Резьбовые соединения

Резьбовые соединения - самый распространенный вид разъемных соединений. Они осуществляются болтами, винтами, шпильками, гайками и другими деталями, снабженными резьбой (рис.3.3).

Рис.3.3.Виды крепежных резьбовых соединений

а - болтовое; б - винтовое; в - шпилечное.

Резьба имеет вид выступов на основной (цилиндрической или конической) поверхности винтов или гаек, которые расположены по винтовой линии.

В многозаходной резьбе выступы расположены по нескольким винтовым линиям - заходам. Все крепежные резьбы однозаходные.

По назначению различают резьбы крепежные и резьбы для винтовых механизмов (рис.3.4). Ниже речь идет только о крепежных резьбах.

Рис.3.4. Основные типы резьб

а - метрическая; б - дюймовая; в - трубная;

г - трапецеидальная; д - упорная; е - круглая;

ж - квадратная.

Метрическая резьба является самым распространенным видом крепежной резьбы. На рис.3.3,а показан профиль метрической резьбы. Профиль резьбы характеризуется углом, теоретической и рабочей высотой. Угол профиля при вершине для метрической резьбы a = 30⁰. Наружный (номинальный) диаметр резьбы d – диаметр цилиндра, описанного вокруг ее вершин. Внутренний диаметр резьбы d - диаметр цилиндра, описанного вокруг ее впадин. Средний диаметр резьбы d. Важнейшим параметром резьбы является ее шаг р – расстояние между одноименными точками профиля соседних витков в осевом направлении.

Развертка витка резьбы на плоскость по среднему диаметру представляет собой прямоугольный треугольник с катетами и р (рис. 3.5).

Рис.3.5. Развертка витка

резьбы на плоскость

по среднему диаметру

Угол j, показанный на рис.3.5, называют углом подъема резьбы, он равен

Момент завинчивания

При сборке резьбовых соединений необходимо преодолевать два момента трения: , связанный с сопротивлением непосредственно в резьбе, и , вызванный сопротивлением на торце гайки (головки винта). Суммарный момент завинчивания, таким образом, равен:

(3.12)

Чтобы определить момент трения в резьбе , рассмотрим силовые факторы, действующие на нее в результате затяжки соединения (рис. 3.6).

Прикладываемое усилие затяжки приводит к появлению в стержне болта (винта) реактивной растягивающей силы N = Q. Кроме того, поскольку болт не прокручивается, вследствие трения в резьбе на стержень воздействует крутящий момент .

Момент трения в резьбе, скручивающий стержень болта. составляет

, (3.13)

где - приведенный угол трения в резьбе.

Для крепежных резьб угол подъема , а приведенный угол трения , вследствие чего эти резьбы являются самотормозящими и для их отвинчивания необходимо приложить соответствующий момент.

Для крепежных резьб, с учетом усредненных геометрических параметров и коэффициентов трения момент завинчивания принимают усреднено

Т_зав » 0,2Qd (3.14)

Типовые схемы расчета болтов

Практика эксплуатации резьбовых крепежных соединений показала, что происходит поломка стержней болтов и шпилек в резьбовой части, по внутреннему диаметру резьбы d₁. Рассмотрим наиболее распространенные варианты нагружения таких соединений и методы их расчета.

1. Стержень болта нагружен только внешней растягивающей силой F.

F

Рис.3.7. Ненапряженное болтовое соединение

В современном машиностроении широко используются два класса резьбовых соединений – ненапряженные и напряженные. Последние иногда называют также соединениями с предварительной затяжкой. На рис.3.7 показана схема ненапряженного соединения, где болт установлен без затяжки в отверстии с зазором. В этом случае нормальные напряжения в его стержне возникают только при действии внешней растягивающей силы F.

При действии продольной силы F условие прочности на растяжение стержня в сечениях, ослабленных нарезкой, имеет вид

, (3.15)

где А - площадь опасного стержня болта; d - внутренний диаметр резьбы; - допускаемое напряжение для материла болта.

Отсюда находим расчетный диаметр d₁

(3.16)

В соответствии со значением d₁ по стандарту определяется номинальный диаметр резьбы.

2. Болт затянут, внешняя нагрузка отсутствует

Этот вариант нагружения характерен для крепления крышек корпусов (рис.3.8). Болт затягивается осевой силой F_зат и закручивается моментом сил трения Т_р в резьбе. В стержне болта возникают нормальные напряжения растяжения s_р и касательные напряжения кручения t_кр .

	Рис.3.8. Болтовое крепление крышки корпуса

В этом случае условие прочности по эквивалентному напряжению в соответствии по теории энергии формообразования равно

.

Для болтов с метрической резьбой эквивалентное напряжение найдено

s_экв » s_р (3.17)

В этом случае расчет болта выполняется на растяжение (с учетом кручения) по расчетной нагрузке F_расч = 1.3F_зат

, (3.18)

Сила затяжки назначается из условия герметизации стыка по требуемой нагрузке в стыке F = Аs_см, где А - площадь поверхности стыка на один болт, s_см, - напряжение смятия в стыке, принятое по условиям герметичности

F_зат = К_зат F, (3.19)

где К_зат > 1,25 - коэффициент затяжки по справочникам в зависимости от конструкции стыка.

3. Болтовое соединение, нагруженное поперечной силой F

При установке «чистых» болтов, имеющих стержни, выполненные с

высокой точностью, практически отсутствуют зазоры между стержнями

элементов крепежа и соединяемыми деталями (рис. 3.9, а).

Рис.3.9. Болтовое соединение, нагруженное поперечной силой а - соединение «чистым» болтом; б - соединение «черным» болтом

Работоспособность подобных соединений нарушается, если происходит

сдвиг соединяемых конструктивных элементов под

действием силы F. Это возможно при разрушении болта по

поперечному сечению, показанному на рисунке. В опасном

сечении в результате приложения силы F возникают напряжения среза.

Условие прочности на срез в общем случае имеет вид

, (3.20)

где i - число поверхностей среза; z - число болтов; [t]_ср - допускаемое напряжение среза для болта принимается как часть от предела текучести материала болта

Формула проектного расчета в данном случае имеет вид:

(3.21)

Номинальный диаметр d резьбы округляется до ближайшего стандартного.

При установке «черных» болтов между стержнями крепежных элементов и соединяемыми деталями остается зазор (рис. 3.9,б). В этом случае, чтобы предотвратить взаимное смещение деталей, необходимо приложить такое усиление предварительной затяжки, при котором в зоне их контакта возникнут эквивалентные внешней нагрузке F силы трения. F_тр.

Расчет болта ведут по силе затяжки

,

где К = 1,4- 2,0 - коэффициент запаса по сдвигу деталей; i - число стыков ; z - число болтов; f = 0,15-0,2 - коэффициент трения для стальных и чугунных поверхностей.

Расчетный внутренний диаметр резьбы с учетом скручивания стержня болта при затяжке соединения найдется в соответствии с формулой (3.18)

. (3.22)

В соответствии со значением d₁ по стандарту определяется номинальный диаметр резьбы.