Общие сведения о резьбовых соединениях

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

Резьба представляет собой чередующиеся выступы и впадины на по­верхности тела вращений расположенные по винтовой линии. Основные определения, относящиеся к резьбам общего назначения, стандартизованы.

Резьбовые соединения являются самым распространенным видом со­единений вообще и разъемных в частности. 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.

Недостатки резьбовых деталей: значительная концентрация на­пряжений в местах резкого изменения поперечного сечения и низкий КПД подвижных резьбовых соединений.

Резьбы изготовляют либо пластической деформацией (накатка на резьбонакатных станках, выдавливание на тонкостенных металлических изделиях), либо резанием (на токарно-винторезных, резьбонарезных, резьбофрезерных, резьбошлифовальных станках или вручную метчиками и плашками); на деталях из стекла, пластмассы, металлокерамики, иногда на деталях из чугуна резьбу изготовляют отлив­кой или прессованием. Следует отметить, что накатывание резьбы круглыми или плоскими плашками на резьбонакатных станках — самый вы­сокопроизводительный метод, с помощью которо­го изготовляется большинство стандартных крепежных деталей с наружной резьбой, причем накатанная резьба прочнее нарезанной, так как в первом случае не происходит перерезание волокон металла заготовки, а поверх­ность резьбы наклёпывается.

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.

Основные геометрические параметры резьбы (рис 3.1): наружный диаметр d, D (по стандартам диаметры наружной резьбы обозначают строчными, а диаметры внутренней резьбы — прописными буквами); внутренний диаметр d₁, D₁ средний диаметр d₂, D₂ — диаметр вообра­жаемого цилиндра, на поверхности которого толщина витка равна шири­не впадины; угол профиля а, 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); ход резьбы р_n = пр — величина относительного осевого перемещения гайки или винта за один оборот (в целях унификации обозначений шаг резьбы, как и шаг зубьев зубчатых колес, будем обозначать строчной буквой р, а не прописной, как по стандартам на резьбы).

Рисунок 3.1 – Резьба метрическая

К основным параметрам относится угол подъема резьбы ψ — угол, образованный касательной к винтовой линии резьбы в точках, лежащих на среднем диаметре и плоскостью, перпендикулярной оси резьбы. Из рис 3.1 видно, что угол подъема резьбы определяется зависимостью

tg ψ = пp/(πd²).

Диаметр, условно характеризующий размеры резьбы, называется номинаьным; для большинства резьб в качестве номинального диаметра резьбы принимается наружный диаметр.

Классификация резьб. Классифицировать резьбы можно по многим признакам: по форме профиля (треугольная, трапецеидальная, упорная прямоугольная, круглая и др.); по форме поверхности (цилиндрическая, коническая); по расположению (наружняя, внутренняя); по числу заходов (однозаходная, многозаходная); по направлению заходов (правая, левая); по величине шага (с крупным, с мелким); по эксплуатационному назначе­нию (крепежная, крепежно-уплотшггельная, ходовая, специальная).

Крепежные резьбы (метрическая, дюймовая) предназначены доя скрепления деталей; крепежно-уплотнителъные (трубные, конические) применяют в соединениях, требующих не только прочности, но и герме­тичности; ходовые резьбы (трапецеидальная, упорная, прямоугольная) служат для передачи движения и применяются в передачах винт—гайка, которые будут рассматриваться позже; специальные резьбы (круглая, окулярная, часовая и др.) имеют специальное назначение. Большинство применяемых в нашей стране резьб стандартизовано.

В этой главе мы будем в основном рассматривать конструкцию и расчет деталей и соединений с крепежной резьбой, имеющей в машино­строении наиболее широкое применение, а также ознакомимся со стан­дартами на ходовые резьбы.

Метрическая резьба. Форма и размеры профиля этой резьбы, диаметры и шаги, основные размеры регламентированы стандартами. Кроме того, стандартизованы резьба метрическая для приборостроения, резьба метрическая коническая, резьба метрическая на деталях из пла­стмасс (не указанные номера стандартов и срок их действия легко уста­новить по «Указателю стандартов», переиздаваемому ежегодно).

Метрическая резьба (рис. 3.1) имеет исходный профиль в виде рав­ностороннего треугольника с высотой Я, вершины профиля срезаны, как показано на рисунке, а впадины притуплены, что необходимо для уменьше­ния концентрации напряжений и 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 подъем* резьбы и обладают повышенным самоторможением. Поэтому резьбы с мелким шагом применяют для соединения мелких тонкостенных деталей и при действии динамических нагрузок.

В машиностроении основное при­менение находит метрическая резьба с крупным шагом как более прочная и менее чувствительная к ошибкам изготовления и износу. Крепежные резьбо­вые детали имеют обычно правую од­нородную резьбу; левая резьба при­меняется 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: 6Н (для гаек) и 6g (для болтов), что обеспечивает посадку 6H/6g с зазором. Кроме поса­док с зазором стандартами предусмотрены посадки переходные и с натягом.

Дюймовая резьба (рис. 3.2). Эта крепежная резьба имеет тре­угольный профиль с углом а = 55°, номинальный диаметр ее задается в дюймах (Iм = 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; она используется у нас лишь при ремонте импортных машин. Применение дюймовой кре­пежной резьбы в новых конструкциях запрещено, а стандарт на нее лик­видирован без замены.

Рисунок 3.2 - Резьба дюймовая

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°. Эти резьбы применяют в трубопрово­дах, они являются крепежно-уплотнительными.

Трапецеидальная резьба (рис. 3.3). Про­филь этой резьбы представ­ляет собой равнобокую тра­пецию с углом между боко­выми сторонами а = 30°. Профили, основные размеры и допуски трапецеидальних резьб стандартизованы, причем предусмотрены резьбы с мел­ким, средним и крупным шагами.

Рисунок 3.3 – Резьба трапециальная

Упорная резьба (рис. 3.4). Профиль этой резьбы представляет собой неравнобокую трапецию 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°.

Рисунок 3.4 - Резьба упорная

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 (рис. 3.5). Эта резьба не стандарти­зована и имеет ограниченное применение в неответственных передачах винт—гайка. В дальнейшем будет показано, что эта резьба из всех имеет наибольший КПД, но ее нельзя фрезеровать и шлифовать, так как угол профиля а = 0; проч­ность прямоугольной резьбы ниже, чем у других резьб.

Рисунок 3.5 – резьба прямоугольная

Крепежные резьбовые со­единения и их детали. Основные наиболее распространенные типы крепежных резьбовых соединении (рис. 3 6): болтовое (а), винтовое (6) и шпилечное (в). Детали этих со­единений: болты, гайки, винты, шпильки и шайбы. Геометрические 'формы, размеры, варианты испол­нения и технические требования на эти детали и их элементы регла­ментированы многочисленными стандартами.

Наиболее дешевы и техноло­гически просты болтовые соедине­ния, так как они не требуют наре­зания резьбы в соединяемых дета лях. Соединения винтами и шпиль­ками применяют в тех случаях, когда одна из соединяемых деталей имеет значительную толщину. Болтовые и шпилечные соединения используют тогда, когда в процессе эксплуатации соединяемые детали подвергаются многократной разборке и сборке.

Детали резьбовых соединений делятся на детали общего назначения и специальные. Конструкция и расчет специальных деталей в этой книге не рассматриваются.

Рисунок 3.6 - Типы крепежных резьбовых соединении:

(а) болтовое, (6) винтовое, (в) шпилечное

Болты общего назначения с шестигранной головкой (рис. 3.7) бы­вают грубой, нормальной и повышенной точности трех исполнений: без отверстий, с отверстием в стержне и с отверстиями в головке.

Рисунок 3.7 - Болты общего назначения с шестигранной головкой

Стандарта­ми предусмотрены разные варианты конструкций болтов: с уменьшенной шестигранной головкой, с направляющим подголовком, с полукруглой «ловкой, потайной головкой, усом, квадратным подголовком и др. Кроме того, стандартизованы болты откидные двух типов (рис. 3.8, а), слу­жащие для быстрого зажима и освобождения деталей; рым-болты (рис. 3.8, б), которые служат для транспортировки тяжелых деталей или изде­лий, например больших редукторов; болты фундаментные, применяемые для крепления станины или корпуса изделия к фундаменту, болты высо­копрочные, болты конические и др.

Рисунок 3.8 – Болты:

(а) простые, (б) рым-болты

Гайки общего назначения шестигранные бывают грубой, нормальной и повышенной точности с одной или двумя наружными фасками. Стандартами предусмотрены разные варианты конструкций гаек: с уменьшенным размером «под ключ», гайки высокие, особо высокие, низкие, прорезные и корончатые (рис. 3.9, а). Кроме того, стандартизованы гайки круглые шлицевые и с отверстиями «под ключ», расположенными радиально или на торце (рис. 3.9, б), гайки-барашки для завинчивания без ключа (рис. 3.9, в), гайки колпачковые, гайки высокопрочные и др.

Винты общего назначения делятся на крепежные и установочные (рис. 3.10, ж); последние служат для фиксации положения деталей, при­чем форма и размеры отверстий под установочные винты стандартнзованы. Винты (рис. 3.10) в зависимости от формы головок бывают: с полукруглой (а), цилиндрической (б), цилиндрической скругленной (в), с полупотайной (г), с потайной (д) головками с шестигран­ным углублением «под ключ» (e), с крестообразным шли­цем под специальную отвертку, с накатанной голов­кой, с шестигранной и квадратной головками и др. Кро­ме того, стандартизированы винты самонарезающие для металла и пластмассы, винты невыпадающие и шурупы, служащие для соединения деталей из дерева и мягких пластмасс; в отличие от винтов шурупы имеют острый конический конец и резьбу с крупным шагом.

Рисунок 3.9 – Гайки:

(а) корончатые, (б) с отверстиями «под ключ», (в) гайки-барашки для завинчивания без ключа

Рисунок 3.10 – Винты:

(а) с полукруглой головкой, (б) цилиндрической головкой, (в)цилиндрической скругленной головкой, (г) с полупотайной головкой, (д) с потайной головкой, (e) с шестигран­ным углублением «под ключ», (ж) установочный

Стержни крепежных винтов (как и болтов) могут иметь одинаковый по всей длине диаметр, либо быть с уменьшенным диаметром ненарезанной части (рис. 3.10, в, г, д).

В машиностроении чаще других применяют винты с шестигранными головками, так как они позволяют осуществить ключом большую силу затяжки и удобны при завинчивании и отвинчивании (поворот ключа до перехвата всего на 1/6 оборота).

Рисунок 3.11 - Концы болтов, винтов и шпилек

Шпильки могут иметь ввинчиваемые концы нор­мальной и повышенной точности с длиной их от d до 2,5d, где d — диа­метр шпильки. Конструкция и размеры шпилек стандартизованы.

Концы болтов, винтов и шпилек регламентированы специальным стандартом и показаны на рис. 3.11.

Технические требования на крепежные резьбовые детали стандарти­зованы и устанавливают для болтов, винтов и шпилек из углеродистых и легированных сталей двенадцать классов прочности в зависимости oi значения минимального временного сопротивления и предела текучести стали; для гаек из тех же материалов установлено семь классов прочности.

Ш а й б ы (рис. 3.12, а) подкладывают под гайки или головки болтов для увеличения опорной площади, уменьшения напряжений смятия и предохранения деталей от задиров. Стальные шайбы цилиндрической формы согласно стандартам изготовляют двух исполнений (без фасок и с одной наружной фаской) и двух классов точности А и С.

Рисунок 3.12 – Шайбы:

(а) простые, (б) пружинные

Кроме того, стандартизованы шайбы увеличенные и уменьшенные, шайбы стопорные с внутренними и наружными зубьями, шайбы косые (для соединения де­талей, имеющих уклон), шайбы упорные быстросъемные, шайбы к высо­копрочным болтам, шайбы пружинные (рис. 3.12, б) и др. Для предот­вращения изгиба стержня болта или шпильки и перекоса опорных по­верхностей применяют сферические шайбы (см. рис. 3.12).

Средства против самоотвинчивания резьбовых деталей. Все крепежные резьбы однозаходные имеют малый угол подъема резьбы и удовлетворяют условию самоторможения. Однако опыт эксплуатации резьбовых соединений показывает, что при вибрациях, переменной или ударной нагрузке происходит ослабление резьбового соединения и само­отвинчивание деталей. Для повышения надежности и предохранения резьбовых соединений от самоотвинчивания (иначе говоря, для ctonope-ния) применяют различные способы. Первый из них основан на том, что в резьбе создается дополнительное трение путем установки контргайки (рис. 3.13, а) или пружинной шайбы (рис. 3.12, б), применения контргаек цангового типа, самоконтрящихся гаек и т. д. Заметим, что пружинные шайбы (рис. 3.12, б) для правой и левой резьб должны иметь разное на­правление витка и наклон прорези, так как острые края шайбы должны врезаться в тело гайки и детали и дополнительно препятствовать самоот­винчиванию. Второй способ заключается в жестком соединении болта и гайки с помощью специальных деталей, например стандартного шплинта (рис. 3.13, б), для чего применяют прорезные или корончатые гайки и болты с отверстиями в стержне; жесткое соединение гайки или винта с деталью можно осуществить с помощью стандартной стопорной шайбы с лапкой (рис. 3.13, в) жесткое соединение болтов иногда выполняют с помощью проволоки (рис. 3.13, г).

Рисунок 3.13 - Средства против самоотвинчивания резьбовых деталей:

(а) контргайка, (б) шплинт, (в) стопорная шайба с лапкой, (г) соединение болтов с помощью проволоки

Третий способ предохранения от са­моотвинчивания заключается в превращении резьбового соединения в неразъемное и применяют его для соединений, не требующих раз­борки (путем приварки, кернения, расклепывания) или разбирающихся очень редко (путём пайки, а для мелких резьбовых деталей применяют лак, краску, смолу).

Силовые соотношения в резьбовых соединениях. Для рассмотре­ния соотношения сил в резьбе представим себе винт с прямоугольной резьбой, нагруженный осевой силой Q (рис. 3.14, б). Мысленно рассечем один виток цилиндрической поверхностью по среднему диаметру резьбы d2 и, развернув эту цилиндрическую поверхность на плоскость чертежа, получим наклонную плоскость с углом наклона, равным углу подъема резьбы ψ (рис. 3.14, а). Гайку заменим ползуном, к которому приложены все действующие в резьбе силы, а именно: осевая сила Q, нормальная реакция N, сила трения Fтр = fN (где f = tgφ, φ — угол трения), F — горизонтальная движущая сила.

Рисунок 3.14 - Винт с прямоугольной резьбой, нагруженный осевой силой:

(а) разворот цилиндрической поверхности на плоскость чертежа,

(б) соотношение сил в прямоугольной резьбе, (в) соотношение сил в треугольной резьбе, (г) затяжка крепежного резьбового соединения осевой силой

Подъему ползуна вверх по наклонной плоскости будет соответствовать навинчивание гайки на винт.

Как известно из теоретической механики, для подъема ползуна вверх по шероховатой наклонной плоскости нужно приложить горизонтальную силу F = Qtg(ψ + φ), где φ — угол трения (указанную формулу легко получить, рассмотрев равновесие системы сил, приложенных к ползуну) а КПД шероховатой наклонной плоскости

η = tg ψ /tg(ψ + φ).

Обратим внимание на то, что с увеличением угла подъема КПД увеличи­вается, следовательно, КПД многозаходных резьб выше, чем однозаходных; с увеличением угла трения КПД уменьшается, так как увеличивают­ся потери на преодоление трения.

Сила F является в резьбе окружной, приложенной на среднем диаметре d₂ следовательно, момент сил в резьбе f Wm

M_p = 0,5d₂F = 0,5d₂Qtg(ψ + φ).

Для сравнения трения в прямоугольной и треугольной резьбах рассмотрим соответствующие винты, нагруженные осевой силой Q (рис.3.14, б, в). Пренебрегая углом подъема резьбы и спроецировав действующие силы на ось винта, получим:

для прямоугольной резьбы

N = Q, F_тр = Nf = Qf

где f — коэффициент трения скольжения;

для треугольной резьбы

;

где f' = = tgφ' — приведенный коэффициент трения скольжения, а φ' — приведенный угол трения. Таким образом, трение в треуголь­ной резьбе подобно трению клинчатого ползуна с углом заострения 180°-α (клинчатый ползун как бы вращается в конусообразной воронке).

Для метрической резьбы α = 60°, cos α /2 ≈ 0,87, a f ' = 1,15 f, т. е. приведённый коэффициент трения больше основного на 15%.

Так как f ' > f, то трение в треугольной резьбе больше, чем в прямоугольной, а КПД меньше, поэтому крепежные резьбы имеют треугольный профиль, а ходовые — прямоугольный или близкий к нему.

Для треугольной резьбы окружная сила F = Qtg(ψ + φ'), a момент сил в резьбе M_p = 0,5d₂F = 0,5d₂Qtg(ψ + φ ').

При отвинчивании гайки направление сил трения изменится на противоположное и окружная сила Fотв = Qtg(ψ + φ'). Чтобы не было самоотвинчивания резьбы, должно быть Fотв < 0 или ψ < φ'.

Для стандартных крепежных резьб угол подъема резьбы не превышает 4°, а приведенный угол трения в зависимости от материала гайки и винта лежит в пределах от 6° до 16°, следовательно, все крепежные резьбы — самотормозящие и при статической нагрузке не самоотвинчиваются. Мелкие крепежные резьбы (по сравнению с крупными) имеют меньший угол подъема резьбы и поэтому они менее склонны к самоотвинчиванию при динамических нагрузках.

Для затяжки крепежного резьбового соединения осевой силой Q (рис. 3.14, г) необходимо создать момент завинчивания М_зав, равный сумме момента сил в резьбе М_р и момента сил трения М_оп на опорной поверхности гайки. Так как M_p = 0,5d₂F = 0,5d₂Qtg(ψ + φ ' ), а Моп = Qfdср/2 (предполагается, что равнодействующая сил трения приложена на среднем диаметре опорной поверхности), то

M_зав = 0,5d₂F = 0,5d₂Qtg(ψ + φ ' ) + Qfdср/2,

где d_cp = 0,5(D + d₀);D — наружный диаметр опорной поверхности гайки; d₀— диаметр отверстия под болт.

Для крепежных резьб средние значения ψ ≈ 2°30'; d₂ ≈ 0,9d; d_cp ≈ l,4d, где d — номинальный диаметр резьбы; тогда при f = 0,15

M_зав ≈ 0,2Qd.

Длина стандартных ключей L ≈15 d. Приложив к концу ключа силу R, можно определить отношение Q/R, т. е. выигрыш в силе за счет резь­бы. Так как M_зав = RL, то 0,2Qd = l5Rd, откуда Q/R ≈ 75.