3.1 Цель работы

Изучение физических принципов, теоретических основ расчета и экспериментальное определение параметров трения в затянутом резьбовом соединении.

3.2 Задачи исследований

1. Рассмотреть конструктивные схемы резьбовых соединений, виды и параметры резьб.

2. Изучить основные зависимости для определения геометрических и силовых параметров резьбовых соединений.

3. Провести измерение геометрических параметров исследуемых болтовых соединений и расчет предельных нагрузок.

4. Изучить конструкцию и принципы работы экспериментальной установки.

5. Провести опытное определение сил и моментов трения в болтовом соединении.

6. Выполнить теоретические расчеты и обработку результатов.

7. Провести анализ теоретических и экспериментальных результатов и сделать необходимые выводы.

3.3 Ключевые слова и понятия

Механические соединения, резьба, разъемные соединения, резьба, трение, самоторможение, предварительная затяжка, угол и коэффициент трения.

3.4 Объект исследования и оборудование

Универсальная лабораторная установка «Механические соединения», набор гаечных ключей, динамометрический ключ. Контрольно-измерительная система: персональный компьютер (Windows 2000/NT/XP, LabVIEW, APM WinMachine), датчики измерения усилий.

3.5 Теоретическая часть

Резьбовые соединения являются наиболее распространенными в технике элементами. Они удобны при сборке и разборке, технологичны, стандартизированы и взаимозаменяемы, доступны, позволяют легко регулировать плотность соединения. К их недостаткам относят необходимость увеличения размеров соединяемых деталей для размещения резьбовых деталей (например, выполнение фланцев), необходимость разработки конструкции с учетом свободного доступа инструмента (рожковых или торцевых ключей), возможность самоотвинчивания (опасность наступления которого возрастает при вибрациях, циклическом силовом и температурном нагружении).

Резьбовые соединения относятся к разъемным и осуществляются с помощью резьбовых деталей – винтов, болтов, шпилек, гаек и иных деталей с нарезанной на них резьбой. Основные виды резьбовых соединений представлены на рисунке 3.1.

Устройство и принцип работы резьбового соединения состоит в преобразовании вращательного движения в поступательное. Рабочей нагрузкой является усилие затяжки, т.е. осевая сила, появляющаяся при заворачивании резьбовой детали при приложении к ней внешнего крутящего момента (“момента на ключе”). Геометрия резьбовых деталей характеризуется профилем и направлением резьбы, наружным диаметром винта, шагом и заходностью. Особенности конструкции резьбового соединения состоят в следующем:

• реализуются максимально возможное передаточное число (для получения наибольшего выигрыша в силе затяжки);

• наличие самоторможения, т.е. после затяжки соединения и снятия внешнего крутящего момента резьбовые детали не должны сами выворачиваться, а затяжка – ослабляться. По условию самоторможения предпочтительны резьбы с треугольным профилем, однозаходные и, по возможности, не составляющие антифрикционную пару.

В целях достижения равнопрочности витков винта и гайки, выполненных из разных материалов, толщину витков более прочной детали могут уменьшать (например, у шурупов).

В болтовом соединении (рисунок 3.1) находят применение в основном метрические резьбы с треугольным профилем резьбы в силу высоких значений коэффициентов трения (самоторможения) и прочности витков. Различают болты:

1) “чистовые”, которые устанавливаются без зазора, служат посадочными элементами и могут быть использованы без предварительной затяжки, в этом случае внешняя нагрузка воспринимается силами на цилиндрической поверхности контакта болта и деталей;

2) “черновые”, устанавливаемые в деталях с зазором и обязательной затяжкой для создания осевой силы сжатия, в этом случае внешняя нагрузка воспринимается силами трения между поверхностями стыка.

Рисунок 3.1 – Виды резьбовых соединений

а) болтовое соединение с зазором , б) болтовое соединение без зазора,

в) винтовое соединение, г) шпилечное соединение.

При затягивании гайки в болтовом соединении действует момент завинчивания , который создается ключем, и идет на преодоление момента трения в резьбе и на торце гайки , то есть . В результате завинчивания гайки в болте возникает осевое усилие , которое создается окружной силой, приложенной к среднему диаметру резьбы (рисунок 3.2), откуда следует, а момент трения в резьбе

, (3.1)

где  средний диаметр резьбы;

угол подъема резьбы, (3.2)

где – ход резьбы:p – шаг резьбы, n – число заходов;

приведенный угол трения в резьбе треугольного сечения;

, (3.3)

где  приведенный коэффициент трения, (3.4)

где  действительный коэффициент трения, α – угол профиля резьбы; для метрических резьб  и .

Как видно из рисунка 2 геометрически угол трения это угол наклона между нормалью к линии подъема витков и вектором равнодействующей осевой силы в болтеи окружной силы затяжки.

При заданных геометрических (d₂, ψ) и силовых (F_з, T_р) параметрах болтового соединения приведенный угол или коэффициент трения может быть определен

. (3.5)

Условие самоторможения в резьбе определяется соотношением угла подъема и трения .

Рисунок 3.2  Параметры резьбы

Опорная поверхность гайки (рисунок 3.3) имеет кольцевой вид с наружным диаметром , равным размеру ключа, внутренним диаметром, равным диаметру отверстия под болтd₀ =d_отв и средним диаметром

. (3.6)

Тогда момент трения на торце гайки

, (3.7)

где – коэффициент трения на торце гайки.