Механика

стыку посадочных поверхностей (рис. 26.15, б). Материалы детали и вала должны иметь примерно одинаковую твердость для исключения увода сверла в сторону менее твердого материала.

Число штифтов для передачи заданного вращающего момента

Многоштифтовые соединения этого типа по прочности близки к шлицевым.

26.5. Резьбовые соединения

Резьбовыми называют соединения деталей с помощью резьбы. Они являются наиболее распространенным видом разъемных соединений.

26.5.1. Крепежные детали и стопорящие устройства

Наибольшее распространение среди резьбовых деталей получили крепежные болты, винты, шпильки, гайки. Под болтом или винтом понимают стержень с головкой и одним резьбовым концом. Шпилька имеет два резьбовых конца. Гайка – это деталь с резьбовым отверстием.

С помощью этих деталей образуют разъемные соединения болтом, винтом и шпилькой в разнообразных конструкциях. Тип соединения определяется прочностью материалов соединяемых деталей, частотой сборки и разборки соединений в эксплуатации, а также особенностями конструкции и технологии изготовления соединяемых деталей.

Для предохранения повреждений поверхностей соединяемых деталей при завинчивании и увеличения опорной поверхности гайки используют шайбы.

При статических нагрузках самоотвинчивания резьбовых деталей не наблюдается, так как все крепежные резьбы выполняются самотормозящимися (явление самоотвинчивания не должно наблюдаться). При динамических и вибрационных нагрузках может произойти самоотвинчивание гаек и винтов.

261

Для предотвращения самоотвинчивания резьбовых деталей применяют различные средства стопорения. Основные из них – контргайки, пружинные шайбы, стопорные шайбы, шплинты. Если не требуется разборка соединения, гайки устанавливают внаклеп, производят кернение, расклепывание и приварку.

Штифты, винты, упругие контргайки, проволока также могут выполнять функции стопорения.

Болты, винты, шпильки и гайки изготавливают из мало- и среднеуглеродистых сталей Ст 3 кп, Ст 5, 10, 10 кп, 15, 20, 30, 45 и др. В ответственных случаях (ударные нагрузки, высокие температуры) применяют легированные стали 40Х, 38ХА, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХН2МА и др., а также титановые сплавы (резьбовые детали из титановых сплавов по сравнению со стальными имеют повышенную прочность и примерно в два раза легче).

Пружинные шайбы изготавливают из рессорно-пружинных ста-

лей 65, 70, 75, 65Г.

Гайки изготавливают из стали Ст 3.

Механические характеристики материалов крепежных деталей нормированы ГОСТ 1759–82. Для стальных болтов, винтов и шпилек предусмотрено 12, а для гаек – семь классов прочности и соответствующие им марки сталей.

26.5.2. Резьба и ее параметры

Резьба является основным элементом резьбового соединения. Она образует выступы по винтовой линии на поверхности винта и гайки (наружная и внутренняя), может изготавливаться на цилиндрической (цилиндрическая резьба) и конической (коническая резьба) поверхностях заготовки, бывает правая, если винтовая линия направлена вверх слева направо, и левая – при направлении ее вверх права налево. Наиболее применяемые правые резьбы. Если на поверхность детали наносится один винтовой выступ, резьбу называют однозаходной. Применяют также многозаходные резьбы.

Основные параметры цилиндрической резьбы (рис. 26.16): d, D – наружные диаметры соответственно болта и гайки; d1, D1; d2, D2 – внутренние и средние диаметры резьбы;

d3 – внутренний диаметр болта по дну впадины;

262

Р – шаг (расстояние между одноименными сторонами двух смежных профилей);

ψ – угол подъема резьбы, т. е. угол развертки винтовой линии по

ph – ход резьбы (осевое перемещение гайки за один оборот): для однозаходной резьбы ph = p, для многозаходной ph = n ∙ p, где n – число заходов резьбы (рис. 26.17).

По форме профиля крепежные резьбы бывают треугольные и круглые; резьбы винтовых механизмов (ходовые резьбы) – трапецеидальные, упорные, прямоугольные.

Метрическая резьба (ГОСТ 24705–81) – основной вид резьбы крепежных деталей (см. рис. 26.16). Она бывает с крупным и мелким шагом, но чаще выполняют наиболее износостойкую и технологичную резьбу с крупным шагом.

Дюймовая резьба подобна метрической (α = 55°, у метрической

α = 60°).

Трубные резьбы (цилиндрическая и коническая) служат для соединения труб и арматуры.

Трапецеидальная резьба технологична, отличается высокой прочностью витков и является основной для винтовых механизмов.

Упорная резьба имеет несимметричный профиль витков и выполняется на винтах, воспринимающих значительную одностороннюю нагрузку.

Прямоугольная резьба сложна в изготовлении и применяется редко.

263

Геометрические параметры резьб (кроме прямоугольной) и их допуски стандартизованы.

Резьбу получают методом резания, накатыванием, литьем и прессованием.

26.5.3. Силовые зависимости в резьбовом соединении

Надежность резьбового соединения оценивается легкостью сборки (легкостью затяжки гайки или болта) и сохранностью затяжки (самоторможением).

При завинчивании гайки надо преодолеть момент сопротивления затяжки

Т3 = Tр + Tт,

где Tр – момент сил трения в резьбе;

Тт – момент сил трения на опорном торце гайки.

Для определения Тр и Тт необходимо установить зависимость между силами, возникающими в винтовой паре при завинчивании.

Развернем среднюю винтовую линию резьбы на плоскость, а гайку представим в виде ползуна (рис. 26.18, а).

Рис. 26.18. К анализу сил в винтовой паре

При подъеме ползуна по наклонной плоскости (это соответствует завинчиванию гайки) сила F взаимодействия наклонной плоскости с движущимся ползуном представляет собой равнодействующую нормальной силы и силы трения. Из схемы сил, действующих на ползун (рис. 26.18, б),

264

f – коэффициент трения.

При перемещении ползуна вниз (рис. 26.18, в)

Ft

где Ft – окружная сила при отвинчивании гайки.

Полагая, что сила Ft сосредоточена и приложена к среднему радиусу резьбы 0,5d2 (см. рис. 26.19, а):

Силу трения на торце гайки f1·F, зависящую от коэффициента трения f1 на торце гайки, считают сосредоточенной и приложенной к среднему радиусу опорной поверхности (рис. 26.19, а):

Tт

D D1 d0 .

Момент завинчивания гайки Tз, прикладываемый к ключу:

265

Момент сопротивления затяжки Tз преодолевается моментом силы, приложенной к гаечному ключу (рис. 26.19, б). Приравняв оба момента, получим

Fкл (26.7)

б

а

Рис. 26.19. К определению момента завинчивания

Величины, входящие в формулу (26.7), имеют определенные

конце ключа, создает силу прижатия деталей 60–100 Н. Такой выигрыш в силе обеспечивает легкость сборки соединения.

266

26.5.4. Самоторможение и коэффициент полезного действия винтовой пары

Если при опускании ползуна по наклонной плоскости (см.

зящейся. Условие самоторможения:

ψ < φ.

Для крепежных резьб угол подъема резьбы ψ = 2°30'–3°30', а приведенный угол трения φ изменяется в зависимости от коэф-

f ). Таким образом, все крепежные резьбы – самотормозящи-

еся. Это объясняет важное преимущество крепежной резьбы – надежное стопорение гайки (винта) в любом положении. Однако это свойство проявляется главным образом при статических нагрузках. При переменных нагрузках условие самоторможения не соблюдается. Поэтому необходимо стопорение резьбовых соединений.

Коэффициент полезного действия винтовой пары определяют

же формуле, но без учета сил трения (f1 = 0, φ = 0). Для собственно винтовой пары (Тт = 0)

tgψ

η = tg ψ + φ .

С увеличением ψ и уменьшением φ коэффициент полезного действия возрастает. Для самотормозящейся винтовой пары, где

мозящиеся, их КПД меньше 0,5.

267

26.5.5. Расчет резьбовых соединений на прочность

Виды разрушения резьбовых крепежных деталей: разрыв стержня по резьбе или переходному сечению у головки; повреждение или разрушение резьбы (смятие и износ, срез, изгиб); повреждение головки болта (винта).

Размеры стандартных болтов, винтов и шпилек отвечают условию равнопрочности всех элементов соединения. Поэтому можно ограничиваться расчетом по одному, основному критерию – прочности нарезной части, а размеры винтов, болтов и гаек принимать по таблицам стандарта в зависимости от рассчитанного диаметра резьбы. Длину болта, винта и шпильки выбирают в зависимости от толщины соединяемых деталей.

Рассмотрим расчет на прочность резьбовых соединений при постоянной нагрузке.

Болт нагружен внешней силой F (болт без предварительной затяжки), например, нарезанный участок крюка для подвешивания груза. Опасным является сечение крюка, ослабленное нарезкой (рис. 26.20). Из условия прочности на растяжение

4F

σp (26.8)

π d3

откуда

тяжении болта из углеродистой стали.

268