Общие сведения о резьбовых соединениях

В машиностроении применяются различные виды разъемных соединений:

• Резьбовые
• Шпоночные
• Шлицевые
• Клиновые
• Штифтовые
• Профильные

Самым распространенным видом соединений вообще и разъемных в частности являются резьбовые.

Резьбовым называют соединение составных частей изделия с применением детали, имеющей резьбу.

Резьба представляет собой чередующиеся выступы и впадины на поверхности тела вращения, расположенные по винтовой линии. В современных машинах детали, имеющие резьбу, составляют свыше 60 % от общего количества деталей.

Широкое применение резьбовых соединений в машинострое­нии объясняется их достоинствами: универсальностью, высокой надежностью, малыми габаритами и весом крепежных резьбовых дета­лей, способностью создавать и воспринимать большие осевые силы, тех­нологичностью и возможностью точного изготовления.

Резьбы изготовливаются либо путем пластической деформации (накаткой на резьбонакатных станках, выдавливанием на тонкостенных металличес­ких изделиях), либо резанием (на токарно-винторезных, резьбонарез­ных, резьбофрезерных, резьбошлифовальных станках или вручную мет­чиками и плашками). На деталях из стекла, пластмассы, металлокера­мики, чугуна резьбу изготовляют отливкой или прессованием.

Следует отметить, что накатывание резьбы круглыми или плоскими плашками на резьбонакатных станках — наиболее высокопроизводительный метод, с помощью которого изготавливается большинство стандартных крепежных деталей с наружной резь­бой. При этом накатанная резьба прочнее нарезанной, так как в первом случае не происходит перерезания волокон металла заготовки, а повер­хность резьбы наклепывается.

Диаметры стержней под накатывание и нарезание резьб, диаметры отверстий под нарезание резьб, а также выход резьбы (сбеги, недорезы, проточки и фаски) стандартизованы. Кроме того, стандартизованы мет­ки (в виде прорезей) на деталях с левой резьбой.

Резьба имеет следующие основные геометрические параметры:

• Наружный диаметр – d, D
• Внутренний диаметр – d₁, D₁
• Средний диаметр – d₂, D₂ (диаметр вообра­жаемого цилиндра, на поверхности которого толщина витка равна ши­рине впадины)
• Шаг резьбы – р (расстояние между сосед­ними одноименными боковыми сторонами профиля в направлении, па­раллельном оси резьбы)
• Число заходов – n (заходность резьбы легко опре­деляется на торце винта по числу сбегающих витков)
• Угол подъема резьбы – угол, образованный касательной к винтовой линии резьбы в точках, лежа­щих на среднем диаметре, и плоскостью, перпендикулярной оси резь­бы

Диаметр, условно характеризующий размер резьбы, называется номинальным. Для большинства резьб в качестве номинального диаметра принимается наружный.

Классификацию резьб можно проводить по мно­гим основаниям. По форме профиля они делятся на треугольные, трапецеидальные, упор­ные, прямоугольные, круглые и др., по форме поверхности – на цилиндри­ческие и конические, по расположению – на наружные и внутренние.

По чис­лу заходов резьбы бывают однозаходными и многозаходными, по направлению заходов – пра­выми и левыми, по величине шага – с крупным или мелким шагом, по эксплуатацион­ному назначению – крепежными, крепежно-уплотнительными, ходовыми или спе­циальными.

Крепежные резьбы (метрические, дюймовые) предназначены для скреп­ления деталей, крепежно-уплотнительные (трубные, конические) приме­няются в соединениях, требующих не только прочности, но и герметичнос­ти.

Ходовые резьбы (трапецеидальная, упорная, прямоугольная) служат для передачи движения и применяются в передачах винт/гайка. Специальные резьбы (круглая, оку­лярная, часовая и др.) имеют специальное назначение. Большинство при­меняемых в нашей стране резьб стандартизовано.

Наиболее широкое применение в машиностроении имеют соединения с крепежной метрической или дюймовой резьбой.

Форма и размеры, диаметры и шаги метрической резьбы регламентированы стандарта­ми. Стандартизованы резьба метрическая для приборострое­ния, резьба метрическая коническая, резьба метрическая на деталях из пластмасс.

Метрическая резьба имеет исходный профиль в виде равностороннего треугольника с высотой H, вершины профиля среза­ны, впадины притуплены, что необходимо для уменьшения концентрации напряжений по технологическим со­ображениям (для увеличения стойкости резьбонарезного и резьбонакатного инструмента). Форма впадины резьбы болта может быть зак­ругленной или плоскосрезанной. В резьбе предусмотрен радиальный зазор, который делает ее негерметичной.

По стандарту метрические резьбы делятся на резьбы с крупным и мелким шагом. При одном и том же номинальном диаметре метричес­кая резьба может иметь один крупный и пять мелких шагов. Например, при номинальном диаметре 20 мм метрическая резьба имеет крупный шаг, равный 2,5 мм, и пять мелких шагов, равных 2; 1,5; 1; 0,75; 0,5 мм. Резьбы с мелким шагом имеют меньшую высоту профиля и меньше ос­лабляют сечение детали.

Кроме того, эти резьбы имеют меньшие углы подъема и обладают повышенным самоторможением, что позволяет применять их для соединения мелких тонкостен­ных деталей и при действии динамических нагрузок. В машиностроении основное применение нашла метрическая резь­ба с крупным шагом как более прочная и менее чувствительная к ошибкам изготовления и износу.

Крепежные резьбовые детали имеют обычно правую однозаходную резьбу. Левая при­меняется крайне редко. Допуски и посадки метрических резьб стандартизованы. Согласно дей­ствующим стандартам, точность метрических резьб обозначают полем допус­ка среднего, наружного (для болта) или внутреннего (для гайки) диаметра; в обозначении допуска цифра указывает степень точности, а буква – основное отклонение.

Поля допусков установле­ны в трех классах точности: точном (для прецизионных резьб), сред­нем (для общего применения), грубом (при технологической невоз­можности получения большей точности). Для среднего класса поля­ми допусков предпочтительного применения являются: 6H (для гаек) и 6g (для болтов), что обеспечивает посадку 6H/6gс зазором. Кроме посадок с зазором стандартами предусмотрены посадки переходные и с натягом.

Крепежная дюймовая резьба имеет тре­угольный профиль с углом 55°, номинальный диаметр ее задается в дюймах (1" = 25,4 мм), а шаг – числом витков, приходящихся на один дюйм длины резьбы. Дюймовая резьба подобна применяемой в Англии, США и некоторых других странах резьбе Витворта. В России она используется лишь при ремонте импортных машин. Применение дюймовой кре­пежной резьбы в новых конструкциях запрещено, а стандарт на нее лик­видирован без замены.

Из дюймовых резьб в нашей стране стандартизованы и нахо­дят применение трубная цилиндрическая, трубная коническая (обе с углом профиля 55°) и коническая дюймовая (с углом профи­ля 60°) резьбы. Они используются в трубопроводах и являются крепежно-уплотнительными.

Профиль трапецеидальной резьбы представляет собой равнобокую трапецию с углом между боковыми сторонами 30°. Профили, основные размеры и допуски трапецеи­дальных резьб стандартизованы, причем предусмотрены резьбы с мел­ким, средним и крупным шагами.

Профиль упорной резьбы имеет вид неравнобокой трапеции с углами наклона боковых сторон к прямой, перпендикулярной оси резьбы, равными 3 и 30°. Основные размеры и допуски упорной резьбы для диаметров от 10 до 600 мм рег­ламентированы ГОСТом. Стандартизована также резьба упорная уси­ленная для диаметров от 80 до 2000 мм, у которой одна сторона профи­ля наклонена под углом 45°.

Трапецеидальная и упорная резьбы являются ходовыми и применя­ются в передачах винт/гайка. Так, например, трапецеидальная резьба применяется для ходовых винтов токарно-винторезных станков, где возникают реверсивные нагрузки; упорная резьба применяется при односторонних нагрузках, например для грузовых винтов домкратов и прессов, причем усилие воспринимается стороной, имеющей угол на­клона 3°.

Трапецеидальную и упорную резьбы можно нарезать на резьбофрезерных, токарно-винторезных станках (последний способ значительно менее производителен), а окончательную обработку производить на резьбошлифовальных станках.

Прямоугольная резьба не стандарти­зована и имеет ограниченное применение в неответственных передачах винт/гайка. Из всех эта резьба име­ет наибольший КПД, однако ее нельзя фрезеро­вать и шлифовать, так как угол профиля = 0. Кроме того, прочность прямоугольной резьбы ниже, чем у других резьб.

Основным критерием работоспособности крепежных резьбовых соединений является их прочность.

Стандартные крепежные детали сконст­руированы равнопрочными по следующим параметрам: по напряжениям среза и смятия в резьбе, напряжениям растяжения в нарезанной части стержня и месте перехода стержня в головку. Поэтому для стандартных крепежных деталей в качестве главного критерия работоспо­собности принята прочность стержня на растяжение, именно по ней ведут расчет болтов, винтов и шпилек. Расчет резьбы на прочность выполня­ют в качестве проверочного лишь для нестандартных деталей.

Расчет крепежных резьбовых соединений

Как показали исследования, проведенные Н.Е. Жуковским, силы взаимодействия между витками винта и гайки распре­делены в значительной степени неравномерно, однако действительный характер распределения нагрузки по виткам зависит от многих факто­ров, трудно поддающихся учету (неточности изготовления, степени износа резьбы, материала и конструкции гайки и болта и т.д.). Поэтому при расчете резьбы условно считают, что все витки нагружены одина­ково, а неточность в расчете компенсируют значением допускаемого напряжения.

Характерный при­мер незатянутого резьбового соединения – креп­ление крюка грузоподъемного механизма. Под действием силы тяжести груза Q стержень крюка работает на растяжение. Опасным будет сечение, ослабленное нарезкой. Статическая проч­ность стержня с резьбой (которая испытывает напряженное состояние) приблизитель­но на 10 % выше, чем гладкого стержня без резьбы.

В связи с этим расчет стержня с резьбой условно ведут по расчетному диаметру, где р – шаг резьбы с номинальным диаметром d (можно считать приближенно). По найденному значению расчетного диаметра подбирается стандартная крепежная резьба.

Пример затянутого болтового соедине­ния – крепление крышки люка с прокладкой, где для обеспечения герметичности необходимо создать силу затяжки Q. При этом стержень болта растягивается силой Q и скручивается моментом М_р в резьбе.

Примером затянутого болтового соединения, нагруженного внешней осевой силой, может служить крепление двумя болтами крышки работающего под внут­ренним давлением резервуара. Для такого соединения необходимо обес­печить отсутствие зазора между крышкой и резервуаром при приложении нагрузки R₂, иначе говоря, обеспечить нераскрытие стыка. Введем следующие обозначения: – сила первоначальной затяжки болто­вого соединения; R – внешняя сила, при­ходящаяся на один болт; F – суммарная на­грузка на один болт (после приложения внешней силы R).

Очевидно, что при осуществлении первоначальной затяжки болто­вого соединения силой Q болт будет растянут, а соединяемые детали сжаты. После приложения внешней осевой силы R болт получит допол­нительное удлинение, в результате чего затяжка соединения несколько уменьшится. Поэтому суммарная нагрузка на болт F < Q+R, а задача ее определения методами статики не решается.

Для удобства расчетов условно можно считать, что часть внешней на­грузки R воспринимается болтом, остальная часть – соединяемыми деталями, а сила затяжки остается первоначальной, тогда F = Q+kR, где k – коэффициент внешней нагрузки, показывающий, какая часть внешней нагрузки воспринимается болтом.

Очевидно, что раскрытие стыка произойдет, когда часть внешней силы, воспринятой соединяемыми деталями, окажется равной перво­начальной силе затяжки, т. е. при (1 -k)R = Q. Нераскрытие стыка бу­дет гарантировано, если Q = K(1-k)R, где К – коэффициент затяжки; при постоянной нагрузке К = 1,25... 2, при переменной нагрузке К = 1,5... 4.

При расчете болтовых соединений, нагруженных поперечной силой, нужно учитывать, что возможны два принципиально отличных друг от друга варианта таких соединений. В первом варианте болт ставится с зазором и работает на растяжение. Затяжка болтового соединения силой Q создает силу тре­ния, полностью уравновешивающую внешнюю силу F, приходящуюся на один болт.

Для гарантии минимальную силу за­тяжки, вычисленную из последней формулы, увеличивают, умножая ее на коэффициент за­паса сцепления К = 1,3... 1,5, тогда расчетная сила для болта Q_расч = 1,3Q, В рассмотренном варианте соединения сила затяжки до пяти раз может превосходить внешнюю силу, поэтому диаметры болтов по­лучаются большими. Во избежание этого не­редко такие соединения разгружают установ­кой шпонок, штифтов и т. п.

Обычно болты, винты и шпильки изго­товляют из пластичных материалов, поэтому допускаемые напряжения при статической нагрузке определяют в зависимости от предела теку­чести материала. Значения допускаемого коэффициента запаса прочности [s] зависят от характера нагрузки (статической или динамической), качества мон­тажа соединения (контролируемой или неконтролируемой затяжки), материала крепежных деталей (углеродистой или легированной стали) и их номинальных диаметров.

При статической нагрузке крепежных деталей из углеродистых сталей [s] = 1,5... 2 (для незатянутых соединений). Для затянутых соединений в грузоподъемном оборудовании [s] = 3...4, при контролируемой затяжке [s] = 1,3... 2, при неконтролируемой затяжке крепежных дета­лей диаметром более 16 мм [s] = 2,5... 3. Для крепежных деталей с номинальным диаметром менее 16 мм верхние пределы значений коэффициентов запаса прочности увели­чивают в два и более раз ввиду возможности обрыва стержня из-за перетяжки.

Для крепежных деталей из легированных сталей (применяемых для более ответственных соединений) значения допускаемых коэффициен­тов запаса прочности берут примерно на 25 % больше, чем для углеро­дистых сталей.

При переменной нагрузке значения допускаемых коэффициентов запаса прочности рекомендуются в пределах [s] = 2,5... 4, причем за пре­дельное напряжение принимают предел выносливости материала кре­пежной детали.