2. Средства против самоотвинчивания.

Несмотря на то, что все крепежные резьбы удовлетворяют условию самоторможения (β<φ’- угол подъема резьбы меньше приведенного угла трения), во всех резьбовых соединениях предусматривается стопорение крепежных деталей от самопроизвольного отвинчивания вследствие вибраций, толчков и ударов.

Все способы стопорения могут быть разбиты на три группы:

1. Стопорение наглухо. Оно может быть осуществлено прихваткой, сваркой и пластическим деформированием с помощью кернения. Оба способа достаточно надежны, но приводят к разрушению крепежных деталей при демонтаже.

2. Стопорение дополнительным трением. Этот вид стопорения основан на создании дополнительных сил трения, сохраняющихся при снятии с винта внешней осевой нагрузки. Наиболее старым способом этого вида стопорения является контргайка, т.е. вторая гайка (Рис. 8, а). В этом случае, вследствие взаимной затяжки гаек, создается дополнительное сопротивление отвинчиванию в резьбе на стыке двух гаек.

Широкое применение получили также пружинные шайбы (ГОСТ 6402-70), обеспечивающие, благодаря упругости, сохранение сил трения в резьбе при колебаниях осевой нагрузки. (Рис. 8, б).

В конструкциях, подверженных относительно спокойной нагрузке, применяют стопорение резьбы посредством специальных гаек с прорезью, которые после затяжки деформируются. (См. стенд).

Преимуществом стопорения дополнительным трением является возможность фиксировать крепежные детали в любом положении.

3. Стопорение специальными деталями.

Основными средствами стопорения этого типа служат штифты (ГОСТ 3128-70), шплинты (ГОСТ 397-79, Рис. 8, в) и стопорные шайбы с усиками (ГОСТ 11872-89, Рис. 8, г).

Широко также применяется стопорение фигурными накладками (Рис. 8, д) и проволокой (Рис. 8, е).

3. Затяжка резьбовых соединений

Затяжка соединений производится с помощью ключей. Различные гаечные ключи представлены на рис.4.

Условие обеспечения затяжки:

Т_зав ≤ Т_кл. (В.1)

Момент завинчивания определяется формулой:

(В.2)

где: F_з - требуемое усилие затяжки,

d₂ - средний диаметр резьбы,

D_cp - средний диаметр опорной поверхности гайки,

φ' - угол подъема винтовой линии (угол подъёма резьбы),

f_т - приведенный угол трения в резьбе,

β - коэффициент трения на торце гайки.

Если принять осредненные значения параметров резьбы:

β = 2º30'; d₂ = 0,9d; D_cp. = 1,4d; f_т = 0,15, то получим

Т_зав=0,2F_зd (В.3)

Так как стандартные ключи изготовляются длиной L = 14d, то момент, создаваемый на ключе

Т_кл = 14dQ_раб (В.4)

где: Q_раб. - усилие рабочего, принимаемое по нормам техники безопасности, равным 160 кН.

Подставляем значения, определенные формулами (В.3) и (В.4) в зависимость (В.1):

После преобразования получим

(В.5)

На основании чего можем сделать вывод: использование стандартного гаечного ключа дает выигрыш в силе в 70 и более раз.

Для обеспечения строго гарантированного усилия затяжки, используются специальные моментные ключи, отрегулированные на определенный момент завинчивания. При превышении установленного момента срабатывает трещотка, встроенная в ключ. Широко используются моментные ключи с электронной шкалой, Рис.9.

При выполнении лабораторных работ используются моментные ключи двух типов:

1. Сменная головка	4. Колодка
2. Упругий рычаг	5. Державка индикатора
3. Рукоятка	6. Индикатор

1. Ключ рычажного типа (Рис. 10).

В динамометрическом ключе упругий рычаг 2 с рукояткой 3 и державка индикатора 5 закреплены в колодке 4. На квадратный выступ колодки надевается сменная головка 1 с зевом, соответствующим гайке.

При завинчивании гайки к рукоятке прикладывают силу, которая изгибает упругий рычаг как консольную балку. Величина деформации фиксируется индикатором 6 и пропорциональна моменту завинчивания. Момент завинчивания определяется по тарировочному графику в соответствии с показаниями индикатора.

2. Торсионный моментный ключ (Рис. 11)

В торсионном ключе силы, создающие крутящий момент, прикладываются к рукояткам 1. Момент к гайке затягиваемого болта передается через торсион 6, на конце которого имеется насадок 8 с отверстием, соответствующим размеру гайки.

1. Рукоятка	5. Втулка
2. Державка	6. Торсион
3. Индикатор	7. Упор
4. Штифт	8. Насадок

При создании момента затяжки торсион скручивается на угол

где: Т_зав. - момент завинчивания;

ℓ - длина участка, на котором замеряется угол скручивания;

J_p - полярный момент инерции;

G - модуль упругости второго рода;

Перемещения по дуге, соответствующие углу скручивания, фиксируются индикатором часового типа 3 на плече ℓ₁ упора 7 и пропорциональны моменту завинчивания 6. Индикатор при этом устанавливается в державке 2, закрепленной на втулке 5. Втулка 5 и торсион 6 зафиксированы между собой штифтом 4, относительно которого замеряется деформация скручивания.

Пользуясь тарировочным графиком, построенным в координатах «перемещение - момент крутящий», определяют момент завинчивания по показаниям индикатора 3.

4. Вопросы для самопроверки

1. Виды резьбовых соединений и их назначение

2. Детали резьбовых соединений и разновидности их конструкций?

3. Средства против самоотвинчивания?

4. Затяжка резьбовых соединений?

5. Принцип работы рычажного моментного ключа?

6. Принцип работы торсионного моментного ключа.

Лабораторная работа № 1

«Исследование работы болта при затяжке и определение коэффициентов трения в резьбе и на торце гайки»

Цель работы

1. Исследовать взаимосвязь усилия затяжки и момента завинчивания.

2. Определить коэффициенты трения в резьбе и на торце гайки и установить влияние на их величину давления и смазки.

1. Расчетные зависимости

Затянутый болт (винт) работает на растяжение от усилия затяжки и кручение от момента завинчивания. При этом момент завинчивания складывается из двух моментов.

T_зав.= T_р + T_Т (1.1)

где Т_р — момент сопротивления в резьбе

(1.2)

Т_Т — момент сопротивления на торце гайки

(1.3)

В формулах (1.2) и (1.3)

d₂ - средний диаметр резьбы,

β - угол подъема винтовой линии,

φ’- угол трения в резьбе,

f_т - коэффициент трения па торце гайки

D_ср - средний диаметр опорной поверхности гайки

D₁ - наружный диаметр опорной поверхности гайки, равный ≈ 0,98S

S - размер под ключ

d_отв - диаметр отверстия под болт

d_отв = d + (0,5...1) мм

F₃ - усилие затяжки.

Примечание. Обратите внимание – если завинчивается винт, то трение создается на поверхности головки винта, примыкающей к соединяемой винтом детали. Тогда D_ср вычисляется именно для поверхности головки винта.

Совет. Прежде чем вычислять D_ср, найдите поверхность трения завинчиваемой детали.

В большинстве случаев на винт передаётся лишь момент в резьбе, а момент сопротивления на торце воспринимается опорной деталью.

Величина возникающих напряжений растяжения в теле болта:

где d₁- внутренний диаметр резьбы.

Напряжения кручения:

По энергетической теории прочности эквивалентные напряжения в болте

Подсчитывая значение эквивалентных напряжений в винтах с метрической резьбой, получаем приблизительно постоянное соотношение

(1.4)

Поэтому с достаточной степенью точности расчет на прочность можно производить на одно растяжение по эквивалентной нагрузке

F_расч =1,3  F_з (1.5)

Тогда условие прочности примет вид:

(1.6)

Определение коэффициентов трения в резьбе и на торце гайки ведётся на основании зависимостей (1.2) и (1.3). Из формулы (1.3) находим

(1.7)

Из формулы (1.2) определяем приведенный угол трения в резьбе:

(1.8)

Зная, что f = tgφ’, можем определить приведенный коэффициент трения в резьбе

f’ = tg φ’ (1.9)

Приведенный коэффициент трения f’ и действительный коэффициент трения f в резьбах с углом профиля связаны зависимостью

(1.10)

Для метрических резьб α = 60˚ и cos(α/2)=cos30˚=0,866. Тогда:

f_p ≈ 0,87f’ (1.11)

Среднее значение давления в резьбе q_Р, возникающее от осевой силы, определяется из условия равномерного распределения нагрузки по виткам гайки по формуле:

(1.12)

где Z - число витков на высоте гайки

Н - высота гайки

P - шаг резьбы

Z = H/P

Давление на опорной поверхности гайки:

(1.13)