Основные типы резьб.

· Резьба метрическая — это самая распро­страненная резьба в машиностроении. Имеет тре­угольный профиль с углом = 60°. Вершины профиля резьбы на болте и гайке притуплены по дуге или по прямой, что снижает концентрацию на пряжений и исключает возможность повреждения резьбы. Радиальный зазор в резьбе делает ее негер­метичной. Метрическая резьба для одного и того же номинального диаметра выполняется с крупным или мелким шагом. Резьба с крупным шагом менее чувствительна к неточностям изготовления и изнашиванию. Ее применяют как основную крепеж­ную резьбу. Резьба с мелким шагом прочней (уве­личивается внутренний диаметр резьбы) и надежней от ослабления затяжки (уменьшается угол подъема резьбы ) в связи с уменьшением шага. Ее применяют при переменных нагрузках, тонкостенных деталях и для регулировки.

Резьба метрическая коническая применяется главным образом в соединении труб. Одним из преимуществ которой является возможность полу­чения соединения наружной конической с внутренней цилиндрической метрической резьбой.

· Резьба трапецеидальная одно- и многозаходная имеет профиль симметричной трапеции с углом = 30°. Применяется для передачи реверсивного движения под нагрузкой (винтовые механизмы, ходовые винты в станках и т. п.). Имея повышенную прочность и технологич­ность, эта резьба в передачах винт — гайка почти полностью вытеснила прямоугольную.

Резьба упорная имеет профиль несимметричной трапеции. Угол на­клона нерабочей стороны профиля 30°. Для возмож­ности изготовления резьбы фрезерованием рабочая сторона профиля имеет угол наклона 3°. Применяется для передачи движения при больших нагрузках, направленных в одну сторону (грузовые винты домкратов, винтовых прессов, нажимных устройств и т. п.).

· Резьба круглая имеет угол профиля = 30°. Применяется для винтов, несущих большие динамические нагрузки, работа­ющих в загрязненной среде с частым завинчиванием (пожарная и гидравлическая арматура и др.), а также в тонкостенных изделиях (цоколи и патроны электри­ческих ламп, части противогазов и т. п.).

· Резьба дюймовая — это крепежная резьба. Имеет треугольный профиль с углом = 55°. Применяется при ремонте для замены резьбовых деталей старых и импортных машин, ввозимых из стран, в которых применяется дюймовая система мер (США, Англия и др.). Диаметр резьбы изменя­ется в дюймах (1" = 25,4 мм).

· Резьба трубная цилиндрическая представляет собой мел­кую треугольную с углом = 55° дюймовую крепежную резьбу. Отсутствие радиальных зазоров делает резьбовое соединение герметичным. Применяется в основном для соединения труб и арматуры трубопроводов.

· Резьба прямоугольная изготовля­ется на токарно-винторезных станках. Этот способ имеет низкую производительность и точность. Обла­дает пониженной прочностью. При изнашивании образуются трудно устранимые осевые зазоры. Не стандартизована. Применяется сравнительно редко в малонагруженных передачах винт — гайка.

Так как для треугольной резьбы = 60°, а для трапецеидальной = 30°, то трение в этих резьбах больше ( ), чем в прямоугольной, соответственно на 15 и 4%. Кроме того, треугольная резьба прочнее. Поэтому треугольную резьбу применяют в качестве крепежной, а прямоугольную резьбу заменяют трапецеидальной, которую и используют в качестве ходовой.

3.16.3. Основные типы крепёжных деталей:

· Болты (винты с гайками)применяют для скрепления деталей не­большой толщины, при наличии места для распо­ложения головки болта и гайки или когда необхо­димо часто разбирать и собирать соединение, а материал скрепляемых деталей не обеспечивает достаточную прочность резьбы. Болтовые соединения не требуют нарезания резьбы в соединяемых деталях.

Болты общего назначения по точности изготов­ления делятся на болты нормальной и повышенной точности, последние применяют в особо ответствен­ных соединениях. Болты изготовляют для постановки в отверстие с зазором и без зазора в отверстие из-под развертки. Последние применяют при больших поперечных нагрузках в це­лях уменьшения габаритов и повышения надежности соединения. При действии переменных нагрузок при­меняют болты с уменьшенным диаметром нена-резаемой части стержня, что увеличивает упругую податливость, а следовательно, и динами­ческую прочность болта. С этой целью диаметр стержня болта иногда уменьшают до 0,8 .

· Винты (ввинчиваемые в одну из скрепляемых деталей) приме­няют в случаях достаточной прочности материала детали с резьбой и достаточной ее толщины, при жестких требованиях к массе соединения.

Винты резьбовых соединений общего назначения бывают крепежные и установочные.В зависимости от размеров и назначения головки болтов и крепежных винтов весьма разнообразны: шестигранные, полукруглые, цилиндрические, потайные, цилиндрические с шестигранным углублением под ключ и др. Наиболее распространены в машиностроении болты и винты с шестигранной головкой под ключ, как более надежные и удобные в эксплуатации (допускают большую силу затяжки и требуют поворота ключа на 1/6 оборота до перехвата).

Винты с головкой под отвертку позволяют уме­ньшить размеры фланца, улучшить внешний вид изделия, но отверткой нельзя обеспечить хорошую затяжку. Поэтому их применяют для малонаг-руженных соединений.

Установочные (стопорные) винты применяют для предотвращения относитель­ного сдвига соединяемых деталейи (например, установочный винт без головки со шлицем под отвертку и с шестигранной головкой под ключ). В отличие от крепежных установочные винты имеют резьбу по всей длине.

· Шпильки с гайками применяют в тех же случаях, что и вин­ты, но когда материал детали не обеспечи­вает достаточную прочность резьбы, а по усло­виям эксплуатации требуются частые разборка и сборка соединения. Применение винтов в данном случае привело бы к преждевременному износу резьбы детали при многократных отвинчивании и завинчивании. Шпильки ввинчивают в деталь с по­мощью гайки, навинченной поверх другой гайки, или с помощью шпильковерта.

Диаметр резьбы на обоих концах шпиль­ки обычно одинаков. Глубина завинчивания винтов и шпилек в резьбовое гнездо зависит от материала детали.

При динами­ческих нагрузках прочность шпилек выше, чем болтов того же диаметра.

· Гайки в зависимости от формы бывают шестигранные с одной или двумя фасками, шестигранные прорезные, шестигранные ко­рончатые, круглые гайки и др. Наиболее распространены шестигранные гайки, которые, ана­логично болтам, изготовляют нормальной и повы­шенной точности, круглые гайки применяют для осевой фиксации деталей на валах.

В зависимости от высоты шестигранные гайки бывают: нормальные (высота ), высокие ( )и низкие ( ).Высокие гайки приме­няют при частых завинчивании и отвинчивании для уменьшения износа резьбы и при больших силах, низкие — при малых осевых силах.

· Шайбы подкладные ставят под гайку или головку болта для предупрежде­ния смятия поверхностей соединяемых деталей, предохранения их от задиров при завинчивании гаек (винтов) и перекрытия зазора между стержнем болта и отверстием в де­талях.

3.16.4. Надежность резьбового соединения оценивается легкостью сборки, т. е. легкостью затяжки гайки или болта, и сохранностью затяжки, т. е. самотор­можением винтовой пары. Рассмотрим, как выпол­няются эти условия.

При завинчивании крепёжного резьбового соединения осевой силой надо преодолеть момент сопротивления затяжки

,

где — момент сил трения в резьбе;

— момент сил трения на опорном торце гайки;

-приведённый угол трения;

средний диаметр опорной поверхности;

-наружний диаметр опорной поверхности гайки;

-внутренний диаметр опорной поверхности, равный диаметру сверления под болт, обычно .

При стандартном ключе сила в 1 Н, приложенная на конце ключа, создает силу прижатия деталей 60... 100 Н. Такой выигрыш в силе обеспе­чивает легкость сборки соединения.

Самоторможение винтовой пары.

При отвинчивании гайки окружная сила, отсутствует, а сила тренияменяет направление.

Условие самоторможения при статических нагрузках

.

Для крепежных резьб угол подъема резьбы = 2°30'...3°30', а приведенный угол трения изменяется в зависимости от коэффициента трения в пределах 6... 11°. Таким образом, все крепежные резьбы — самотор­мозящие. Это объясняет важное преимущество кре­пежной резьбы — надежное стопорение гайки (винта) в любом положении. Однако это свойство проявля­ется главным образом при статических нагрузках. При переменных нагрузках условие самоторможения не соблюдается. Поэтому необходимо стопорение резьбовых соединений.

Для предупреждения самоотвинчивания ис­пользуют стопорные устройства, которые основаны на следующих основных принципах.

1. Стопорение дополнительным трением в резьбе с помощью контргаек, пружинных шайб, самотормозящих гаек и т. п.

2. Стопорекие специальными деталями, например фиксация болта относительно гайки: с по­мощью шплинта, стопорной шайбы и др.; фиксация гайки относительно детали с помощью специальной шайбы и др.

3. Стопорение созданием местных пластических деформаций, например, кернением приваркой, расклёпыванием гаек или головок винтов или применением лака, краски, смолы. Применяют, когда соединение не требует разборки.

3.16.5. Виды разрушения резьбовых крепежных деталей:

· разрыв стержня по резьбе или переходному сечению у головки;

· повреждение или разрушение резьбы (смятие и износ, срез, изгиб);

· отрыв головки и др.

Так как размеры стандартных болтов, винтов и шпилек отвечают условию равнопрочности по критериям, соответствующим указанным разрушени­ям, то обычно их расчет ограничивается расчетом по одному основному кри­терию работоспособно­сти — прочности на­резанной части стер­жня на растяжение. При этом определяют рас­четный диаметр резьбы

где и — наружный диа­метр и шаг резьбы.

Длину болта, винта и шпильки выбирают в за­висимости от толщины соединяемых деталей. Остальные размеры деталей резь­бового соединения (гайки, шайбы и др.) принимают исходя из диа­метра резьбы, по стандарту.

Стандартная высота гайки ис­ключает необходимость расчета на прочность ее резьбы. Однако следует считаться с неравномер­ным распределением осевой силы по виткам резьбы гайки. Сила , растягивающая болт и сжи­мающая гайку, вы­зывает различные деформации витков резьбы: наибольшие в нижней части гайки и наимень­шие в верхней части. Соответст­венно деформациям перераспре­деляются и силы, приходящиеся на каждый из витков. Задача о распределении нагрузки по вит- Рис. 4.30 кам резьбы гайки была решена проф. Н. Е. Жуковс­ким в 1902 г. и в дальнейшем подвержена экс­периментальным исследованиям. Для гайки из 10 вит­ков на первый виток резьбы приходится 0,34 , на второй — 0,23 на десятый — 0,01 . По этой причине число витков в гайке не должно превышать десяти, так как одиннадцатый виток совсем не нагружается. В ответственных соединениях для более равномер­ного распределения нагрузки между витками резьбы гайки меняют ее форму, увеличивая податливость вблизи первых витков.

Болт нагружен только внешней растягивающей силой (без начальной затяжки). Расчет сводится к определению расчетного диаметра резьбы из условия прочности на растя­жение:

,

где —допускаемое напряже­ние на растяжение для болта. В этом случае нагружения для болтов из углеродистой стали рекомендуется .

Болт затянут осевой силой без внешней осевой нагрузки. Это болты для крепления ненагруженных герметичных крышек и люков корпусов машин и др. Стержень болта испытывает совмест­ное действие растяжения и кручения, т. е. растягива­ется осевой силой от затяжки болта и скручивается моментом, равным моменту сил трения в резьбе .

Прочность болта определяют по эквивалентному напряжению . По гипотезе энергии формоизмене­ния . Вычисления показывают, что для стандартных метрических резьб .

Таким образом, расчет болта на совместное действие растяжения и кручения можно заменить расчетом на растяжение, но по увеличенной в 1,3 раза силе . Тогда получим формулу проектировочного расчета

Требуемое значение осевой силы выбирают по условиям герметичности и отсутствия смятия деталей в стыке. Расчетом и практикой установлено, что болты малых диаметров М5...Ml2 можно легко разрушить при недостаточно квалифицированной за­тяжке. Например, болт с резьбой М5 разрушается при приложенной к ключу силе 45 Н, а болт с резьбой Ml2 — при силе 180 Н. Поэтому в среднем и тяжелом машиностроении не рекомендуется приме­нять болты диаметром меньше M5.

Материалы.Стандартные крепежные резьбовые детали общего назначения изготовляют из углеро­дистых сталей СтЗ, 10, 20, 35, 45 и др. Эти стали в условиях массового производства позволяют изго­товлять резьбовые детали методом холодной штам­повки с последующей накаткой резьбы. Легированные стали 35Х, 40Х, 38ХА, 30ХГСА и др. применяют для особо ответственных крепежных резьбовых де­талей, в частности для скрепления быстровраща-ющихся частей и тяжело нагруженных ответственных соединений.

3.16.6. Шпоночные и шлицевые соединения служат для закрепления деталей на валах и осях и для передачи вращающего момента от вала к установленным на нём деталям (зубчатым колёсам, шкивам, муфтам и т.д.) или наоборот.

Шпоночные соединения. Шпоночными называют разъемные соединения составных час­тей изделия с применением шпонок.

Шпо­ночные соединения могут быть неподвижными и подвижными и слу­жат обычно для предотвращения относительного поворота ступицы и вала при передаче вращающего момента.

Достоинства шпоноч­ных соединений:

· простота и на­дежность конструкции;

· лег­кость сборки и разборки соеди­нения;

· невысокая стоимость.

Недостатки шпоночных соединений:

· снижение нагрузочной способноси сопрягаемых деталей из-за ослабле­ния их поперечных сечений шпоночны­ми пазами и значительной концентра­ции напряжений в зоне этих пазов;

· необходимость удлинения ступиц колёс при передаче больших моментов;

· высокие требования к точности выполнения шпоночных пазов;

· трудность обеспечения взаимозаменяемости, т.е. необходимость ручной пригонки или подбора шпонки по пазу.

Форма и размеры большинства типов шпонок стандартизованы, а их применение зависит от условий работы соединяемых деталей и диаметров посадочных поверхностей.

Шпоночные соединения делят на ненапряжённые и напряжённые.

Сборка и разборка ненапряжённого соединения (с призматической или сегментной шпонкой) не требует приложения значительных усилий к сопрягаемым деталям. Шпонку, представляющую собой брус прямоугольного сечения, устанавливают в паз на валу. Детали, посаженные на призматическую шпонку, должны иметь крепления, предупреждающие их перемещение вдоль оси вала, что несколько усложняет эту сравнительно простую и дешевую конструкцию.

Напряжённоесоединение осуществляются запресовыванием клиновых шпонок, обеспечивающих самоторможение. Такое соединение может передавать крутящий момент и осевую силу (в одном направлении).

Расчет ненапряженных шпоночных соединений.Основными кри­териями работоспособности ненапряженных шпоночных соединений являются прочность шпонки на срез и прочность соединения на смятие.

Расчеты на срез и смятие основаны на предположении, что соответствующие напряжения распределены по сечениям равномерно.

Расчетная формула на срез шпонки имеет вид

,

где — вращающий момент;

— диаметр вала;

— площадь среза шпонки.

Расчетная формула шпоночного соединения на смятие имеет вид

,

где - площадь смятия;

высота площадки смятия;

— расчетная длина шпонки (для сегментной шпонки , - диаметр шпонки).

Размеры стандартных призматических и сегментных шпонок установлены в зави­симости от диаметра вала по условию прочности шпонки на срез, поэтому основ­ным для таких соединений является про­верочный расчет на смятие, а расчет на срез необходим лишь для нестандартных шпо­нок и особо ответственных конструкций. Если требуется определить длину призма­тической шпонки, то ее также определяют из расчета на смятие. Обычно длина при­зматической шпонки должна быть на 3 — 10 мм меньше длины ступицы, насаженной на вал детали.

Материалы шпонок.Согласно действу­ющим стандартам, шпонки должны изготовляться из сталей с времен­ным сопротивлением разрыву не менее 590 МПа. Сортамент чистотянутых среднеуглеродистых сталей для сегментных и призматических цшонок также регламентирован стандартом. Легированные стали при­меняют для специальных шпонок.

3.16.7. Шлицевые соединения. Шлицевым называется разъемное соединение составных частей изделия с применением пазов (шлицев) и выступов.

Шлицевые соеди­нения бывают подвижные и неподвижные. Шлицевое соединение можно представлять как многошпоночное, у которого шпонки выполнены за одно целое с валом.

Шлицевые соединения по сравнению со шпоноч­ными обладают значительными преимуществами:

· меньшее число деталей в соединении;

· значительно большая нагрузоч­ная способность за счет большей площади контакта рабочих поверхно­стей вала и ступицы;

· меньшая концентрация напряжений в материале вала и ступицы;

· лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное направление при осевом перемещении;

· высокая надежность при динамических и реверсивных нагрузках.

Недостатки шлицевых соединений:

· высокая трудоемкость и стоимость их изготовления.

Расчёт шлицевых соединений.Основными критериями работоспособности шлицевых соединений являются сопротивление рабочих поверхностей зубьев смятию и изнашиванию.

Расчёт на смятие производится по условию

,

где — вращающий момент;

- удельный (на единицу длины) суммарный статический моент площади рабочих поверхностей соединения относительно оси вала;

- рабочая длина шлицев.

Расчёт соединения на износ производится по формуле

.