23

Україна

Національний аграрний університет

Кафедра деталей машин і ПТМ

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ТЕРТЯ В РІЗЬБІ ТА НА ТОРЦІ ГАЙКИ

Методичні вказівки до лабораторної роботи з деталей машин для студентів із спеціальностей:

7.091902 “Механізація сільського господарства”,

7.090215 “Машини та обладнання для сільськогосподарського виробництва”

Київ-2000 р.

УДК 621.81.001 (07)

Описано лабораторну установку для визначення коефіцієнтів тертя в різьбі та на торці гайки. Наведено розрахункові залежності коефіцієнтів тертя від сили затяжки та наявності мастила. Подано послідовність проведення лабораторної роботи та зміст звіту з її виконання.

Іл. 5. Табл. 7. Бібл. 18 назв.

Укладач В.Ф.Ярошенко

Рецензенти: проф. І.А.Цурпал, доц. О.М.Погорілець.

Навчальне видання

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ТЕРТЯ В РІЗЬБІ ТА НА ТОРЦІ ГАЙКИ

Методичні вказівки до лабораторної роботи з деталей машин для студентів із спеціальностей:

7.091902 “Механізація сільського господарства”,

7.090215 “Машини та обладнання для сільськогосподарського виробництва”

Укладач Ярошенко Володимир Федорович

Відповідальний за випуск проф. Д.Г.Войтюк.

Редактор Т.П.Хільченко

Комп’ютерний набір Ярошенко Л.В.

Комп’ютерна верстка Підчибій Н.М.

Зав. видавничим центром В.В.Кожухало.

Підписано до друку 14.06.2000 р.

Формат 60x84 1/16. Папір друк № 2, Ум. друк арк. Обл. вид. арк.. Тираж 300 прим. Замовлення № 46

Видавничий центр НАУ

03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, тел. 264-80-49

Друкарська дільниця УВК НАУ

03041, м. Київ-41, пров. Сільськогосподарський, 4, тел. 267-81-55

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ТЕРТЯ В РІЗЬБІ ТА НА ТОРЦІ ГАЙКИ

1. МЕТА РОБОТИ: Потрібно визначити коефіцієнти тертя в різьбі та на торці гайки_т , які змінюються в досить широких межах залежно від таких основних факторів:

а) від поєднання матеріалів деталей різьбового з’єднання, їх термічної обробки та захисного покриття;

б) від точності та чистоти виготовлення різьби;

в) від наявності та сорту мастила.

Коефіцієнт тертя в різьбі визначається на спеціальній установці за допомогою вимірювання моменту загвинчування гайки та осьової сили затяжки досліджуваного болта. Момент загвинчування гайки вимірюється динамометричним ключем, а сила затяжки – плоскою динамометричною пружиною з отвором під досліджуваний болт.

2. Короткі теоретичні відомості

При загвинчуванні гайки різьбового з’єднання зі сторони ключа на гайку передається крутний момент _загв., що переборює момент тертя в різьбі_р, та момент тертя на торці гайки_(рис. 1).

Рис. 1.

₍₁₎

Виникаюче внаслідок затяжки болта осьове зусилля та моменти_р і _пов’язані таким співвідношенням:

(2)

(3)

де середній діаметр різьби, мм;

кут підйому різьби за середнім діаметром, який визначають з такого рівняння:

(4)

-крок різьби, мм,

- зведений кут тертя в різьбі, що відповідає зведеному коефіцієнту тертя в різьбі

(5)

зовнішній діаметр опорної поверхні гайки (наближено рівний розміру гайки під ключ), мм;

внутрішній діаметр опорної поверхні гайки (рівний розміру отвору під болт), мм;

середній діаметр опорної поверхні гайки ,мм;

(6)

, коефіцієнт тертя на торці гайки.

Для різьби з кутом профілю зведений коефіцієнт тертя, та дійсний коефіцієнт тертяміж матеріалами гайки і болта поєднані такою залежністю:

(7)

а також наближено

(8)

де - кут тертя між матеріалами гайки та болта.

Для метричних кріпильних різьб з трикутним профілем , а

Отже (9)

При визначенні коефіцієнтів тертя в різьбі та на торці гайкиза величиною крутних моментів в різьбіта на торці гайкиз формули (2) одержимо таке:

(10)

а з формули (3) маємо:

(11)

Використовуючи формули (5) та (9) , визначають коефіцієнт тертя в різьбі

Допустиме зусилля затяжки болта визначають за такою формулою:

(12)

де: - внутрішній діаметр різьби досліджуваного болта, мм;

допустиме напруження розтягу для матеріалу болта (при виготовленні болтів для лабораторної роботи із Сталі 45 ГОСТ 1050-88МПа);

1,3- числовий коефіцієнт, що враховує напруження кручення, які виникають у витках різьби з попередньою затяжкою.

2.1. Загальні відомості і практичні поради

Гадають, що першу різьбу нарізали за часів Архімеда (287-212 рр. до н.е.).Її застосували тоді у гвинтових пресах для видавлювання соку з винограду. Цю різьбу виконували вручну. Спочатку на циліндричній поверхні викреслювали, а потім вирізали гвинтову лінію. По ній виробляли різьбу у гайці. Це була досить важка і клопітна праця.

Пізніше за часів Леонардо да Вінчі (1452-1519 рр.), гвинти виготовляли простіше – відливали з міді чи бронзи, потім чистили та полірували.

Ще пізніше різьбу виготовляли так. Спочатку на циліндричний стрижень навивали дріт, а потім закріплювали його за допомогою припаювання. Такого самого діаметра дріт припаювали до внутрішньої поверхні майбутньої гайки. Гвинтові з’єднання з такою різьбою трапляються в стародавніх слюсарських лещатах, які виготовлені в 60-70-х роках минулого століття. Коли з’явився токарний верстат з ходовим гвинтом (близько 1797 року), тоді й почали швидко виготовляти різьбу будь-яких профілів та розмірів. За кордоном (США, Англія) широко використовують різьбу Акме (трапецієподібна з кутом профілю 29 градусів) та різьбу Вітворта ( з кутом профілю 55 градусів діаметром 3/16...4 дюйма з числом ниток на 1 дюйм і = (24...3).

У нашій країні найширше застосовується метрична різьба з кутом профілю 60 градусів. За допомогою різьбових з’єднань можна досить точно регулювати осьову “гру” в конічних підшипниках, зазори в клапанах двигунів внутрішнього згорання.

Для цього потрібно знати крок різьби, а потім, розділивши його на величину потрібного зазору, визначити частину кола, на яку потрібно відпускати регулювальну гайку чи гвинт, коли зазор вибрано.

Наприклад, у конічних підшипниках маємо відрегулювати зазор у межах 0,20-0,25 мм. Крок різьби регулювальної гайки p =1,5 мм. Тоді потрібно відпускати регулювальну гайку на 1/7...1/6 оберту. Якщо гайка має шість граней, то слід виконати поворот у зворотному напрямку наближено на одну грань. До речі, при відсутності різьбоміра для визначення кроку різьби можна скористатися такими способами. За допомогою шматка паперу (бажано білого) зробити відбиток гвинтової різьби. Змірявши за допомогою штангенциркуля або навіть лінійки десять кроків (для підвищення точності) і розділивши одержану відстань на десять, визначити крок різьби з досить доброю точністю (для практичних потреб).

До складу різьбових з’єднань входять болти, гвинти, шпильки, гайки, гвинтові стяжки, різьбові вставки, шайби та інше. Якщо стрижень з голівкою та гвинтовою нарізкою згвинчують з гайкою, то дістають болт, а коли такий самий стрижень загвинчують у якусь деталь, то буде гвинт. Якщо стрижень замість голівки має різьбу, то його називають шпилькою. Гвинтові стяжки – це такі деталі, в яких дві гайки з правою і лівою різьбою розміщені на одній осі з певною відстанню. Різьбові вставки мають вигляд циліндричного пустотілого стрижня, який має різь і внутрішню, і зовнішню. Найпростішою різьбовою вставкою може бути пружина з дроту, діаметр якого дорівнює половині різниці діаметрів різьб зовнішньої та внутрішньої.

Різьби бувають циліндричні і конічні. Якщо на циліндричну поверхню, яка служить основою, нагвинчувати плоску фігуру у вигляді трикутника, прямокутника, трапеції або півкола, то одержимо циліндричну різьбу відповідно трикутну, прямокутну, трапецієподібну або круглу. За напрямком спіралі різьби бувають праві і ліві. Якщо гвинтова лінія рухається зліва вгору направо – це права різьба, якщо справа вгору

наліво - ліва різьба.

Найбільше застосовують у техніці праву різьбу, а ліву використовують лише в окремих випадках. За кількістю заходів різьби бувають однозаходні (якщо переміщується лише один профіль при створенні гвинтової лінії) та багатозаходні. Всі кріпильні різьби однозаходні. Багатозаходні різьби використовують у гвинтових механізмах. Конічна різьба створюється на основній поверхні у вигляді конуса. Таку різьбу застосовують, щоб з’єднувати щільно труби, маслянки тощо.

Виготовляють різьбу так:

а) за допомогою мітчиків і плашок (вручну). Цей спосіб малопродуктивний і його використовують лише при ремонтах машин та в індивідуальному виробництві;

б) нарізанням за допомогою різців на токарних гвинторізних верстатах;

в) фрезеруванням на спеціальних різьбофрезерних верстатах (на великих діаметрах та з великою точністю);

г) відливанням (із чавуну, скла, металокераміки, пластмаси та порцеляни);

д) видавлюванням на тонкостінних деталях із жерсті, пластмаси та ін.

За призначенням різьби бувають кріпильні і ходові. Найчастіше кріпильні різьби бувають трикутного профілю, рідше – трубна різьба, що має також заокруглений при вершинах трикутний профіль. Ще рідше застосовують круглу різьбу. Ця різьба добре себе зарекомендовує в дуже забруднених умовах та при динамічних і ударних навантаженнях. Є спеціальні різьби для саморізів, гвинтів по дереву ( шурупів і “глухарів”). Для гвинтових механізмів використовують ходову різьбу, яка буває прямокутною, трапецієподібною, симетричного або несиметричного профілю. Останню називають упорною різьбою. Для зменшення тертя і зношування в ходових різьбах найширше застосовують прямокутний профіль.

Щоб зменшити пошкодження з’єднувальних деталей, під гайку або голівку гвинта ставлять шайби. Є також спеціальні стопорні шайби, за допомогою яких запобігають само відгвинчуванню в різьбах, що виникає внаслідок дії змінних навантажень, коливань і вібрацій.

Стопоріння в різьбах досягається багатьма способами, їх можна класифікувати так: підвищенням тертя (контргайки, пружинні шайби, неповні останні витки в гайці, пластмасове кільце в гайці) і жорстке з’єднання гайки з тілом болта (шплінтом, лаком, герметиком висихаючим, зварюванням); жорстке з’єднування гайки з тілом з’єднуваних деталей (лаком, клеєм, приварюванням, деформованими шайбами).

Стопоріння за допомогою пружинних шайб досить поширене в сільськогосподарських машинах як найбільш просте і дешеве. Проте це стопоріння має й значні недоліки. По-перше, пружинна шайба при загвинчуванні гострим краєм обдирає фарбу на опорній поверхні з’єднуваної деталі, а при зволожуванні там відбувається активний корозійний процес. По-друге, лише один розріз на шайбі створює ексцентричне навантаження, яке викликає додаткове напруження згину в тілі болта. Це напруження в декілька разів перевищує напруження розтягу. По-третє, пружні властивості розрізних шайб не постійні, а тому надійність стопоріння мала. З таких причин краще для стопоріння використовувати деформовані шайби, в яких один вусик загинають у спеціальний отвір деталі, а інший вусик або край шайби після загвинчування гайки загинають на її грань. Досить надійне стопоріння здійснюють за допомогою шплінтів або прошивкою групи гвинтів дротом. Але цей спосіб має вади: ступінчаста затяжка, необхідність свердління отворів, порівняно висока вартість.

Болти (гвинти) та гайки виготовляють з таких матеріалів: сталь Ст.3, сталь 10, сталь 20, сталь 35, сталь 45, а у відповідальних випадках із легованих сталей 35Х, 38ХА, та 45Г.

Класи міцності болтів часто позначають на торцях їхніх голівок. Якщо на торці стоять цифри 4.6, то це свідчить, що перше число, помножене на 100, визначає мінімальне значення граничної міцності матеріалу в МПа, а друге число означає відношення межі текучості до границі міцності (добуток першого числа на друге, збільшений на 10, визначає межу текучості також в МПа). Таким чином, болти, гвинти та шпильки класу міцності 3.6 виготовляють із сталі Ст.3 та сталі 10; 4.6 – із сталі 20; 5.6 – із сталі 30, сталі 35; 3,8 – із сталі 35Х, 38ХА, 45Г.

Механічні властивості гайок позначаються одним числом, яке після множення на 100 дає величину межі міцності в МПа матеріалу, з якого виготовлені гайки. Матеріал гайок такий, як і болтів. Лише в агресивних середовищах гайки часто виготовляють з бронзи, латуні, міді.

Пружні шайби виготовляють із сталі 65Г, які після виготовлення гартують до твердості HRC = 40...45.

На практиці трапляються гвинти різних конструкцій, наприклад: рим-болти, голівка яких має вигляд кованого кільця для захоплювання при підйомах транспортованих вантажів; відкидні гвинти з отворами для осей для задраювання люків, кришок, ілюмінаторів та ін.; двосторонні гвинти-стяжки; анкерні болти з Т-подібними голівками або з отвором для чеки, що зручно для роботи з анкерними плитами, які заливають у бетонні фундаменти.

Особливий вид гвинтів мають різні конструкції саморізів, шурупів та “глухарів” по дереву і пластмасах.

Складання гвинтових з’єднань виконують звичайно за допомогою гайкових ключів – звичайних (рожкових), торцевих, для внутрішнього захоплювання голівки, спеціальних, а також викруток та інших пристроїв.

При масовому складанні однотипних з’єднань застосовують електричні або пневматичні гайковерти або викрутки. Якщо треба загвинчувати гвинти з точною затяжкою, то використовують динамометричні ключі або ключі граничного моменту.

При затягуванні гвинтів великого діаметра (d більше 50...60 мм), де потрібно мати дуже велике зусилля затяжки, слід використовувати температурну деформацію гвинта. Можна спочатку гайку затягнути вручну до вибирання зазору, а потім спеціальним стержневим електропідігрівачем (ТЕН) – його вставляють в осьовий отвір гвинта – нагрівають гвинт. Поздовжня температурна деформація гвинта має бути при нагріванні більшою, ніж деформування його при затягуванні. Потім гайку вільно повертають на розрахований кут, який відповідає необхідній величині затягування. Після вимикання електропідігрівача гвинт захолоне і стисне з’єднувані деталі з необхідним зусиллям.

При роботі затягнутих гвинтових з’єднань зусилля між витками гайки розподіляються нерівномірно. Аналітично розподіл зусилля для звичайної гайки з 10-ма витками вперше розрахував М.Жуковський у 1902 році. Він встановив, що перший виток (до опорної поверхні) має навантаження близько 34 відсотків повної сили затяжки, а останній, 10-й, виток має дуже мале навантаження близько 0,9 відсотка. Це дає право виготовляти менші за висотою гайки, що мають 6 витків різьби. А для рівномірного розподілу силового потоку можна використовувати підвісні гайки та гайки з проточками на опорній поверхні, а також зрізувати витки гайки на конус, що дасть змогу мати більш податливі нижні витки.

Найбільша кількість руйнувань у різьбових з’єднаннях спостерігається в місцях найбільшого навантаження витка в площині контакту гайки з опорною деталлю (до 63-65 відсотків).

Для захисту від корозії на болти та гайки і шайби наносять захисне покриття з цинку, міді тощо. Але після загвинчування захисне покриття пошкоджується, а в нарізне з’єднання може потрапити волога і тоді, внаслідок дії корозії, болти і гайки неможливо відкрутити. З метою захисту нарізних з’єднань їх перед загвинчуванням слід покривати мастилом. Для цього промисловість виготовляє різні мастила. Наприклад мастила для різьби типу Р-2, 113, Р-402, Р-416, що складаються з індустрійних мастил типу И-45, И-50, які загущені алюмінієвими та літієвими милами стеаринової кислоти і мають такі добавки, як графіт, порошок свинцю, цинку і мідну пудру. Такі мастила полегшують згвинчування та розгвинчування нарізних з’єднань, довго зберігають різьбу від корозії, забезпечують герметичність нарізного з’єднання при тиску до 70 МПа, але вони дорогі і дефіцитні. Тому практикам радимо перед збиранням змащувати різьби деталей нарізних з’єднань трансмісійними мастилами типу ТАД-17, ТАП-15 або нігролом. Вони мають добру липкість і не змиваються водою.

На жаль, деякі господарі змащують різьбу солідолом. Це завдає шкоди, бо солідол змивається водою і такі з’єднання швидко ржавіють.

Для ущільнення нарізних з’єднань можна використовувати саморобні герм етики. Якщо нарізне з’єднання передбачено розбирати, то варто використовувати невисихаючий герм етик. Для його виготовлення до нітроемалі слід додати близько 10 відсотків рицинової олії, старанно її перемішати і поставити у відкритому посуді в тепле місце, наприклад, на батарею центрального опалення. Розчинники, які входять до складу нітроемалі, через деякий час (два-три дні) випаруються, суміш загусне і герм етик буде готовий до вжитку. Якщо потрібно швидко виготовити герметик, то можна зробити звичайну водяну баню і, часто помішуючи, довести суміш до потрібної густини. Цей герм етик надійно захистить з’єднання не лише від вологи, а й від дії бензину та мінеральних мастил. Цим герметиком можна змащувати також прокладки, наприклад, кришки клапанів, піддона картера та ін.

У якості висихаючого герметика для стопоріння різьбових з’єднань можна використовувати суміш такого мінералу, як тальк з клеєм БФ-2. Готують суміш безпосередньо перед вживанням, змішуючи два компоненти до сметаноподібної густини. Після нанесення, наприклад, на різьбу шпильки голівки блока шпильку загвинчують, а суміш висихає і надійно герметизує та стопорить різьбу.

Різьбові з’єднання, які працюють при високих температурах, - наприклад, кріплять випускні колектори та глушники, - перед складанням краще змащувати графітним мастилом або посипати порошком графіту. Це мастило навіть при найвищих температурах дає змогу легко розкручувати такі різьбові з’єднання. Коли нема графіту, болти і гайки краще спочатку знежирити бензином, а потім складати. Відсутність мастила в різьбі зменшить можливість пригорання (“прикипання”) гайки до тіла болта.