Параметры резьбы. Резьбовые соединения деталей Основные типы резьб
Резьбовые соединения – это самый распространённый вид вид разъёмных соединений. Они осуществляются с помощью крепёжных резьбовых деталей (болтов, винтов, шпилек, гаек и т.д.)
Достоинства
: надёжность, удобство сборки/разборки, простота конструкции, дешевизна (вследствие стандартизации), технологичность, возможность регулировки силы сжатия.
Недостатки:
концентрация напряжения во впадинах резьбы, низкая вибрационная стоимость.
На развертке цилиндрической поверхности, винтовая линия располагается под некоторым углом ψ , этот угол называется углом подъема резьбы.
Ход резьбы, представляющий собой расстояние между одноименными точками одной винтовой линии. Основной характеристикой профиля резьбы является угол между смежными боковыми сторонами в плоскости осевого сечения, называется углом профиля резьбы . Для треугольного профиля метрической резьбы , дюймовой , трапецеидальной .
Существует два основных способа изготовления резьб: нарезанием и накатыванием. Нарезание резьб осуществляется резцами, гребенками, плашками, метчиками, резьбовыми головками, фрезами.
Накатывание резьб осуществляется гребенками или роликами на резьбонакатных автоматах путем пластической деформации заготовки. Этот способ высокопроизводителен, применяется в массовом производстве при изготовлении стандартных крепежных деталей.
Основными геометрическими параметрами цилиндрической резьбы являются:
d
– наружный диаметр (номинальный диаметр резьбы);
d1
- внутренний диаметр резьбы гайки;
d2
- средний диаметр резьбы, т.е. диаметр воображаемого цилиндра, на котором толщина витка равна ширине впадины;
p
- шаг резьбы, т.е. расстояние между одноименными сторонами двух соседних витков в осевом направлении;
ph
- ход резьбы, т.е. расстояние между одноименными сторонами одного и того же витка в осевом направлении;
α
- угол профиля резьбы;
42. Момент трения в резьбе и на торце гайки (винта). Расчёт резьбы на напряжение смятия и среза. Высота гайки и глубина завинчивания.
Подавляющее большинство резьбовых соединений с предварительной затяжкой. Затяжка создается при сборке с целью, чтобы после приложения рабочей нагрузки не происходило раскрытия стыка или сдвига соединяемых деталей.
При завинчивании гайки (или винта с головкой) необходимо приложить момент завинчивания Т зав для преодоления момента Т Р сопротивления в резьбе и момента Т Т сопротивления на торце гайки:
Т зав = Т Р + Т Т, (2.1)
где T P = F t d 2 / 2 = 0,5 F зат d 2 tg(Ψ + φ 1) ; (2.2)
Т Т = 0,5 F зат f T d ср, (2.3)
F зат – осевая сила затяжки;
d2 – средний диаметр резьбы;
Ψ – угол подъема резьбы;
φ 1 – приведенный (с учетом влияния угла профиля α) угол трения в резьбе: φ 1 = φ / cos(α/2),
φ – угол трения материалов пары винт – гайка;
f T – коэффициент трения материалов пары гайка – деталь;
d ср – средний диаметр кольца (рис. 2.2):
d ср = 0,5(D + d h).
Эксплуатация резьбовых соединений показывает, что выход из строя болтов, винтов, шпилек и т.п. деталей происходит вследствие разрыва (или вытяжки) их стержня по резьбе или переходному сечению у головки. Разрушение или повреждение элементов резьбы происходит реже и характерно для деталей, часто подвергающихся разборке-сборке. При необходимости выполняют проверочные расчёты резьбы на прочность по напряжениям среза и смятия.
Условие прочности резьбы на срез имеет вид
τ cp = Q /А cp) ≤[τ cp ],
где Q– осевая сила; A ср – площадь среза витков нарезки; для винта (см. рис.1.9) A ср = πd 1 kH г,для гайки А ср = πDkH г.Здесь Н г – высота гайки; k– коэффициент, учитывающий ширину основания витков резьбы: для метрической резьбы для винта k ≈ 0,75, для гайки k ≈ 0,88; для трапецеидальной и упорной резьб (см. рис.1.11, 1.12) k ≈ 0,65; для прямоугольной резьбы (см. рис.1.13) k = 0,5. Если винт и гайка из одного материала, то на срез проверяют только винт, так как d l < D.
Условие прочности резьбы на смятие имеет вид
σ cм = Q /А cм ≤[σ cм ],
где А см – условная площадь смятия (проекция площади контакта резьбы винта и гайки на плоскость, перпендикулярную оси): А см = πd 2 hz , где (см. рис.1.9) nd 2 – длина одного витка по среднему диаметру; h– рабочая высота профиля резьбы; z=Н г /р – число витков резьбы в гайке высотой Н г; р – шаг резьбы (по стандарту рабочая высота профиля резьбы обозначенаН 1).
Из условия равнопрочности стержня болта на растяжение под действием осевой нагрузки и резьбы гайки на изгиб, на срез и смятие определяют необходимую высоту гайки. Установлено, что первый от точки приложения силы виток резьбы воспринимает 34% всей нагрузки, второй - 23%, третий - 15%, а десятый - только 0,9%. Таким образом, все витки резьбы гайки после десятого практически никакой нагрузки не воспринимают.
Так же как резьба гайки, работает резьба гнезда, в которое ввинчивается винт или шпилька. В зависимости от того, из какого материала изготовлены детали, в которые ввинчиваются шпильки, меняется и глубина завинчивания шпилек. Здесь уже учитывается и величина осевой нагрузки, ибо, чем она больше, тем больше диаметр шпильки, а тем, следовательно, больше и глубина завинчивания.
Главной характеристикой любой резьбы считается ее профиль. Под этим названием подразумевается сечение резьбовой нитки плоскостью, проходящей вдоль оси изделия, на котором выполнена резьба.
Угол, впадина, вершина - все это элементы профиля. Угол, образуемый боковыми гранями нитки, носит название угла профиля. Его замер осуществляется в диаметральной плоскости.
Что касается вершины профиля, то она образуется линией, которая соединяет боковые грани нитки в верхней точке (Е), как показано на рисунке 1, представленном ниже.
Рисунок 1. Элементы профиля
Впадина профиля на рисунке 1, а, б обозначается буквой F. Это линия, которая также соединяет боковые линии витка только в нижней точке. Другими словами, впадина является нижней точкой винтовой канавки.
Форма вершины/впадины профиля может быть двух типов:
- плоскосрезанной (а);
- закругленной (б).
Шаг
Шагом - величина удаленности аналогичных точек смежных витков. Его замер производится в плоскости, параллельной оси резьбы. Единицами измерения данного параметра являются миллиметры, по крайней мере, в производстве миллиметры встречаются гораздо чаще, чем дюймы, в которых также может измеряться шаг резьбы.
На станках, предназначенных для токарных работ, можно выполнять как модульную, так и питчевую резьбу.
Диаметр
Различают три вида диаметров резьбы:
- наружный - диаметр окружности, описанной вокруг верхних точек резьбовой поверхности;
- средний - диметр окружности, чья образующая пересекает профиль резьбы и при этом образуются отрезки, равные половине номинального шага;
- внутренний - диаметр окружности, вписанной в нижние точки резьбы.
Угол подъема
Под углом подъема резьбы подразумевается угол, который образуется резьбовым выступом и плоскостью, расположенной перпендикулярно его оси.
Классификация резьбы
Нитка резьбы может быть направлена как влево, так и вправо, что отображено на рисунке 2.
Рисунок 2. Виды резьбы
Определить подъем резьбы винта можно по руке. Если положить вал с резьбовой поверхностью на ладонь левой руки, где подъем винта совпадет с большим пальцем, то резьба левая. В противном случае - резьба правая. Вид резьбы определяет, в каком направлении будет навертываться гайка: в первом случае гайка навинчивается против часовой стрелки, а во втором - по часовой стрелке.
Профиль устанавливает разновидность резьбы:
- треугольную;
- прямоугольную;
- трапецеидальную;
- упорную.
Следует отметить, что треугольные системы включают резьбы метрические, дюймовые и трубные. О каждой из них и пойдет речь.
Метрические резьбы считаются самыми популярными. Причем распространены резьбы, характеризующиеся разной величиной шага (измеряется в мм). Их угол профиля составляет 60°. К характерным особенностям данного исполнения можно отнести наличие люфта между профилями резьбовой пары болт-гайка. Следовательно, такая резьба встречается чаще всего на крепежных деталях типа винтов, болтов, шпилек и пр., основное назначение которых - соединять элементы механизмов.
Дюймовые резьбы распространены не так, как метрические. Их угол профиля чуть меньше, чем у первых, и составляет 55°, а шаг измеряется количеством ниток на дюйм. В верхних и нижних точках данной резьбы тоже предусмотрен люфт. Такой резьбой оснащаются детали машин зарубежного производства, поэтому изготавливаются они по мере необходимости (когда оригинальное изделие выходит из строя).
Угол профиля трубной резьбы совпадает с дюймовой и составляет 55°. Отличительная особенность резьбы данного типа - закругленная форма вершин и впадин, а также отсутствие зазоров в этих точках. За счет этого данное резьбовое соединение водонепроницаемо. Такой резьбой оснащаются газо- и водопроводных трубы и их соединительные элементы (к примеру, муфты).
Трапецеидальная резьба характеризуется профилем, представляющим собой трапецию, и углом 30°. Профиль образуется прямыми линиями, слегка закругленными в верхних и нижних точках, где предполагается наличие зазоров. Ее использование актуально на винтах, которые преобразуют вращение одной детали в прямолинейное перемещение другой.
Прямоугольная резьба отличается профилем квадрат, каждая грань которого равна половине шага. Здесь не предусмотрен люфт. Сфера ее применения точно такая, как в случае трапецеидально резьбы. При этом столкнуться с ней можно крайне редко, поскольку она не стандартизована.
Упорная резьба при соединении соприкасается сторонами, на которые приходится основная нагрузка, а также верхними и нижними точками резьбы соединенных элементов. Между другими элементами профиля предусмотрен люфт. Подобная резьба выполняется на муфтах, которые соединяют трубопроводы компрессоров и емкостей со сжатым воздухом, и винтах гидропрессов.
Наладка оборудования для резьбонарезания
Чтобы настроить токарный станок на резьбонарезание, нужно знать следующее: при полном обороте заготовки резьбовый резец должен передвигаться на величину шага (при выполнении однозаходной резьбы) или хода (при выполнении многозаходной резьбы).
По завершению операции, предполагающей углубление инструмента в тело детали при каждом проходе, образуются винтовые канавка и выступ, которые представляют собой резьбу.
Понятие о винтовой линии . Если (рис. 166, а) прямоугольный треугольник ABC, вырезанный из бумаги или из тонкой жести, сторона АВ которого равна длине окружности πD основания цилиндра Е, навернуть на цилиндр так, чтобы сторона АВ совпала с основанием цилиндра, то сторона АС образует на боковой поверхности его линию, называемую винтовой.
Образование винтовой резьбы . Предположим, что плоская фигура, например треугольник abc (рис. 166, б), стороной ab касается образующей цилиндра Е и расположен в плоскости, проходящей через его ось. Предположим далее, что этот треугольник перемещается, оставаясь в плоскости, проходящей через ось цилиндра Е, причем вершина его скользит по винтовой линии, нанесенной на цилиндре. При перемещении треугольника на боковой поверхности цилиндра Е получаются винтовой выступ N и винтовая канавка М, образующие наружную винтовую резьбу.
Если бы треугольник abc перемещался по винтовой линии, нанесенной на внутренней цилиндрической поверхности (на стенках отверстия), на этой поверхности была бы образована внутренняя винтовая резьба.
Винтовой выступ резьбы, получившийся пссле одного полного оборота образующей ее фигуры, называется витком.
Профиль резьбы . Винтовые резьбы, принятые на практике, образованы перемещением по боковой поверхности цилиндра не только треугольника, но и других плоских фигур (трапеций, квадрата и т. д.), выбираемых в зависимости от условий, в которых работает резьба. В соответствии с этим основным признаком, характеризующим резьбу, является ее профиль.
Профилем резьбы называется сечение ее витка плоскостью, проходящей через ось цилиндра (т. е. диаметральной плоскостью), на котором образована резьба.
Рис. 166. Образование винтовой резьбы
Элементы профиля резьбы . Элементами профиля резьбы являются его боковые стороны, угол, вершина и впадина.
Углом профиля называется угол между боковыми сторонами витка, измеренный в диаметральной плоскости. Этот угол (рис. 167, а) обозначается буквой α.
Рис. 167. Элементы профиля (а, б) и шаг резьбы (в)
Вершиной профиля называется линия, соединяющая боковые стороны его по верху витка (Р, рис. 167, а, б).
Впадиной профиля называется линия, образующая дно винтовой канавки (R, рис. 167, а, б).
Очертания вершины и впадины могут быть плоскосрезанными (рис. 167, а) или закругленными (рис. 167, б).
Шаг резьбы . Следующим элементом, характеризующим резьбу, является ее шаг.
Шаг резьбы - это расстояние между двумя одноименными (т. е. правыми или левыми) точками двух соседних витков, измеренное параллельно оси резьбы.
На рис. 167, в такими точками являются точки А и А 1 точки В и В 1 , точки С и C 1 и т. д. Расстояние между этими точками, измеренное параллельно линии 00 (т. е. оси резьбы), и есть шаг резьбы, обозначаемый буквой S.
Почти у всех резьб, принятых в машиностроении, шаг измеряется в миллиметрах. Существуют, однако, также резьбы, у которых шаг выражается числом витков резьбы на 1 дюйм ее длины.
Кроме винтов, на токарном станке нарезаются червяки, имеющие модульный или питчевый шаг.
Диаметры резьбы . Различают три диаметра резьбы: наружный, внутренний и средний.
Наружным диаметром резьбы (d) называется диаметр цилиндра, описанного около боковой поверхности резьбы.
Для болта наружный диаметр соответствует диаметру по вершинам профиля (рис. 168, а), измеренному перпендикулярно к оси резьбы, а для гайки - по впадинам профиля (рис. 168, б).
Рис. 168. Диаметры резьбы: наружный и внутренний (а, б) и средний (в)
Внутренним диаметром резьбы (d 1) называется диаметр цилиндра, вписанного в резьбовую поверхность.
Для болта внутренний диаметр соответствует диаметру по впадинам профиля (рис. 168, а), измеренному перпендикулярно к оси резьбы, а для гайки - по вершинам профиля (рис. 168, б).
Средним диаметром резьбы (d 2) называется диаметр цилиндра, соосного с резьбой, образующие которого делятся боковыми сторонами профиля на равные отрезки.
На рис. 168, в этот цилиндр, имеющий общую ось с резьбой, показан штрих-пунктирными линиями. На рисунке АВ = ВС = CD и т. д., а поэтому d 2 - средний диаметр.
Угол подъема резьбы . При нарезании резьбы на токарном станке необходимо учитывать угол ее подъема.
Углом подъема называется угол, образованный направлением резьбового выступа резьбы с плоскостью, перпендикулярной к его оси.
Правая и левая резьбы . По направлению витка различают правые (рис. 169, б) и левые (рис. 169, а) резьбы.
Рис. 169. Левая (а) и правая (б) резьбы
Если подъем резьбы винта, положенного на ладонь правой руки, совпадет с направлением отогнутого большого пальца, эта резьба правая.
Совпадение подъема резьбы с направлением отогнутого большого пальца левой руки указывает, Что данная резьба левая.
На винт с правой резьбой гайка навертывается при вращении вправо (по часовой стрелке), на винт с левой резьбой - при вращении влево (против часовой стрелки).
Резьба (цилиндрическая) характеризуется следующими параметрами:
1) диаметрами - наружным, средним и внутренним;
2) формой и размерами профиля;
3) параметрами, связанными с подъемом резьбы - шагом, числом заходов и углом подъема.
Наружный диаметр резьбы d - диаметр цилиндра, описанного вокруг вершин наружной резьбы (винта); этот диаметр является номинальным диаметром резьбы.
Внутренний диаметр резьбы d 1 - диаметр цилиндра, описанного вокруг вершин внутренней резьбы.
Средний диаметр резьбы d 2 - диаметр воображаемого цилиндра, на поверхности которого ширина витков и ширина впадин резьбы равны.
Профиль резьбы - контур сечения витка в плоскости, проходящей через ось резьбы.
Угол профиля α - угол между боковыми сторонами профиля, измеренный в осевой плоскости.
Обозначение основных параметров резьбы представлено на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Резьба, обозначение основных параметров
Профиль резьбы характеризуется также:
1. высотой теоретического профиля Н, т. е. высотой полного треугольного профиля резьбы, полученного при продолжении боковых сторон профиля до их пересечения.
2. рабочей высотой профиля h, на которой происходит соприкосновение витков винта и гайки, равной полуразности наружного и внутреннего диаметров.
Высоту профиля измеряют в радиальном направлении.
Важнейшей характеристикой резьбы является шаг. Шаг резьбы P - расстояние между параллельными сторонами профиля двух соседних витков, измеренное вдоль оси.
Для многозаходных резьб вводят дополнительный термин - ход винта, равный произведению шага на число заходов P t. Таким образом, ход равен шагу винтовой поверхности резьбы - расстоянию, на которое переместится винт вдоль своей оси при повороте на один оборот в неподвижной гайке. Для однозаходной резьбы понятия шаг и ход совпадают.
Угол подъема резьбы β - угол, образованный винтовой линией по среднему диаметру резьбы и плоскостью, перпендикулярной к оси резьбы:
Перечисленные параметры можно рассматривать в общем виде, так как все профили имеют общие элементы и могут быть получены варьированием угла профиля, высоты профиля и радиусов закруглений. Например, уменьшая угол профиля, можно перейти от треугольной резьбы к трапецеидальной, а потом к прямоугольной.
Резьбы по назначению разделяют на следующие группы:
1. Крепежные резьбы , предназначначены для скрепления деталей. Их выполняют, как правило, треугольного профиля с притуплёнными вершинами.
Применение треугольного профиля вызывается следующим:
а) повышенным трением, обеспечивающим меньшую опасность ослабления затянутой резьбы;
б) повышенной прочностью резьбы;
в) удобством изготовления.
2. Крепежно-уплотняющие резьбы , служачат как для скрепления деталей, так и для предохранения от вытекания жидкости (в соединениях трубопроводов и в арматуре). Эти резьбы по указанным причинам также выполняют треугольного профиля, но без радиальных зазоров во избежание вытекания жидкости. Чтобы исключить обмятие острых кромок, профиль выполняют с плавными закруглениями.
3. Резьбы для передачи движения (ходовые) , могут применяться в ходовых и грузовых винтах. Эти резьбы для уменьшения трения выполняют трапецеидальными с симметричным профилем и несимметричным профилем (упорные), а иногда с прямоугольным профилем.
4. Упорные резьбы предназначены для восприятия больших осевых сил, действующих в одном направлении.
5. Специальные (круглые и другие).
Необходимо иметь в виду, что приведенное деление резьб по назначению не является строгим. Так, например, резьбы треугольного профиля иногда используют для особо точных ходовых винтов с малым шагом, а упорные резьбы - в качестве крепежных.
Из-за гарантированных зазоров резьбы, как правило, не могут быть использованы в качестве центрирующих элементов.
Треугольный профиль выполняют с притуплением вершин витков и дна впадин по прямой или по дуге окружности, что необходимо в крепежной резьбе для уменьшения концентрации напряжений, для повышения стойкости инструмента и для уменьшения повреждений (забоин), а в уплотняющих резьбах - также для обеспечения непроницаемости вследствие замыкания по вершинам.
Метрическая резьба (рисунок 2.2) является основной треугольной резьбой. Она характеризуется углом профиля α = 60°, притуплением вершин профиля резьбы винта по прямой на расстоянии H/8 и вершин профиля резьбы гайки на расстоянии H/4 от вершин теоретического профиля. Профиль впадин у винта может иметь притупление или закругление радиусом r=H/6 ≈ 0,866P. Высота исходного треугольника теоретического профиля . Рабочая высота профиля .
Метрические резьбы разделяют на резьбы с крупными и мелкими шагами. С уменьшением шага резьбы Р при данном наружном диаметре d внутренний диаметр d 1 увеличивается и, следовательно, увеличиваются площадь сечения и прочность нарезанного стержня. Профили треугольной резьбы с крупным и мелким шагом геометрически подобны.
Рисунок 2.2 – Треугольная метрическая резьба
За основную принята резьба с крупным шагом. Для таких изделий, как болты, винты и шпильки в основном используют треугольную резьбу с крупным шагом как наиболее технологичную. Статическая несущая способность этой резьбы выше и меньше влияние на прочность ошибок изготовления и износа, чем резьбы с мелким шагом. Предел выносливости винтов из высокопрочных сталей понижается с уменьшением шага, а винтов из низкоуглеродистых сталей повышается.
Области применения резьбы с мелкими шагами:
а) динамически нагруженные детали и детали, диаметры которых в основном определяются напряжениями изгиба и кручения (валы);
б) полые тонкостенные детали;
в) детали, у которых резьба применяется для регулировки.
Шаги всех метрических резьб составляют ступенчатый арифметический ряд.
Метрическую резьбу с крупными шагами обозначают буквой М и числом, выражающим диаметр резьбы в мм, например М20, а для метрической резьбы с мелкими шагами дополнительно указывают шаг, например М20х1,5.
Трубная резьба (рисунок 2.3), являющаяся крепежно-уплотняющей, применяется для соединения труб и арматуры трубопроводов в диапазоне номинальных размеров от 1/8 до 6.
Трубная резьба представляет собой мелкую дюймовую резьбу, которая выполняется с закруглениями профиля и без зазоров по выступам и впадинам для лучшего уплотнения. За основной (номинальный) размер, характеризующий резьбы и указываемый в обозначении резьбы, принят условный внутренний диаметр трубы (проход в свету).
r |
Рисунок 2.3 – Трубная резьба
Трапецеидальная резьба (рисунок 2.4)является основной резьбой для передач винт - гайка. Она имеет меньшие потери на трение, чем треугольная резьба, удобна в изготовлении и более прочна, чем прямоугольная резьба. При необходимости она допускает выборку зазоров радиальным сближением половинок гайки (если гайка выполнена разъемной по диаметральной плоскости). Трапецеидальная резьба имеет угол профиля 30°, рабочую высоту профиля , средний диаметр , зазор в зависимости от диаметра резьбы от 0,25 до 1 мм. Трапецеидальная резьба стандартизована в диапазоне диаметров от 8 до 640 мм; предусмотрена возможность применения резьб с мелкими, средними и крупными шагами.
Рисунок 2.4– Трапецеидальная резьба
Упорная резьба (рисунок 2.5) применяется для винтов с большой односторонней осевой нагрузкой в прессах, нажимных устройствах прокатных станов, в грузовых крюках и т. д. Профиль витков - несимметричный трапецеидальный. Угол наклона рабочей стороны профиля для повышения к.п.д. выбран достаточно малым 3° (резьба с углом наклона профиля 0° неудобна в изготовлении), угол наклона нерабочей стороны профиля 30°, и предусмотрен значительный радиус закругления впадины для снижения концентрации напряжения. Рабочая высота профиля h = 0,75S . Усиленные упорные резьбы имеют угол нерабочей стороны профиля 45°.
Рисунок 2.5– Упорная резьба
Круглые резьбы (рисунок 2.6) в основном применяют для винтов, подверженных большим динамическим напряжениям, а также часто завинчиваемых и отвинчиваемых в загрязненной среде (пожарная арматура, вагонные стяжки). Круглые резьбы можно применять в гидравлической арматуре из-за хорошего уплотнения. Наконец, круглые резьбы с малой высотой профиля накатывают на тонкостенные изделия, например на цоколи и патроны электроламп.
Профиль круглой силовой резьбы состоит из дуг, связанных короткими участками прямой; угол профиля 30°. Большие радиусы закруглений исключают значительную концентрацию напряжений. Попадающие в резьбу загрязняющие частицы выжимаются в зазоры.
Рисунок 2.6– Круглая резьба
Для круглых резьб, применяемых на тонкостенных изделиях, характерны малая высота профиля и отсутствие прямолинейного участка, что важно для уменьшения деформаций металла в процессе накатки.
Коническая резьба (рисунок 2.7) используется в тех случаях, когда необходимо обеспечить герметичность соединения, то есть она обеспечивает непроницаемость без специальных уплотнений, также применяется для соединения труб, установки пробок, масленок и т.п. Непроницаемость достигается плотным прилеганием профилей по вершинам. Затяжкой конической резьбы можно компенсировать износ и создавать требуемый натяг. Кроме того, эти резьбы обеспечивают быстрое завинчивание и отвинчивание.
Рисунок 2.7 – Коническая резьба c углом профиля
Целесообразно, чтобы конические резьбы имели возможность свинчиваться с цилиндрическими. Поэтому конические резьбы имеют профили, аналогичные профилям соответствующих цилиндрических резьб, и их нарезают с биссектрисой угла профиля, перпендикулярной оси винта.
Лекция 15
12. СОЕДИНЕНИЯ
12.1. Резьбовые соединения
12.1.1. Общие сведения и основные виды и параметры резьбы . Классы прочности и материалы резьбовых деталей .
Резьбовыми соединениями называют разъемные соединения деталей с помощью резьбы или резьбовыми крепежными деталями – винтами, болтами, шпильками, гайками.
Резьба образуется путем нанесения на поверхность деталей винтовых канавок с сечением согласно профилю резьбы. Образованные таким образом выступы носят название витков.
Термин резьба произошел от технологического процесса ее изготовления – нарезания. Термин винт применяют как общий, объединяющий также болты и шпильки, и как частный, обозначающий ввинчиваемую деталь. Термин болт предполагает взаимодействие винта с головкой и гайки. Гайка это деталь с резьбовыми отверстиями, которую навинчивают на винт.
Резьбовые соединения нашли широкое применение в машиностроении. В современных машинах детали, имеющие резьбу, составляют свыше 60 % от общего количества деталей. К ним относятся большинство крепежных деталей, корпусных, например корпус двигателя с резьбовыми отверстиями для шпилек, валы, например коленчатые валы в связи с креплением крышек коренных и шатунных подшипников.
Широкое применение резьбовых соединений определяется:
Возможностью создания больших осевых сил;
Удобствами форм и малыми габаритами.
Помимо крепежных целей винтовые пары применяют для осуществления поступательного движения, например в подъемнике автомобиля.
К основным размерам резьбы относятся диаметры, профиль, шаг и угол подъема (рис. 12.1).
Диаметры резьбы: наружный d , внутренний d 1 и средний d 2 . Профиль резьбы – это профиль выступа и канавки в плоскости ее сечения. Угол профиля a - угол между смежными боковыми сторонами.
Рис. 10.1. Основные параметры резьбы
Профиль резьбы характеризуется также:
Высотой исходного треугольника резьбы Н ;
Рабочей высоты профиля резьбы Н1 .
Шаг резьбы Р – расстояние между ближайшими точками одноименных боковых сторон профиля резьбы.
Для многоходовой резьбы вводят дополнительный термин – ход винта Р h , равный произведению шага Р резьбы на число заходов z
Для однозаходной резьбы понятия шаг и ход совпадают.
Рис. 12.2. Угол подъема резьбы
Угол подъема резьбы y - угол, образованный касательной к винтовой линии. Развернем винтовую линию (рис. 12.2) по среднему диаметру и определим тангенс угла подъема резьбы
. (12.2)
Резьбы по назначению разделяются на следующие группы:
Крепежные резьбы, предназначены для крепления деталей. Их выполняют, как правило, треугольного профиля. Применение этого профиля вызывается повышенным трением, повышенной прочностью резьбы, удобством изготовления.
Крепежно-уплотняющие резьбы предназначены как для скрепления деталей, так и для предохранения от вытекания жидкостей (в соединениях трубопроводов). Эти резьбы выполняют треугольными, но без зазоров.
Резьбы для передачи движения (в ходовых и грузовых винтах). Для уменьшения трения эти резьбы выполняют трапецеидальными с симметричным и несимметричным профилем, а иногда с прямоугольным профилем.
Резьбы в нашей стране и зарубежом стандартизированы.
Метрическая резьба (рис. 12.3) стандартизирована и является в нашей стране основной треугольной резьбой.
https://pandia.ru/text/78/173/images/image017_15.gif" width="236" height="31">.
Рабочая высота профиля
.
Рабочая высота профиля
.
Метрическую резьбу разделяют на резьбы с крупными и мелкими шагами. За основную принята резьба с крупным шагом. Резьба с мелким шагом применяется при динамических нагрузках, детали, у которых резьба применяется для регулировки. Шаги всех метрической резьбы представляют ступенчатый арифметический ряд.
Метрическая резьба с крупным шагом обозначается буквой М и числом, выражающим диаметр резьбы в мм, например М20 . Для метрической резьбы с мелким шагом дополнительно указывается шаг цепи, например М20 ´ 1,5 .
Трубная резьба стандартизирована и применяется для соединения труб и арматуры трубопроводов. Трубная резьба представляет собой мелкую дюймовую резьбу, которая выполняется с закруглениями профиля и без зазоров по выступам и впадинам для лучшего уплотнения. Ввиду большого распространения взаимнозаменяющих деталей с трубной дюймовой резьбой она сохраняет основное применение. За основной (номинальный) размер, характеризующий резьбу и указываемый в обозначении резьбы, применяют условный внутренний диаметр трубы (проход в свету).
Коническая резьба стандартизирована и обеспечивает непроницаемость без специальных уплотнений. Ее применяют для соединения труб, установки пробок и т. п. Непроницаемость достигается плотным прилеганием профилей по вершинам.
Крепежные винты Крепежные винты в зависимости от типа резьбового соединения применяют следующих исполнений (рис. 12.4):
Винты с гайками, называемые болтами (рис. 12.4, а);
Винты, ввинчиваемые в одну из скрепляемых деталей (рис. 12.4, б);
Шпильки с гайками (рис. 12.4, в).
Болты применяют для скрепления деталей небольшой толщины, при необходимости частого отвинчивания и завинчивания.
Винты применяют в случае достаточно большой толщины детали и ее прочности, отсутствия места для гайки.
Шпильки применяют в тех же случаях, что и винты, но когда материал детали не обеспечивает требуемой прочности при частых разборках и сборках.
Рис. 12.4. Основные типы резьбовых соединений
Стальные болты, винты и шпильки в соответствии со стандартом ГОСТ 1759-70 изготавливают 12 классов прочности
Класс прочности обозначается двумя числами. Первое число, умноженное на 100, указывает минимальное значение предела прочности, второе, деленной на 10 указывает на отношение предела текучести к пределу прочности, а, следовательно, их произведение, представляет собой предел текучести. Например, класс прочности болта – 4,6 имеет предел прочности s В = 4 × 100 = 400 МПа, предел текучести – s Т = (6/10) × 400 = 240 Мпа; при классе прочности болта 10.9 , s В = 10 × 100 = 1000 Мпа, а s Т = (9/10) × 1000 = 900 Мпа. При стесненных габаритах принимают резьбовые детали высокого класса точности, что позволяет снизить массу узла. При этом материал резьбовых деталей принимают легированные стали типа 35Х, 40Х, 40Г2 и т. п. Термообработка позволяет повысить прочность резьбовых деталей на 75 %.
При отсутствии повышенных требований по металлоемкости и при опасности перекосов опорных поверхностей, выбирают резьбовые детали из пластичных сталей типа 10, 20, 30 и т. п.
12.1.2. Момент завинчивания, КПД и условие самоторможения. При рассмотрении сил в винтовой паре удобно резьбу развернуть по среднему диаметру в наклонную плоскость, а гайку заменить ползуном (рис. 12.5).
|
Рис. 12.5. Силы взаимодействия между винтом и гайкой при
завинчивании
Сила взаимодействия наклонной плоскости с ползуном при относительном движении представляет собой равнодействующую F нормальной силы и силы трения. Следовательно, эта сила наклонена к нормали n - n под углом трения j . В результате разложения равнодействующей силы F на окружную Ft и осевую Fо , получаем
, (12.3)
где j - угол трения , f ’- приведенный коэффициент трения в резьбе .
Момент Тзав завинчивания гайки или винта с головкой представляется суммой момента Тр в резьбе и момента Тт на торце гайки или головки винта.
Вращающий момент Тр , который необходимо приложить при завинчивания гайки (момент в резьбе), имеет вид
. (12.4)
Опорную поверхность гайки и головки винта представляют кольцевой с наружным диаметром, равным размеру под ключ гайки а и внутренним диаметром, равным диаметру отверстия под винт d 0 . Тогда средний диаметр кольцевой поверхности составит .
Момент на торце гайки представим произведением
. (12.5)
Момент завинчивание запишем с учетом зависимостей (12.4) и (12.5)
https://pandia.ru/text/78/173/images/image028_10.gif" width="208" height="27">. (12.7)
Подставляя (12.7) в (12.6), получаем соотношение между осевой силой и силой на ключе .
Таким образом, выигрыш в силе весьма значителен. Поэтому при перезатяжки болтов и шпилек диаметром менее 12 мм имеется опасность срыва резьбы и разрушения их стержней. Например, болт М6 из Ст3 разрушается при усилии на рукоятке стандартного ключа 90…100 Н. Поэтому в ответственных случаях применяют специальные ключи с контролируемым моментом затяжки.
КПД резьбы определяют как отношение полезной работы на винте к затрачиваемой работе на ключе при повороте на произвольный угол. Для простоты и общности вывода удобно рассматривать поворот на малый угол d g , при котором силы даже в условиях затяжки крепежной резьбы можно считать постоянными. Тогда КПД собственно резьбы без учета трения на торце составит
где dh – осевое перемещение, соответствующее повороту на угол d g ,
https://pandia.ru/text/78/173/images/image032_10.gif" width="343" height="56 src=">. (12.9)
Для угла подъема y = 2о30’ и коэффициента трения f = 0.15 (j = 8о40’) КПД составляет h = 0.22.
КПД винта с учетом трения на торце гайки примет вид
. (12.10)
При отвинчивании момент получают, как и при завинчивании, при этом изменяется только знак угла подъема на противоположный
https://pandia.ru/text/78/173/images/image035_7.gif" width="71 height=27" height="27">, , . (12.12)
Для нормальной метрической резьбы с углом подъема y = 2о30’ самоторможение даже при отсутствии трения на торце гайки наступает при j > 2,30’, т. е. при коэффициенте трения f > 0,045. При наличии трения на торце гайки самоторможение наступит при коэффициенте трения f > 0,02.
Таким образом, при статических нагрузках имеются большие запасы надежности затяжки. Однако в условиях вибрационных нагрузок коэффициент и угол трения резко снижается, что может привести к ослаблению затяжки резьбы, во избежание которого и используются специальные стопорные устройства.
Предохранение резьбовых соединений от самоотвинчивания . Все крепежные резьбы удовлетворяют условию самоторможения даже без учета дополнительного трения на торце гайки или головки винта. Однако, как показывает опыт эксплуатации, при переменной или ударной нагрузке наблюдается ослабление резьбы. Поэтому необходимы специальные средства стопорения.
Используют следующие виды стопорения:
Дополнительное трение;
Специальными элементами – шплинтами, шайбами;
Пластическое деформирование или приварку после затяжки.
Взаимодействие между винтом и гайкой . Распределение осевой силы между витками резьбы винта и гайки было бы равномерной, если бы резьба изготовлялась абсолютно точно и податливость резьбы была бы значительно выше, чем податливость винта и гайки. В действительности ни то, ни другое условие не имеет место.
Задача распределения сил между витками резьбы винта и гайки является статически неопределимой. Для гайки с 10 витками эту задачу решил. На первый, наиболее нагруженный виток, приходится до 1/3 всей нагрузки, а на последний, 10-й виток резьбы гайки, приходится менее 1/100 общей силы. Деформации в
резьбе за счет погрешности профиля, контактные деформации и местные пластические деформации несколько снижают нагрузку на 1-й виток резьбы гайки.
При столь резкой неравномерности нагружения витков нет необходимости делать высоту гайки большей, чем 10 шагов резьбы.