Лекция № 7. Резьбовые соединения Деталей машин и их расчёт

Резьбовыми называют такие соединения, которые осуществляются крепежными деталями посредством резьбы.

^{Рис. 24.}

Расположенные между канавками выступы называют витками резьбы (рис.24). Выступ резьбы принято называть ниткой резьбы.

Основными крепежными деталями резьбовых соединений являются: болты, винты, шпильки и гайки. Болт представляет собой стержень с резьбой для гайки на одном конце и головкой на другом. Винт — это стержень, обычно с головкой на одном конце и резьбой на другом конце, которым он ввинчивается в одну из скрепляемых деталей. В резьбовых соединениях применяют винты и без головок. Шпилька представляет собой стержень с резьбой на обоих концах; одним концом она ввинчивается в одну из скрепляемых деталей, а на другой конец навинчивается гайка. Гайка — это деталь с резьбовым отверстием, навинчиваемая на болт или на шпильку и служащая для замыкания скрепляемых с помощью болта или шпильки деталей соединения.

Классы прочности и материалы резьбовых деталей

Стальные болты, винты и шпильки в соответствии с ГОСТ 1759—70** изготовляют 12 классов прочности. Классы прочности и материалы резьбовых деталей приведены в табл. 7.1.

Класс прочности обозначается двумя числами. Первое число, умноженное на 100, указы­вает минимальное значение предела проч­ности в МПа, второе, деленное на 10, указывает отношение предела текучести к пределу прочности, а, следовательно, их произведение, умноженное на 10, пред­ставляет собой предел текучести.

Табл.7.1.

Механические характеристики материалов резьбовых деталей

Класс прочности болта	σв МПа		στ, МПа	Марки стали
	min	max		Болт	Гайка
3.6	300	490	180	СтЗ; 10	Ст 3
4.6	400	550	240	20	Ст 3
5.6	500	700	300	30; 35	10
6.6	600	800	360	35;45;40Г	15
8.8	800	1000	640	35Х; 38ХА;	20; 35;45,
10.9	1000	1200	900	40Г2; 40Х; 30ХГСА	35Х; 38ХА

При стесненных габаритах выбирают резьбовые детали высоких классов проч­ности, что позволяет снизить массу узла. При опасности перекосов опорных поверх­ностей следует выбирать, болты из стали повышенной пластичности. Головки часто завинчиваемых и отвин­чиваемых винтов, концы стопорных винтов планируют для получения высокой твер­дости. Сильно напряженные винты из леги­рованных сталей, а также среднеуглеродистой качественной стали подвергают улучшению или закалке. Термообработкой достигают повышения прочности винтов на 75 %.

Применяют механические способы уп­рочнения винтов — обкатку резьбы и пере­ходного участка от головки к стержню.

В машинах, для которых решающее зна­чение имеет уменьшение массы (само­леты), широко применяют винты из ти­тановых сплавов (ВТ14, ВТ16). Масса винтов из титановых сплавов при одина­ковых нагрузках вследствие меньшей плот­ности титана составляет 60 % от массы винтов из сталей.

В отдельных резьбовых соединениях применяют также шайбы и гаечные замки. Обыкновенные шайбы представляют собой подкладки, помещаемые под гайки, головки болтов и винтов и служащие для увеличения опорной поверхности. Гаечные замки применяют для удержания гаек и винтов от самоотвинчивания. Для завинчивания и отвинчивания винтов со шлицами пользуются отвертками. Для завинчивания и отвинчивания остальных винтов и почти всех гаек применяют гаечные ключи.

Две детали, сопрягаемые резьбой (болт и гайка, винт и гайка и т. д.), называют винтовой парой.

Профиль резьбы определяется формой сечения витков в осевой плоскости. По форме профиля различают треугольную, прямоугольную, в частности квадратную, трапецеидальную и круглую резьбы. В зависимости от формы стержня, различают цилиндрические и конические резьбы. Резьба, расположенная на наружной поверхности детали, называется наружной, а на внутренней поверхности — внутренней. В зависимости от направления вращения контура, образующего резьбу, различают правую (см. рис. 25 б) и левую (рис 25, а) резьбы.

Рис.25.

Во всех случаях, когда нет необходимости применять левую резьбу, пользуются только правой резьбой. В зависимости от количества ниток резьбы, из, которых она образована, различают однозаходную, двухзаходную и другие резьбы. В резьбовых соединениях применяют исключительно однозаходные резьбы, как наиболее надежные в отношении самоторможения резьбовых деталей и предохраняющие их от самоотвинчивания. Многозаходные резьбы (двухзаходные, трехзаходные и т. д.) применяются в передачах винт — гайка и червячных.

По назначению различают:

крепежные резьбы, предназначенные для скрепления деталей;

крепежно-уплотняющие резьбы, служащие не только для скрепления соединяемых деталей, но и создания герметичности их соединения;

резьбы для передачи движения, применяемые в передачах винт — гайка и червяках червячных передач.

В качестве крепежной применяют преимущественно треугольную резьбу, так как она наиболее прочная, обеспечивает большое трение на поверхности резьбовых деталей, проста и удобна в изготовлении и тем самым увеличивает надежность предохранения от самоотвинчивания. В качестве крепежно-уплотняющей резьбы также применяют треугольную резьбу, которая отличается от треугольной крепежной резьбы отсутствием радиальных зазоров между соединяемыми резьбовыми деталями. Резьбы других профилей применяют в основном для деталей, передающих движение.

Основные параметры резьбы (цилиндрической): форма и размеры профиля; наружный d(D), внутренний d₁ (D₁) и средний d₂(D₂) диаметры резьбы, угол подъема резьбы ψ, шаг резьбы Ρ — расстояние между одноименными сторонами двух рядом расположенных витков, измеренное в направлении осевой линии резьбы; ход резьбы Р_h — это расстояние, на которое переместится болт или винт вдоль своей осевой линии за один оборот; число заходов резьбы п, т. е. число ниток резьбы, приходящихся на ее ход. Для однозаходной резьбы шаг и ход резьбы равны между собой (рис.27), Наружный диаметр d резьбы является ее номинальным диаметром. Средний диаметр резьбы

d₂ = 0,5(d + d₁) (7.1)

Из развертки на плоскость винтовой линии по среднему диаметру резьбы (рис. 26) следует, что

(7.2)

Рис. 26.

Распределение осевой нагрузки по рабочим виткам. В резьбовых соединениях осевая растягивающая нагрузка распределяется нерав­номерно по рабочим виткам резьбы. Впервые закон распределения был исследован и установлен Н. Е. Жуковским (1846—1921).

В резьбовом соединении с гайкой, работающей на растяжение, и с нормальной податливостью винта и гайки эпюра распределения давления между витками получается с минимумом в средней части длины свинчивания. В связи с тем, что винты, как правило, работают со значительной силой начальной затяжки, для большей части винтов в машиностроении применяют расчеты на статическую нагрузку.

Рис. 27. Схема распределения нагрузки между витками резьбы по Η. Ε. Жуковскому

Выход из строя винтов в указанных условиях нагрузки может происходить по одной из следующих причин:

1) разрыв стержня по резьбе или по переходному сечению;

2) повреждение или разрушение резьбы (смятие и износ, срез, изгиб);

3) разрушение у головки.

Эти исследования выявили природу и степень неравномерности распределения нагрузки по рабочим виткам резьбы. Принципиальная картина распределения нагрузки по виткам резьбы для соединения типа болт — гайка показана на рис. 27. Увеличение высоты гайки практически не влияет на характер распределения.

Гайки растяжения получили ограниченное распространение вследствие не технологичности конструкций. Более технологичной является конструкция гайки с торцовой выточкой и удаленным пер­вым, наиболее нагруженным витком (рис. 28, вариант А), пред­ставляющая собой разновидность гайки растяжения.

Рис. 28.

Гайки шестигранные при одних и тех же диаметрах резьбы и высоте различают нормальные и облегченные, т. е. с меньшими наружными размерами.

Шестигранные гайки изготовляют нормальной высоты, низкие, высокие и особо высокие. Шестигранные прорезные и корончатые гайки бывают нормальной высоты и низкие. Наиболее распространены шестигранные гайки. К специальным гайкам относятся: шестигранные гайки для крепления колес автомобилей, гайки, служащие для герметизации резьбовых соединений и ряд других.