Детали машин и основы конструирования.-1

3. РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

3.1. Общие сведения

Резьбовыми называют разъемные соединения с помощью резьбовых крепежных деталей - винтов, болтов, шпилек, гаек или резьбы, нанесенной непосредственно на соединяемые детали. Основным элементом резьбового соединения является резьба, получаемая прорезанием на поверхности де­ талей канавок по винтовой линии.

Винтовую линию атп образует гипотенуза прямоугольного треуголь-

Если плоскую фигуру, например треугольник, трапецию и т.п., пере­ мещать по винтовой линии так, чтобы ее плоскость при движении всегда проходила через ось винта, то эта фигура образует резьбу соответствую­ щего профиля.

Резьбы классифицируют по следующим признакам:

- по форме поверхности, на которую наносится резьба, - на цилинд­ рические и конические (наиболее распространена цилиндрическая резьба, коническую резьбу обычно применяют для плотных соединений труб, масленок, пробок и т. п.);

по форме профиля - на треугольные, трапецеидальные, круглые и

др/

Рис. 3.4. Развертка одного витка резьбы

Геометрические параметры резьб и допуски на их размеры стандарти­ зованы. Стандарт предусматривает метрические резьбы с крупным и мел­ ким шагом.

При уменьшении шага соответственно уменьшается глубина резьбы, что ведет к увеличению диаметра d\ и повышению прочности, и угол подъ­ ема, что увеличивает самоторможение. По этим причинам мелкие резьбы находят применение в динамически нагруженных деталях, полых тонкостенных и мелких деталях (в авиации, точной механике и т.п.). В ма­ шиностроении основное применение имеют резьбы с крупным шагом, по­ скольку они менее чувствительны к ошибкам изготовления и износу.

Резьбу получают методом нарезания или накатывания. Для нарезания наружной резьбы используют различные резцы, плашки, резьбовые гре­ бенки и фрезы, а внутренней резьбы - метчики. Накатывают резьбу гре­ бенками или роликами на резьбонакатных автоматах путем пластической деформации заготовки. Этим высокопроизводительным и дешевым мето­ дом изготовляют большинство резьб стандартных крепежных деталей. В литых и прессованных деталях резьба может быть получена при изготов­ лении деталей без механической обработки.

Для соединения деталей можно применять болты (рис. 3.5, я), винты (рис. 3.5, б) или шпильки (рис. 3.5, в). Болты имеют преимущественное применение, поскольку не требуют нарезания резьбы в соединяемых дета­ лях. Это особо важно в тех случаях, когда материал детали не может обес­ печить достаточную прочность и долговечность резьбы. Винты и шпильки применяют тогда, когда по конструкции соединения постановка болта не

Рис. 3.5. Резьбовое соединение: а - болтом, б - винтом, в - шпилькой

Простую шайбу ставят под гайку или головку винта для уменьшения смятия детали гайкой, если деталь изготовлена из менее прочного мате­ риала (пластмассы, алюминия, дерева и т.п.); для предохранения чистых поверхностей деталей от царапин при завинчивании гайки (винта); для - пе­ рекрытия зазора отверстия при большой его величине.

При затяжке резьбы зависимость между приложенным вращающим моментом Т и усилием затяжки Fa (рис. 3.6) имеет вид

где Dcр = (Di + do)/2 * 1,4 d - средний диаметр поверхности трения по торцу гайки;/- коэффициент трения по этой поверхности; L - длина клю­ ча (плечо силы, прикладываемой к ключу); Гр - момент трения в резьбе;

Ттг - момент трения по торцу гайки; р' = arctg/7 - приведенный угол тре-

/

ния в резьбе; / ' -------- ----- приведенный коэффициент трения в резьбе. cos а /2

Расчет винтов (болтов, шпилек) зависит от условий их нагружения и технологических особенностей сборки соединения.

По условиям нагружения все винты подразделяются на восприни­ мающие осевую, поперечную или комбинированную нагрузку, неизмен­ ную или циклически изменяющуюся во времени. Существенные поправки в расчет могут внести дополнительные температурные нагрузки и внецентренное нагружение винтов.

В зависимости от технологических условий сборки винты могут быть ненапряженными (не затянутыми в процессе сборки) или напряженными (затянутыми), получающими значительную осевую нагрузку уже в процес­ се сборки, до приложения внешней рабочей нагрузки. Кроме того, винты можно устанавливать в отверстие свободно, с зазором или плотно, без за­ зора.

Основным видом нагружения винтов, для которого они и предназначены, является осевое растяжение.

Возможны следующие расчетные случаи: а) болт установлен с зазором без предвари­

тельной затяжки, нагружен осевой силой; б) болт установлен с зазором и не нагру­

жен осевой силой, но имеет предварительную затяжку;

в) болт установлен с зазором, затянут и до­ полнительно нагружен внешней осевой силой;

г) болт установлен с зазором и нагружен поперечной силой;

д) болт установлен без зазора и нагружен поперечной силой.

ние. Резьбовое соединение, рассматриваемое в данном случае, называют ненапряженным.

Расчет сводится к определению внутреннего диаметра резьбы d\ из условия прочности на растяжение

4 F a

d l =

я[ст]р

Далее по ГОСТу подбирается ближайший больший внутренний диа­ метр резьбы, соответствующий ему наружный диаметр d и все другие па­ раметры резьбы.

3.2.2. Расчет затянутого болта, не нагруженного внешней осевой силой

Болт испытывает растяжение и кручение только от затяжки. В маши­ ностроении такие болтовые соединения встречаются в клеммовых соеди-

В таких резьбовых соединениях стержень болта растягивается силой затяжки Fa и закручивается моментом Гр в резьбе.

Эквивалентное напряжение в болте определяют по гипотезе энергии формоизменения (IV теория прочности):

Оэкв= V ^p + ^т кр ~ [ а ]р>

где ар - напряжение растяжения в поперечном сечении болта,

а

4 Ъ

Р “ nd\

ткр - наибольшее напряжение кручения, возникающее в точках контура поперечного сечения болта,

16Гр

ткр ~

n d i

Тр - крутящий момент в резьбе,

Гр - 0,5^2 Fatg(V + Р').

Принимая для стандартных стальных болтов с метрической резьбой \\1 = 2°30', = 1,12 и /= 0,15, чему соответствует р = 8°40', получим

^экв = 1,3сгр ^ [а]р

или

Откуда

Следовательно, болт, работающий одновременно на растяжение и кручение, можно рассчитывать только на растяжение по расчетной силе, увеличенной по сравнению с силой, растягивающей болт, в 1,3 раза. Рас­ смотренное выше соединение будем называть напряженным, а формулу для определения диаметра болта d\ будем называть формулой напряженно­ го болтового соединения.

3.2.3. Расчет затянутого и дополнительно нагруженного внешней осевой силой болта

Этот случай является весьма распространенным (фланцевые соедине­ ния труб и осесимметричных конструкций типа оболочек; крепление кры­ шек резервуаров, находящихся под давлением; фундаментные болтовые соединения).

Для большинства резьбовых изделий требуется предварительная за­ тяжка болтов, обеспечивающая плотность соединения и отсутствие взаим­ ных смещений деталей стыка.

Рассмотрим резьбовое соединение для крепления крышки резервуара, находящегося под давлением (рис. 3.10).

После затяжки болтов соединяемые детали (детали стыка) находятся под действием сжимающей силы FQ(на участке действия одного болта), а болт растянут такой же силой F0. При подаче жидкости или газа в резерву­ ар внутреннее давление увеличивается и на соединяемые детали действует дополнительная нагрузка Q, которая пытается разъединить детали (рас­ крыть стык):

где D\ -внутренний диаметр соединяемых деталей; q - давление жидкости или газа внутри резервуара.

Рис. ЗЛО. Резьбовое соединение с затянутым болтом: 1 - крышка; 2 - прокладка;

3 - цилиндрический корпус

Таким образом, на участке действия одного болта помимо силы FQ возникает сила F, по направлению совпадающая с FQ.

где z - число болтов в соединении.

При нормальной работе соединения должно выполняться условие не­ раскрытая стыка (сила, сжимающая детали в стыке, должна быть всегда больше нуля). В этом случае часть нагрузки от внутреннего давления, рав­ ная %F, дополнительно нагружает болт, а остальная часть, равная (1-%)F, идет на разгрузку стыка; здесь %- коэффициент внешней нагрузки, кото­ рый соответствует приходящейся на болт доле внешней нагрузки F. В со­ ответствии с условием нераскрытая стыка (сохранения плотности стыка)

X =0,5...0,7 (иногда до 0,9) при податливых фланцах.

Осевая растягивающая сила, действующая на затянутый болт после приложения внешней нагрузки,

Fa = F0 + xF = W - X ) + X\F.

Расчетную растягивающую нагрузку Fap можно определить с учетом крутящего момента при затяжке: