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 вращения, 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 п (заходность резьбы легко определя­ется на торце винта по числу сбегающих витков); ход резьбы р_п = 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).

К основным параметрам относится угол подъема резьбы у — угол, образованный касательной к винтовой линии резьбы в точках, лежащих на среднем диаметре, и плоскостью, перпендикулярной оси резьбы. Из рис. 3.14, а видно, что угол подъема резьбы определяется зависимостью

tgψ=np/(πd₂)

Диаметр, условно характеризующий размер резьбы, называется но­минальным; для большинства резьбы 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-уплотнительная, ходовая, специальная).

Крепежные резьбы (метрическая, дюймовая) предназначены для 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 Н, 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 подъема 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 однозаходную 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 (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; она используется у нас 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°. 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 трапецеидальных резьб стандартизованы, причем предусмотрены резьбы с мел­ким, средним и крупным шагами.

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°.

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 резьбофре-зерных, 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.

Крепежные резьбовые соединения и их детали. Основные и наиболее распространенные типы крепежных резьбовых соединений (рис. 3.6): болтовое (а), винтовое (б) 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 деталях. 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.

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.

Стандарта­ми предусмотрены разные варианты конструкций болтов: с уменьшенной шестигранной головкой, с направляющим подголовком, с полукруглой головкой, 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.

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. 3.8, 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 стандартизова­ны. Винты (рис. 3.10) в зависимости от формы головок бывают: с полукруглой (а), цилинд­рической (б), с цилиндри­ческой скругленной (в), с полупотайной (г), с потайной (д), головками с шестигран­ным углублением «под ключ» (е), с крестообразным шли­цем под специальную от­вертку, с накатанной голов­кой, с шестигранной и квад­ратной головками и др. Кро­ме того, стандартизованы 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.

Стержни крепежных винтов (как и болтов) могут иметь одинаковый по всей длине диаметр, либо быть с уменьшенным диаметром ненарезан-ной 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).

Шпильки (рис. 3.6, в) 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 от значения минимального временного сопротивления и предела текучести стали; для гаек из тех же материалов установлено семь классов прочности.

Шайбы (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. 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. 3.15).

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 стопоре-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. 3.6, в), 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). 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 (путем 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 F_тp = fN (где / = tgφ, φ— угол трения), F — горизонтальная движущая сила.

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=tgψ/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

М_р=0,5d²F=0.5 Qtg(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_тp=Nf= Qf

где f — коэффициент трения скольжения;

для треугольной резьбы

N = Q /cos(a /2), F_тр=Nf = Qf /cos(a /2) = Q f ',

где f '= f / cos(a /2) = tgφ' — приведенный коэффициент трения скольже­ния, а φ'— приведенный угол трения. Таким образом, трение в треуголь­ной резьбе подобно трению клинчатого ползуна с углом заострения 180°- а (клинчатый ползун как бы вращается в конусообразной воронке).

Для метрической резьбы а = 60°, cos (a /2) =0,87, a f ' = 1,15 f, т. е. приве­денный 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_отв = Q tg(ψ+ φ '), а момент сил в резьбе М_р = 0,5d₂ Q tg(ψ+ φ').

При отвинчивании гайки направление сил трения изменится на про­тивоположное и окружная сила F_отв = Qtg(ψ - φ'). Чтобы не было само­отвинчивания резьбы, должно быть F_0TB < 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 М_р =0,5Qd₂ tg(ψ+ φ'), a M_on = Qfd_cр/2 (пред­полагается, что равнодействующая сил трения приложена на среднем диаметре опорной поверхности), то

М_зав = 0,5Qd₂ tg(ψ+ φ ')+ Qfd_cр/2

где d_ср = 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_ср = l,4d, где d — номинальный диаметр резьбы; тогда при f = 0,15

M_зав=0,2Qd.

Длина стандартных ключей L=l5d. Приложив к концу ключа силу R, можно определить отношение Q/R, т. е. выигрыш в силе за счет резь­бы. Так как М_зав = RL, то 0,2Qd = 15Rd, откуда Q/R =75.