2527

4. КПД резьбового соединения

КПД резьбового соединения η можно представить как отношение работы завинчивания гайки А'зав без потерь на трение к работе завинчивания гайки Азав с учетом работы сил трения. Учитывая, что работа завинчивания равна произведению момента завинчивания на угол поворота ϕ гайки, имеем

А'зав = Т'завϕ и Азав = Тзав ϕ.

Следовательно,

η = Α'зав ⁄ Азав = Т'зав⁄ Тзав,

где Тзав и Т'зав определяются по приведенным выше формулам, подставляя f = 0 и

ЦЕЛЬ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Целью лабораторной работы является экспериментальное определение коэффициентов трения в резьбе и на опорной поверхности гайки болтового соединения, а также КПД резьбового соединения при его завинчивании и отвинчивании.

Лабораторная установка

Определение коэффициентов трения в болтовом соединении производится на лабораторной установке (рис. 6).

Упругая скоба 1 динамометра сжатия крепится к кронштейну 2 с помощью исследуемого болтового соединения, которое включает в себя болт 3, гайку 4, опорную втулку 5 или упорный подшипник качения 6.

11

Рис. 6. Схема лабораторной установки

Для завинчивания и отвинчивания гайки служит динамометрический ключ 7 с индикаторной головкой 8. Осевое усилие на винте контролируется с помощью индикаторной головки 9.

Величины осевой силы на винте F и соответствующей ей силы Fк на ключе определяются по показаниям индикаторных головок 8 и 9 с помощью тарировочных графиков (рис. 9 и 10).

Определение коэффициента трения в резьбе

Вкачестве исходных используем зависимости для определения момента сил

врезьбе Тp при завинчивании и отвинчивании соответственно (вывод см. в п. 2)

Тp = 0,5 F d2 tg (γ + ρ') и Тp = 0,5 F d2 tg (ρ'-γ)

Выражая указанные зависимости относительно параметра ρ' и подставляя значения Тp = Fк l и γ = arctg Р⁄πd2, где Fk – усилие на

рукоятке динамометрического ключа, l – плечо ключа, γ – угол подъема резьбы, Р – шаг однозаходной резьбы, d2 – средний диаметр резьбы, получим формулы для определения угла трения в резьбе (приведенного угла трения) соответственно при завинчивании и отвинчивании гайки

ρ' = arctg (2Fkl ⁄ Fd2) −γ и ρ' = arctg (2Fkl ⁄ Fd2) +γ

Величины сил Fк и F определяются экспериментально на лабораторной установке при использовании упорного подшипника качения 6 вместо опорной втулки 5, что позволяет значительно снизить трение в опорной поверхности гайки и считать, что момент на ключе незначительно отличается от момента трения в

резьбе, т.е. Fк l ≈Тp.

Примечание. На самом деле момент силы на ключе несколько больше, т.е. Fk l = Тp+ Т, где ΔΤ - абсолютная ошибка в определении Тp, равная моменту трения в подшипнике качения. Проявив творческий подход, используя

развиваемого при действии соответствующей величины силы F, учесть ее при определении угла трения в резьбе и тем самым обеспечить более точный результат.

Далее остается определить коэффициент трения в резьбе (приведенный коэффициент трения) f ' = tgρ' и коэффициент трения пары гайка-винт f = f' cos α⁄2, где α - угол профиля резьбы (для крепежной метрической резьбы α = 600, трубной α = 550).

3.3. Определение коэффициента трения на опорной поверхности гайки

Момент трения, возникающий на опорной торцевой поверхности гайки (см. в разделе 2)

Тт = F f (D1+d0) / 4,

где D1- наружный диаметр опорного торца гайки, d0 - диаметр отверстия под болт, f – коэффициент трения на торце гайки.

Учитывая, что Тт может быть определено как Тт = Тзав –Т p, где Тзав – полный момент на гайке при завинчивании и Тp – момент сил в резьбе, получим формулу расчета коэффициента трения на опорной поверхности гайки.

f = 4(Тзав – Тp) / F(D1 + d0).

Величины Тзав и Тp определяются на лабораторной установке при одной и той же величине развиваемой силы F.

3.4. Определение к.п.д. резьбового соединения

По ранее полученным экспериментально значениям величин ρ' и f определяем к.п.д. резьбового соединения без учета трения на торце гайки

η = tgγ ⁄ tg(γ + ρ'),

а затем к.п.д. резьбового соединения при завинчивании гайки с учетом трения на торце

η = tg(γ + ρ ')tg+ γf (D1 + d0 )

2d2

3.5.Порядок выполнения работы

1.Получите у преподавателя исследуемые болт и гайку, а также опорную втулку.

13

2.Замерьте при помощи штангенциркуля наружный диаметр d, шаг резьбы болта p, диаметр отверстия опорной втулки d0 и наружный диаметр опорного торца гайки D1.

3.Определите по таблице средний диаметр резьбы d2.

4.Определите число заходов и ход резьбы.

5.Определите угол подъема γ винтовой линии резьбы.

6.Все предварительные данные заносятся в протокол испытаний.

7.Соберите установку, установив в качестве опоры гайки упорный подшипник качения.

8.Проверьте показания индикаторов динамометра и динамометрического ключа (они должны соответствовать значению 1,00 мм).

9.Получите у преподавателя три значения осевых нагрузок F1 , F2 и F3, при которых в дальнейшем производятся исследования резьбового соединения.

10.Определите по графику (рис.6) показания индикатора 9 1, 2 и 3, соответствующие осевым нагрузкам F1, F2 и F3

Рис.6. Тарировочный график индикатора динамометра осевого усилия

14

11.Медленно вращая гайку по часовой стрелке, при достижении показаний индикатора динамометра, соответствующих значению 1, зафиксируйте

визуально показание индикатора 8 динамометрического ключа δ1;

12.Затянув гайку дальше на 3 5 делений индикатора 8, начинайте медленно отвинчивать ее, вращая против часовой стрелки, фиксируя значения δ6, δ5

и δ4 соответствующие значениям 3, 2 и 1. Значения δ4, δ5, δ6 занести в протокол.

13.Определите по тарировочному графику (рис.7 ) значение момента сил на

ключе Тр и данные занести в протокол, против соответствующих значений

δ1…δ6.

Рис.7. Тарировочный график индикатора динамометрического ключа.

14.Замените упорный подшипник на опорную втулку и повторите п.п. 11,12,13. Зафиксируйте значения δ7…δ12 и определите по тарировочному графику соответствующие значения моментов силы на ключе при завинчивании

Тзав и отвинчивания Тотв.

14.Выполнить все расчеты по результатам экспериментов и заполнить соответствующие графы протокола испытаний.

3.6.Контрольные вопросы

Ккакому типу относятся резьбовые соединения ?

Какие известны резьбы по форме основной поверхности ?

15

Какие методы применяют для получения резьбовых поверхностей ? Как различают резьбы по форме профиля ?

Каковы основные виды резьбовых соединений ?

Каковы наиболее распространенные детали резьбовых соединений ? Что такое шаг и ход резьбы?

Как определяется угол подъема резьбы γ ?

Как формулируется основное силовое соотношение между силами Ft и F в резьбовом соединении для завинчивания и отвинчивания.

Что такое самоторможение в резьбовом соединении ? Как формулируется условие самоторможения в резьбе ? Каково условие самоторможения в болтовом соединении ?

Почему в крепежных резьбах используется резьба с треугольным профилем ? В каких случаях и почему в крепежных резьбовых соединениях происходит самоотвинчивание?

Какие способы применяются для предотвращения самоотвинчивания резьбовых соединений ?

От чего зависит к.п.д. резьбового соединения? Как определяется к.п.д. в винтовой паре?

Как и почему влияет угол подъема резьбы на к.п.д. винтовой пары?

Как влияет на к.п.д. резьбового соединения трение на опорной торцевой поверхности гайки или головки винта ?

За счет чего можно повысить (снизить) к.п.д. резьбового соединения?

Какие материалы, применяются для изготовления деталей крепежных резьбовых соединений ?

Литература

1. Иванов М.Н. Детали машин.- М.: Высшая школа,2002.- 390 c. 2.Проектирование приводов машин и механизмов транспортной техники :

учебное пособие / А.А. Толстоногов [ и др.] : под ред. А.А. Толстоногова.- Самара

: СамГУПС, 2008 . – 228 с.

16