Р ис. 3. Получение конической поверхности на токарном станке

при повороте суппорта

Более подробная классификация резьб представлена на схеме (рис. 4). Размеры и профиль наиболее распространенных резьб даны в приложениях 1, 2.

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. Крепежные метрические^ резьбы можно встретить у шпинделей вентилей, возможно использование их и как присоединительных.

В связи с интеграцией в мировую экономику, есть смысл рассмотреть резьбы и других стран. В США, Англии, Канаде, Японии и ряде других стран применяется (возможно, одна из первых резьб придуманных человеком) дюймовая резьба Уитворта.

Р езьба
По назначению	По форме профиля	По виду поверхности	По расположению	По числу заходов	По направлению винтовой линии
Крепежные	Треугольные	Цилиндрические	Наружные	Одно- заходные	Правая
Кинематические	Круглые	Конические	Внутренние	Много- заходные	Левая
Присоединительные	Прямоугольные	М етрическая	Трапецеидальная	Упорная	Трубная

Рис. 4. Схема классификации резьб

Номинальный диаметр дюймовых резьб измеряется в дюймах (1″=25,4 мм), а шаг – числом витков (ниток) на дюйм длины (переход к метрическому шагу 25,4/n мм, где n – число витков). В обозначения этих резьб входят аббревиатуры^ UNC (NC) – Unified Coarse (крупный шаг) и UNF (NF) – Unified Fine (мелкий шаг). Дюймовую резьбу у нас можно встретить, например, в масляных фильтрах автомобилей (3/4″–16 UNF–2В, d=25,4 ^. 3/4 ≈ 19,05 мм, Р=25,4/16 ≈ 1,5875 мм, 2В – степень точности).

Резьбы UNC и UNF представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Резьбы UNC (крупный шаг)

Диаметр d, дюймы	1/8″	5/32″	3/16″	7/32″	1/4″	5/16″	3/8″	7/16″	1/2″	9/16″	5/8″	3/4″	7/8″	1″
Кол-во витков на 1 дюйм, n	40	32	24	24	20	18	16	14	13	12	11	10	9	8
Диаметр d, мм	3,18	3,97	4,76	5,56	6,35	7,94	9,53	11,11	12,7	14,29	15,88	19,05	22,23	25,4
Шаг Р, мм	0,64	0,79	1,06	1,06	1,27	1,41	1,59	1,81	1,95	2,12	2,31	2,54	2,82	3,18

Таблица 2. Резьбы UNF (мелкий шаг)

Диаметр d, дюймы	1/4″	5/16″	3/8″	7/16″	1/2″	9/16″	5/8″	3/4″	7/8″	1″
Кол-во витков на 1 дюйм, n	28	24	24	20	20	18	18	16	14	12
Диаметр d, мм	6,35	7,94	9,53	11,11	12,7	14,29	15,88	19,05	22,23	25,4
Шаг Р, мм	0,91	1,06	1,06	1,27	1,27	1,41	1,41	1,59	1,81	2,12

Наиболее распространенные и давно применяемые резьбовые соединения показаны на рис. 5. Обратим внимание, что в соединениях (рис. 5а,б) одну и ту же деталь (цилиндрический стержень с головкой и резьбой) принято называть по-разному. В соединении, где присутствует гайка (рис. 5а) это – болт, а где гайки нет (рис. 5б) – винт. Обратите внимание и на следующее, в случае (рис. 5а) в соединяемых деталях резьба не нарезается.

Почему применяют соединение винтом (рис. 5б) и шпилькой (рис. 5в левый). В соединении (рис. 5в) по сути два резьбовых соединения (сложнее, дороже, менее надежно). Причин несколько, вот главная – все зависит от материала, в который ввертываются детали.

Е сли, например, материал чугун или тем более сталь, возможен вариант (рис. 5б), а если алюминиевый сплав, лучше вариант (рис. 5в). В последнем случае, при снятии верхней детали, работает только резьбовое соединение стальных деталей.

Рис. 5. Резьбовые соединения: болтом (а), винтом (б), шпильками (в)

Р азновидностей крепежных деталей достаточно много. Кроме обычных, широко распространенных гаек, используются гайки-барашки (рис. 6а), крыльчатые (рис. 6б), круглые шлицевые (рис. 6в), колпачковые (рис. 6г) и другие. Колпачковые гайки из латуни часто используются для крепления выпускных коллекторов двигателей внутреннего сгорания.

Рис. 6. Гайки-барашки (а),крыльчатые (б), круглые шлицевые (в), колпачковые (г)

Для сальниковых устройств применяют накидные гайки (рис. 7а) и нажимные втулки (рис. 7б) иногда называемые также гайками, хотя гайка это деталь с внутренней резьбой.

Разновидностей болтов (винтов) также достаточно много. На рис. 8 показан откидной болт, позволяющий быстро закреплять и освобождать детали в виде крышек. Рым – болт (рис. 9) ввертывается в тяжелые узлы и детали (электродвигатели, крышки редукторов и т.д.) для монтажа и демонтажа их.

Р

а)

б)

ис. 7. Сальниковые устройства с накидной гайкой (а) и нажимной втулкой (б)

Рис. 8. Откидной болт

На рис. 10 показаны два варианта крепления сальниковой крышки при помощи шпильки и закладного болта. Болт с полукруглой головкой и квадратным подголовком (рис. 11) не требует удержания при завинчивании гайки.

Р ис. 9 Рым – болт

Рис. 10. Сальниковое устройство (два варианта):

со шпилькой; закладным болтом

Рис. 11. Болт с полукруглой головкой и квадратным подголовком

С резьбовыми соединениями, показанными на рис. 5 знакомы многие. А вот с резьбовыми соединениями обычных батарей центрального отопления многие совершенно не знакомы. Радиаторные батареи (рис. 12) собирают из секций (радиаторов) – 1 (число секций может быть различным) при помощи ниппелей 2 из ковкого чугуна, имеющих наружную правую и левую резьбу, а внутри – два выступа 3 для ключа.

Оба ниппеля ввертываются одновременно в две секции (радиаторы) стягивая их между собой. Для уплотнения соединения секций используют прокладки из специального картона, смоченного в воде и проваренного в натуральной олифе. Можно применять паронит, смоченный в горячей воде, или прокладки из термостойкой резины и других термостойких уплотнительных материалов.

В торцевые секции батареи ввернуты чугунные пробки: две глухие и две со сквозными отверстиями с резьбой G 1¼ для непосредственного присоединения труб или для подсоединения труб меньшего диаметра через футорки (детали с наружной и внутренней резьбой). В последнем случае футорка (наружная резьба) ввертывается в пробку, а уже в футорку (внутренняя резьба) ввертывается труба. Меняя пробки местами можно получить различные схемы соединения батарей.

Ч то касается крепежных деталей, здесь в последние годы произошли значительные изменения. Начнем с форм присоединительных поверхностей, выступов и впадин, при помощи которых завертываются и отвертываются крепежные детали. Если ранее основными присоединительными поверхностями были шестигранники (наружные и внутренние) и шлицы (прямой и крестообразный), то сейчас разновидностей внутренних присоединительных поверхностей крепежных деталей более 10. Одна из целей такого многообразия – нагрузочная способность при приемлемой цене крепежа и инструмента (материал, площади контакта). Немаловажное значение имеет и возможность простой осевой фиксации инструмента на крепеже.

Главное же, с использованием соответствующих легированных сталей, удалось минимизировать как присоединительные размеры крепежа, так и монтажного инструмента.

Внешние присоединительные поверхности крепежа даны в таблице 3, внутренние – в таблице 4 (выступающие поверхности зачернены).

Рис. 12. Соединение секций батареи отопления:

1 – секция (радиатор), 2 – ниппель, 3 – выступы для ключа,

4 – пробка с внутренним резьбовым отверстием для подсоединения трубы

Таблица 3. Внешние присоединительные поверхности

Форма	Название и характеристика
	Шестигранник – самая распространенная внешняя присоединительная поверхность, требует минимального усилия фиксации. Размеры «под ключ» (S), метрические (мм): 3,2; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; 6…30 (шаг 1 мм); 32; 33; 34; 36; 37; 38; 41; 46; 50…200 (шаг 5 мм); 210; 215; 220; 230; дюймовые (доли дюйма): 1/8, 5/32, 3/16, 7/32, 1/4, 9/32, 5/16, 11/32, 3/8, 1/16, 1/2, 9/16, 19/32, 5/8, 11/16, 3/4, 13/16, 7/8, 29/32, 15/16, 1, 1.1/16, 1.1/8, 1.3/16, 1.1/4, 1.5/16, 1.3/8, 1.7/16, 1.1/2, 1.5/8, 1.11/16, 1.3/4, 1.13/16, 1.7/8, 2, 2.1/16, 2.1/8, 2.1/4, 2.3/8, 2.1/2, 2.5/8, 2.3/4, 3, 3.1/8, 3.1/4, 3.3/18, 3.1/2, 3.5/8, 3.3/4, 3.7/8, 4, 4.1/8, 4.1/4, 4.1/2, 4.5/8, 5, 5.1/8, 5.1/4, 5.3/8, 5.5/2, 5.5/8, 5.3/4, 5.7/8, 6.
	Торкс (Torx) – выдерживает значительно большие нагрузки, чем шестигранник, требует минимального усилия фиксации. Применяется при значительных нагрузках. Размеры, указываемые в обозначении: 4…8 (шаг 1), 10, 12, 14, 16, 18, 20, 24.

Таблица 4. Внутренние присоединительные поверхности

Форма	Название и характеристика
	Шестигранник (внешний), прямой и крестообразный шлиц. Характеристику см.: внешний шестигранник, прямой и крестообразный шлицы.
	Прямой шлиц – самая простая форма присоединительной поверхности. Не удерживает жало отвертки от бокового смещения при больших усилиях, требуется и значительное усилие фиксации. Размеры жала отвертки (толщина х ширина, мм): 0,3x1,5; 0,3x2; 0,4x2, 0,4x2,3; 0,4x2,5; 0,5x3, 0,5x4; 0,6x3,5; 0,6x4; 0,6x4,5; 0,8x5; 0,8x5,5; 1x6; 1x6,5; 1,2x6,5; 1x7; 1,2x8; 1,2x8,5; 1,5x13; 1,6x8; 1,6x9; 1,6x10; 2x12; 2x13; 2,5x14; 2,5x16; 3x18.

	Филипс (Philips) – крест, конусно сужающийся по глубине, требует усилия фиксации пропорционального прикладываемому моменту. Усилие фиксации должно быть приложено строго по оси крепежа. Обозначения: 00, 0, 1, 2, 3, 4, 01, 02.
	Позидрайв/Сьюпадрайв (Pozidriv/Supadriv) – модифицированный крест Филипс. Дополнительные прорези увеличивают нагрузочную способность при уменьшении усилия фиксации. Обозначение: 0, 1, 2, 3, 4, 01, 02.
	Квадрат – площадь контакта меньше, чем у шестигранника, усилие фиксации – минимальное. Обозначение: 00, 1, 2, 3, 4, 01, 02. Размеры внешнего присоединительного квадрата (мм/дюймы): 6,3(1/4); 8,1(3/8); 12,5(1/2); 20(3/4); 25(1).
	Шестигранник (Hexagon) – передает значительные усилия при минимальном усилии фиксации Размеры «под ключ» (S), метрические (мм): 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 16; 17; 19; 22; 24; 27, дюймовые (доли дюйма): 3/64, 1/16, 5/64, 3/32, 7/64, 1/8, 9/64, 5/32, 3/16, 7/32, 1/4, 9/32, 5/16, 3/8, 7/16, 1/2, 9/16, 5/8, 3/4.

	Шестигранник с центрирующим штифтом (Ribe CS) – аналогичен шестиграннику без штифта, предназначен для особо ответственного крепежа устройств, требующих высококвалифицированного обслуживания, не допускает применения случайного инструмента. Размеры, как у обычного шестигранника.
	Внутренний Торкс (Torx) – обладает теми же преимуществами, что и внешний Торкс. Размеры, указываемые в обозначении: 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 27, 30, 40, 45, 55, 60.
	Торкс (Torx ВО) – с центрирующим штифтом, так же как шестигранник со штифтом применяется в особо ответственном крепеже, не допускает использование другого инструмента.
	Форма Ribe-CV – звездочка с плоскими лучами, применяется в крепеже регулировочных устройств.
	Форма XZN – десятилучевая звезда, большая площадь контакта, минимальное усилие фиксации. Применяется при больших нагрузках. Размеры, указанные в обозначении: 8, 10, 12, 14, 16.
	Форма Torg-set – несимметричный крест. По глубине разделен на две примерно равные части – коническую и цилиндрическую. Применяется в узлах, требующих высококвалифицированного обслуживания. Обозначения: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10.
	Форма TRI-wing – несимметричная трехлучевая звезда. По глубине имеет коническую и цилиндрическую части. Последняя преобладает. Применяется в крепеже узлов, требующих высококвалифицированного обслуживания. Обозначения: 0, 1, 2, 3, 4, 5.

Среди общих сведений о резьбах особое значение имеет вопрос о склонности резьб к самоотвинчиваемости (крепежные, присоединительные) и о КПД кинематических (ходовых) резьб. У крепежных резьб КПД, если можно так сказать, должен быть как можно меньше. Это не передача винт-гайка, а вот у ходовых резьб он должен, по возможности, быть максимальным.

Формула КПД резьбы известна^:

η = tg Ψ/ tg (Ψ + ρ)

где Ψ – угол подъема резьбы (рис. 2б), ρ – угол трения в резьбе.

Заметим, что угол подъема резьбы на бóльших диаметрах – меньше, на меньших – больше. В формуле угол берется на среднем диаметре (d₂, D₂, рис. 1б). Понять влияние угла Ψ на КПД, как правило, проще. С углом трения в резьбе (ρ) сложнее, скажем только, что он зависит от угла профиля резьбы. Попробуем разобраться в физическом смысле зависимости КПД от углов Ψ и ρ.

С углом Ψ, как отмечалось, проще (рис. 13а). Элемент гайки (ползун) находится на наклонной плоскости (винт). Чем больше угол Ψ, тем больше КПД (больше склонность к самоотвинчиванию). Дело может дойти до того, что при приложении осевой силы Q к гайке (винту) винт (гайка) будет вращаться. Известны такие отвертки, которые не нужно вращать, на рукоятку только нажимают.

П ри исследовании функции η = f (Ψ, ρ) установлено, что максимальный КПД будет при Ψ ≈ 40˚. Однако, на практике (сложность изготовления, малый прирост КПД) угол Ψ принимают не более 25˚.

Рис. 13. Влияние углов Ψ (а) и α (б) на КПД резьбы

Q – осевая сила на винте,

Т – движущая окружная сила

У метрических резьб с крупным шагом при d=6…68 мм угол Ψ=1˚40′…3˚ 30′, при мелких резьбах угол, естественно, еще меньше.

У прямоугольной резьбы, как отмечалось, α = 0˚ и КПД (по углу α) – максимальный, но изготовление этих резьб сложнее, в связи с чем они не стандартизованы.

Влияние угла ρ (α) на КПД можно понять, обратившись к рис. 13б, где условно представлен виток резьбы гайки и коническая поверхность – виток винта. Чем больше угол α (угол профиля), тем меньше угол  и напротив, чем меньше угол α, тем больше угол  ( при α = 0˚,  = 90˚, прямоугольная резьба).

Заметим, в обычных пробковых кранах, для получения приемлемого уплотнения и возможности проворота пробки, угол  обычно 7˚ или 8˚ (1:8, 1:7).

Мы рассмотрели присоединительные поверхности (профиль) крепежа (подсоединение инструмента), КПД резьб. Есть у крепежа и еще одна проблема – распределение нагрузки по виткам.

Еще в 1902 г. Н.Е. Жуковский решил эту довольно сложную задачу применительно к гайке. Распределение нагрузки между десятью витками гайки показано на рис. 14а. На первый, наиболее нагруженный виток (ближайший к детали), приходится около 1/3 силы приложенной к винту, а на последний десятый виток – 1/100 общей силы. Расчеты Н.Е. Жуковского были подтверждены экспериментально поляризационно-оптическим методом. Винт и гайка изготавливались из оптически активного материала при нагружении и освещении поляризованным светом становятся видимыми линии силового поля (рис. 14б), частота расположения которых характеризует величину напряжений.

Рис. 14. Распределение нагрузки между витками

по Н.Е. Жуковскому (а), силовое поле

в винте и гайке (б)

Для наиболее равномерного нагружения витков резьбы применяют гайки специальной конструкции (рис. 15а,б) или просто срезают ее витки ближайшие к детали (рис. 15в).

В первых двух случаях гайка растягивается как и винт. В третьем случае увеличивается прогиб витков винта, так как усилие прилагается к их вершинам и тем самым уменьшается прикладываемая к ним нагрузка.

Одна из современных конструкций гайки с равномерным распределением нагрузки по виткам представлена на рис. 16. Здесь витки гайки, ближайшие к детали, находятся на трубчатой (упруго деформируемой) части гайки и "снимают с себя" излишек нагрузки. Торможение упругой деформации осуществляется контактом узкой кольцевой площадки (44,5; 47,2) гайки со ступичным подшипником.

Рис. 15. Способы выравнивания нагрузки по виткам изменением конструкции (а, б) и срезанием витков гаек

Совершенствуются и винты (болты) есть самонарезающие, самосверлящие и самонарезающие (сверло с метчиком). Применяется и резьбовыдавливающий крепеж (рис. 17), который раскатывает резьбу при заворачивании в гладкое отверстие. Цель перечисленных винтов – снизить трудоемкость (стоимость) сборочных операций.

С амонарезающие винты (саморезы) применяются довольно широко, самосверлящие и самонарезающие можно встретить, например, у автомобилей Audi. Резьбовыдавливающий крепеж стал применяться и у нас. Этими винтами на «Волгах» крепятся подлокотники, на «Газелях» и «Соболях» – фиксаторы дверей.

Рис. 16. Ступичная гайка с выравниванием нагрузки по виткам (FORD Transit FT 80 – 120)

Рис. 17. Резьбовое соединение с резьбовыдавливающим винтом (а), поперечный разрез и заходная часть винта (б)

При всем совершенствовании резьбовых соединений всегда остается необходимость их завертывать и отвертывать. В странах развитого капитализма, где труд особенно дорог, часто идут на конструктивные решения различных узлов без резьб. Так на рис. 18 представлен ступичный узел, где традиционно использовалась резьба, – без резьбы. Заметим и другое прогрессивное решение подшипники «объединились» с деталями узла.

Винтовые поверхности можно встретить не только у резьб, передач винтовых и зубчатых. Они используются у: воздушных винтов (самолеты, ветровые электрогенераторы), гребных винтов (суда), шнеков (рис. 19), маслоотгонных резьб (рис. 20, 21). Обычная мясорубка имеет винт (шнек) с различным шагом, в зоне загрузки шаг больше. Все перечисленное, по сути дела, передачи винт – гайка (гребной винт "гайка" – вода) или гайка – винт (воздушный винт ветрового электрогенератора "гайка" – воздух).

Р ис.18. Ступица заднего колеса в сборе автомобилей "Дженерал моторс":"Понтиак – Транс Спорт", "Шевроле – Люмина", "Олдсмобил – Силуэт" и др.: 1 – ступица, 2 – опора, 3 – кольцо подшипника, 4 – сухарь (2 шт.), 5 – обойма запорного устройства, 6 – крышка

Рис. 19. Винтовая поверхность – шнек

Рис. 20. Уплотнения при помощи маслоотгонных резьб

Рис. 21. Профили маслоотгонных резьб