу виробу і в деякій мірі спотворює його зовнішній вигляд.

Гвинти та шпильки тре­ба використовувати в тих випадках, коли за конструкцією з'єднання застосування болтів неможливе або нераціональне. Гвинти та шпильки вимагають пев­ної глибини загвинчування в одну із деталей з'єднан­ня. Якщо при експлуатації з'єднання виникає потреба у багатократному з'єднуванні та роз'єднуванні деталей, то для запобігання можливому руйнуванню різьби деталі перевага надається з'єднанню шпилькою або болтовому з'єднанню.

Для виготовлення кріпильних різьбових деталей використовують сталі: вуглецеві звичайної якості, якісні конструкційні та леговані конструкційні. Механічні властивості сталевих кріпильних деталей нормуються за ГОСТ 1759.4–87, згідно з яким болти, гвинти та шпильки поділяють на 12 класів міцності, а гайки – на 7 класів.

Клас міцності болтів, гвинтів та шпильок позначається двома числами, розділеними крапкою. Перше число, помножене на 100, визначає мінімальне значення границі міцності σ_Β, МПа, матеріалу болта, а друге число, поділене на 10 і помножене на σ_Β, дає границю текучості матеріалу болта. Наприклад, для болта класу міцності 5.6 маємо: σ_{Β mіn} = 5 · 100 = 500 МПа; σ_T = 6 · 500/10 = 300 МПа.

Механічні характеристики матеріалів різьбових деталей (деякі витяги із ГОСТ 1759.4 – 87) наведені в таблицях 4 і 5.

Таблиця 4. – Рекомендації для вибору матеріалу болтів та гайок

	σΒ, МПа			Марка сталі
Клас міцності болтів	min	max	σт, МПа		Болт	Гайка
З.6	300	440	200		СтЗ; 10	СтЗ
4.6	400	550	240		20	СтЗ
5.6	500	700	300		3О; 35	10
6.6	600	800	360		35; 45; 40Г	15
8.8	800	1000	640		ЗОХ; 38ХА	20; 35; 45
10.9	1000	1200	900		40Г2; 40Х	35Х; 38ХА

Таблиця 5. – Рекомендації для вибору матеріалу гайок

Клас міцності гайок	Напруження від навантаження випробування σF, МПа	Марка сталі
4 5 8 10	400 500 800 1000	СтЗ 10 20; 35; 45 35Х; 38ХА

Вибір матеріалів кріпильних деталей пов'язаний з особливостями умов роботи з'єднань, вимогами до габаритів та маси з'єднання.

Під час вибору матеріалу гайки рекомендують брати до уваги таку вказівку: напруження від навантаження випробування повинно відповідати мінімальній границі міцності матеріалу болта, з яким комплектується гайка.

Умовне позначення болта, наприклад, із номінальним діаметром різьби d = 12 мм, малим кроком Ρ = 1,25мм, довжиною l = 60мм та класом міцності 4.6 записують: Болт М12 x 1,25 x 60.46 ГОСТ 7805 – 70. Більш детальні відомості про умовні позначення кріпильних де­талей наведені в ГОСТ 1759.0 – 87. Найнижчим класом міцності болтів, гвинтів та шпильок буде 3.6, а найвищим – 14.9.

Клас міцності гайок позначається одним числом. Якщо це число помножити на 100, то будемо мати напруження σ_F, МПа, від навантаження випробувань. Наприклад, для гайки нижчого класу міцності 4 маємо σ_F = 4 · 100 = 400 МПа (сталі марок СтЗ, СтЗкп), а для гайки вищого класу міцності 14 – σ_F = 14 · 100 = 1400 МПа (леговані сталі 35ХГСА, 40ХНМА).

Умовне позначення, гайки, на­приклад, із номінальним діаметром різьби d = 12 мм, малим кроком Ρ = 1,25 мм та класом міцності 8 записують: Гайка М12 x 1,25.8 ГОСТ 5927 – 70.

Стопоріння різьбових з'єднань

Запобігання самовідгвинчуванню різьбових деталей є важливим заходом у підвищенні надійності з'єднань деталей.

У з'єднаннях деталей із кріпильними різьбами забезпечується самогальмування, оскільки кут тертя між витками різьби гвинта та гайки значно перевищує кут підйому гвинтової лінії. Крім цього, самовідгвинчуванню чинять опір сили тертя між деталями та опорними поверхнями гайки чи головки болта (гвинта). Але самогальмування різьбового з'єднання надійно реалізується тільки при статичному навантаженні. При дії змінних (вібраційних чи ударних) навантажень різко знижується коефіцієнт тертя між витками, умови самогальмування порушуються і спостерігається самовідгвинчування різьбових деталей, що може спричинити руйнування з'єднання або навіть аварійний стан у роботі машини.

Щоб запобігти самовідгвинчуванню, слід використовувати стопорні пристрої, робота яких базується або на створенні додаткових сил тертя, або на використанні спеціальних замкових засобів.

Пристрої, що базуються на створенні додаткового тертя, показані на рисунках 44а–г. Контргайка (рисунку 44а) створює додатковий натяг і додаткові сили тертя в різьбі. Пружинна шайба (рисунок 44б) підтримує натяг і додаткові сили тертя в різьбі на деякій ділянці самовідгвинчування (до 1–1,5 оберта гайки). Крім цього, пружність шайби значно зменшує вплив вібрації на тертя в різьбі. В гайках із завальцьованим кільцем з поліаміду (рисунок 44в) додаткове стопоріння здійснюється за рахунок сил зчеплення здеформованого при загвинчуванні гайки кільця та витків різьби гвинта. Знаходять за­стосування також гайки, що зображено на рисунку 44г, додаткове тертя в яких ство­рюється у верхній частині гайки, здеформованої на еліпс після нарізування різьби.

У замкових пристроях для запобігання самовідгвинчуванню використовують стопоріння шплінтами (рисунок 44д), загнутими стопорними шайбами (рисунок 44е, є) та іншими способами.

На практиці використовують такі способи стопоріння різьбових з'єднань, як зварювання (гайка або головка гвинта прива­рюються до деталі з'єднання) або пластичне деформування з руйнуван­ням витка різьби кернуванням.

Рисунок 44. Способи стопоріння різьбових з’єднань

Елементи теорії гвинтової пари

Співвідношення між осьовою силою, що діє на болт, та моментом сил, прикладеним до гайки при її загвинчуванні. У болтовому з'єднанні взаємна нерухомість деталей забезпечується відповідною затяжкою болта. При загвинчуванні гайки (рисунок 45 б) осьова сила F₀ у стержні болта зростає; при цьому збільшується і момент Т, що прикладається до гайки.

Рисунок 45. До визначення моменту сил опору при загвинчуванні гайки

Цей момент дорівнює сумі моментів сил тертя в різьбі та на торці гайки:

Т = Т_SP+T_ST. (66)

Момент сил тертя в різьбі при загвинчуванні гайки визначається за формулою

T_SP = 0,5F₀d₂tg(ψ + ρ). (67)

Опорна торцева площина гайки має форму кільця, обмеженого ді­аметрами d₀ і D (рисунок 45). Тому момент сил тертя на такій площині при рівномірному розподілі тиску можна записати у вигляді:

(68)

У формули (67) та (68) входять такі величини: d₂ – середній діаметр різьби болта; ψ – кут підйому витків різьби; ρ = arctg – зведений кут тертя в різьбі; α – кут профілю витків різьби; f – коефіцієнт тертя ковзання; R_3B – зведений радіус сил тертя на кільцевій площині торця гайки, що визначається за виразом

(69)

Підставляючи (67) і (68) у вираз (66), дістаємо

T = F₀(0,5d₂tg(ψ + ρ) + f R_ЗВ). (70)

Наближена геометрична подібність метричних різьб різних діаметрів дає змогу для орієнтовних розрахунків використовувати простіші співвідношення, що добуті для середніх значень розрахункових пара­метрів. Для метричної різьби з нормальним кроком можна взяти: ψ ≈ 2° 30'; d₂ ≈ 0,9d; R_зв ≈ 0,7d і f = 0,15 (для різьби без покриття). Тоді момент, що прикладається до гайки при її загвинчуванні, на основі виразу (66) може бути визначений за формулою:

T = 0,2F₀d. (71)

Якщо припустити, що довжина ручного гайкового ключа дорів­нює в середньому 14d, то, прирівнюючи момент на ключі, що створюється силою Q руки, і момент Т, дістанемо співвідношення між осьовою силою F₀, яка діє на болт, та силою Q, прикладеною до ключа:

F₀ ≈ 70Q. (72)

Таким чином, за допомогою кріпильних різьб можна мати виграш у силі приблизно в 70 разів (при f = 0,1 – у 100 разів).

Вираз (66) беруть за основу при створенні спеціальних динамометричних ключів, що використовуються для контрольованої затяжки різьбових з'єднань.

Розподіл осьової сили, що діє на болт, на витках різьби.

Осьова сила F на болті передається через витки його різьби на гайку (рисунок 46). При цьому кожний виток різьби навантажується відповідно силами F_l, F₂, ..., F_z. Сума всіх сил становить загальну осьову силу F на стержні болта:

F = F₁ + F₂ + ··· + F_z (73)

За умови рівномірного розподілу сил на кожний виток приходиться таке зусилля:

F₁ = F₂ = ... =F_z = F/z, (74)

де z – число витків різьби в гайці.

Рисунок 46. Схема навантаження витків різьби

У такому разі епюру осьових сил у різних перерізах стержня болта зображають прямою лінією (рисунок 46а). Тут навантаження від витка до витка рівномірно зменшується на F/z.

У дійсності витки різьби у звичайних гайках навантажуються нерівномірно. Однією із причин нерівномірного розподілу навантаження на витках різьби є те, що стержень болта розтягується (крок його витків збільшується), а гайка стискається (крок її витків зменшується).

Теоретичне розв'язування задачі про розподіл навантаження на витках різьби було зроблене М. Є. Жуковським у 1902 р. і в подальших експериментальних дослідженнях неодноразово підтверджене. Так, у стандартній гайці з шістьма витками перший зі сторони опорної площини гайки виток різьби сприймає близько 52 % осьової сили F, а останній, шостий – тільки 2 % (рисунок 46 б).