Глава 9

Конструирование резьбовых соединений

Соединение деталей с помощью резьбовых элементов являются наиболее распространёнными разъёмными соединениями. Трудно найти даже очень простую машину или механизм, где бы не использовались для соединения или крепления деталей болты, винты, шпильки, гайки или другие детали, снабжённые резьбой. Естественно, что при столь массовом использовании основные параметры резьбы и крепёжных деталей стандартизированы по всему миру.

Классификация резьб

По форме основной поверхности различают цилиндрические и кони­ческие резьбы. Наиболее распространена цилиндрическая резьба. Ко­ническую резьбу применяют для плотных со­единений труб, масленок, пробок и т. п.

Рис. 9.1 Профиль резьбы — контур сечения резьбы в плоскости, проходящей че­рез ось основной поверхности. По форме профиля (рис. 9.1) различают треугольные (а), прямоугольные (г), трапецеидальные( в), круглые (д) и дру­гие резьбы.

По направлению винтовой линии различают правую и левую резьбы(рис. 9.1.1). У правой резьбы винтовая линия идет слева направо и вверх, у ле­вой — справа налево и вверх. Наиболее распространена правая резь­ба. Левую резьбу применяют только в специальных случаях.

Рис. 9.1.1

Если резьбовые выступы расположены по двум или нескольким параллельным винтовым линиям, то они образуют многозаходную резь­бу (А-А). По числу заходов различают однозаходную, двухзаходную и т. д. резьбы. Наиболее распространена однозаходная резьба. Все крепеж­ные резьбы однозаходные. Многозаходные резьбы применяются преиму­щественно в винтовых механизмах. Число заходов больше трех приме­няют редко.

Методы изготовления резьбы.

1. Нарезкой вручную метчиками или плашками. Способ малопроизводительный. Его применяют в индиви­дуальном производстве и при ремонтных работах.

2. Нарезкой на токарно-винторезных или специальных станках.

3. Фрезерованием на специальных резьбофрезерных станках. При­меняют для нарезки винтов больших диаметров с повышенными требованиями к точности резьбы (ходовые и грузовые винты, резьбы на валах и т. д.).

4. Накаткой на специальных резьбонакатных станках-автоматах. Этим высокопроизводительным и дешевым способом изготовляют боль­шинство резьб стандартных крепежных дета­лей (болты, винты и т. д.). Накатка сущест­венно упрочняет резьбовые детали.

5. Литьем на деталях из стекла, пласт­массы, металлокерамики и др.

6. Выдавливанием на тонкостенных дав­ленных и штампованных изделиях, из же­сти, пластмассы и т. д.

Геометрические параметры резьбы (рис. 9.2):

d — наружный диаметр; d₁ — внутренний ди­аметр (номинальные значения d и d₁ одинаковы для винта и гайки, зазоры

Рис. 9.2 во впадинах обра­зуют за счет предельных отклонений разме­ров диаметров); d₂ — средний диаметр (диа­метр воображаемого цилиндра, образующая которого пересекает резьбу в таком месте, где ширина выступа равна ширине канавки); h — рабочая высота профиля, по которой соприкасаются боковые стороны резьб винта и гайки; р — шаг (расстояние между одноименными сто­ронами соседних профилей, измеренное в направлении оси резьбы); р₁ — ход (поступательное перемещение образующего профиля за один оборот или относительное осевое перемещение гайки за один оборот).

Рис. 9.3.

Для однозаходной резьбы р₁=p; для многозаходной р₁=np, где : n — число заходов; а — угол профиля; — угол подъема (угол подъема развертки

винтовой линии по среднему диаметру (рис. 9.3).

. (9.1)

Все геометрические параметры резьб и допуски на их размеры стандартизованы.

Основные типы резьб. По назначению различают резьбы крепежные и резьбы для винтовых механизмов.

Резьбы крепежные: метрическая с треугольным профилем (см. рис. 9.2) — основная крепежная резьба; трубная (рис. 9.4, а) — треугольная со скругленными вершинами и впадинами; круглая (рис. 9.4, б); резьба винтов для дерева (рис. 9.4, в).

Рис. 9.4.

Резьбы винтовых механизмов (ходовые резь­бы): прямоугольная (рис. 9.5, а); трапецеидальная симметричная (рис. 9.5, б); трапецеидальная несимметричная, или упорная (рис. 9.5, в).

Приведенная классификация не является строгой, так как в прак­тике встречаются случаи применения метрической резьбы с мелким шагом в точных измерительных винтовых механизмах и, наоборот, трапецеидальных резьб как крепежных.

Рис. 9.5.

Выбор профиля резьбы. Определяется многими факторами, важ­нейшие из которых прочность, технологичность и силы трения в резь­бе. Так, например, крепежная резьба должна обладать высокой проч­ностью и относительно большими силами трения, предохраняющими крепежные детали от самоотвинчивания.

Р езьбы винтовых механизмов должны быть с малыми силами тре­ния, чтобы повысить к. п. д. и уменьшить износ. Прочность во мно­гих случаях не является для них основным критерием, определяющим размеры винтовой пары.

Сопоставим профили резьб по этим показателям (рис. 9.6). Осе­вая сила F действующая по стержню винта, уравновешивается реакцией гайки, распределенной по виткам резь­бы. На рис. 9.6 эта реакция условно заменена сосредоточенной силой F_n, нормальной к линии профиля. При этом F_n = F/cosy и сила трения

F_rp = Ff = Ff/cos у = Ff_пр, где f—действительный коэффициент трения; f_пр—фиктивный, или приве­денный, коэффициент трения в резьбе: (9.2)

Рис. 9.6.

Для крепежной метрической резьбы у=а/2=30° и f_пр =1,15f; для ходовой трапецеидальной симметричной резьбы у=а/2= 15° и

f_пр =1,03f для ходовой упорной резьбы у =3° и f_np ;

для прямо­угольной резьбы у =0 и f_np =f. Таким образом, в крепежной метри­ческой резьбе силы трения на 15. . .12% больше, чем в ходовых резьбах.

В дальнейшем показано, что прочность резьбы на срез рассчиты­вают по сечению с—с (см. рис. 9.6). Для треугольной резьбы с—с равно ~0,85 р, трапецеиальной 0,65 р, прямоугольной 0,5р. Следова­тельно, при одном и том же шаге резьбы р треугольная резьба пример­но в два раза прочней прямоугольной. Учитывая это обстоятельство, основные крепежные резьбы выполняют с треугольным профилем, а ходовые — с прямоугольным или близким к нему.

Рассмотрим некоторые дополнительные характеристики отдель­ных типов резьб.

Рисунок 9.7.

Резьба метрическая (см. рис. 9.2) получила свое название потому, что все ее размеры измеряются в мм (в отличие от дюймовой резьбы, размеры которой измеряются в дюймах). Вер­шины витков и впадин притуплены по прямой или по дуге окружности, что необходимо для уменьшения концентрации напряжений, предо­хранения от повреждений (забоин) в эксплуата­ции, повышения стойкости инструмента при на­резании.

Стандарт предусматривает метрические резь­бы с крупным и мелким шагом. Для одного и то­го же диаметра d мелкие резьбы отличаются от крупной значением шага р. Например, для ди­аметра 14 мм стандарт предусматривает круп­ную резьбу с шагом 2 мм и пять мелких резьб с шагами 1,5; 1,25; 1; 0,75 и 0,5 мм. При уменьшении шага соответст­венно уменьшаются высота резьбы (рис. 9.7) и угол подъема резьбы — см. формулу (9.1), а внутренний диаметр d₁ увеличивается.

Увеличение диаметра d₁ повышает прочность стержня винта, а уменьшение угла подъема увеличивает самоторможение в резьбе (см. ниже), т. е. уменьшает возможность самоотвинчивания. По этим при­чинам мелкие резьбы находят применение для динамически нагружен­ных соединений, склонных к самоотвинчиванию, а также полых тонко­стенных и мелких деталей (авиация, точная механика, радиотехника и т. п.).

В общем машиностроении основное применение имеют крупные резьбы как менее чувствительные к износу и ошибкам изготовления.

Резьбы трубные (см. рис. 9.4, а) применяются для герметичного соединения труб и арматуры (масленки, штуцера и т. п.). На тонкой стенке трубы невозможно нарезать резьбу с крупным шагом без су­щественного уменьшения прочности трубы. Поэтому трубная резьба имеет мелкий шаг. В международном стандарте для трубной резьбы до настоящего времени еще сохранено измерение в дюймах. Для лучшего уплотнения трубную резьбу выполняют без зазоров по выступам и впадинам и с закруглениями профиля. Высокую плотность соединения дает коническая трубная резьба. Плотность здесь достигается за счет плотного прилегания профилей по вершинам при затяжке соединения. Коническая резьба в изготовлении сложнее цилиндрической. В настоя­щее время вместо трубных резьб часто применяют мелкие метрические резьбы.

Резьба круглая (см. рис. 9.4, б) удобна для изготовления способом литья на чугунных, стеклянных, пластмассовых и других изделиях, а также накаткой и выдавливанием на тонкостенных металлических и пластмассовых деталях.

Резьбы винтов для дерева или других малопрочных материалов (см. рис. 9.4, в). Конструкция этих резьб обеспечивает равнопрочность резьбы в деталях из разнородных материалов. Например, для резьбы деревянной детали расчетным размером на срез является р, а для резьбы металлического винта р'. При этом р>р'.

Резьба прямоугольная (см. рис. 9.5, а), широко применявшаяся ранее в винтовых механизмах, в настоящее время не стандартизована и почти вытеснена трапецеидальной. Изготовить прямоугольную резь­бу более производительным способом на резьбофрезерных станках невозможно, так как для образования чистой поверхности резьбы у фрезы должны быть режущими не только передние, но и боковые грани (сравни профили рис. 9.5, а и 9.5, б).

Прямоугольную резьбу изготовляют резцами на токарно-винторезных станках. Этот способ имеет низкую производительность.

Резьба трапецеидальная изготовляется с симметричным (см. рис. 9.5, б) и несимметричным (см. рис. 9.5, в) профилями. Симметричную резьбу используют для передачи двустороннего (реверсивного) движения под нагрузкой. Несимметричная резьба предназначается для односто­роннего движения под нагрузкой и называется упорной резьбой. Она применяется для винтов-домкратов, прессов и т. п.

Закругление впадин (см. рис. 9.5, в) уменьшает концентрацию на­пряжений. Малый угол наклона (3°) упорной стороны профиля резьбы позволяет уменьшить потери на трение и в то же время изготовлять винты на резьбофрезерных станках.