Резьбовые соединения

Резьбовымназывают разъемное соединение составных частей изделия с применением детали, имеющей резьбу.

Резьбапредставляет 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 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.

Основные геометрические параметры резьбы (рис. 1.9):наружный диаметрd,D(по стандартамдиаметры наружной резьбы обозначают строчными, а диаметры внутренней резьбы – прописными буквами); внутренний диаметрd1D1,среднийдиаметрd2,D2диаметр воображаемого цилиндра, на поверхности которого толщина витка равна ширине впадины; угол профиляα, шаг резьбыр – расстояние между соседними одноименными боковыми сторонами профиля в направлении, параллельном оси резьбы; число заходовп (заходность резьбы легко определяется на торце винта по числу сбегающих витков); ход резьбырn= 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 резьбыψ – угол, образованный касательной к винтовой линии резьбы в точках, лежащих на среднем диаметре, и плоскостью, перпендикулярной оси резьбы. Угол подъема резьбы определяется зависимостью

tgψ= np/(πd2).

Диаметр, условно характеризующий размер резьбы, называется номинальным; для большинстварезьб 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 (наружная, внутренняя); по числу заходов (однозаходная, многозаходная); по направлению заходов (правая, левая); по величине шага (с крупным, мелким); по эксплуатационному назначению (крепежная, крепежно-уплотнительная, ходовая, специальная).

Крепежные резьбы(метрическая, дюймовая) предназначены для скрепления деталей; крепежно-уплотнительные(трубные, конические) применяют в соединениях, требующих не только прочности, но и герметичности; ходовыерезьбы (трапецеидальная, упорная, прямоугольная) служат для передачи движения и применяются в передачах винт – гайка, которые будут рассматриваться позже; специальныерезьбы (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 (неуказанные номера стандартов и срок их действия легко установить по Указателю стандартов, переиздаваемому ежегодно).

Метрическая резьба (см. рис.1.9) имеет исходный профиль в виде равностороннего треугольникас высотой H, 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 крупными мелкимшагом. 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; 0,5мм. 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: 6H(для гаек) и 6g(для болтов), что обеспечивает посадку 6H/6gс зазором. Кроме посадок с зазором стандартами предусмотрены посадки переходные и с натягом.

Дюймовая резьба(рис. 1.10). Эта крепежная резьба имеет треугольный профиль с углом α = 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 нашей стране она используется только 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 коническаядюймоваяс углом профиля 60°. Эти резьбы применяют в трубопроводах, они являются крепежно-уплотнительными.

Рис. 1.10. Основные геометрические параметры дюймовой резьбы

Трапецеидальная резьба(рис.1.11). Профиль этой резьбы представляет собой равнобокую трапецию с углом между боковыми сторонами α = 30°. Профили, основные размеры и допуски трапецеидальных резьб стандартизованы, причем предусмотрены резьбы с мелким, средним и крупным шагами.

Рис. 1.11. Основные геометрические параметры трапецеидальной резьбы

Упорная резьба(рис.1.12). Профиль этой резьбы представляет собой неравнобокую трапециюс углами наклона боковых сторон к прямой, перпендикулярной оси резьбы, равными 3 и 30°. Основные размеры и допуски упорной резьбы для диаметров от 10 до 600мм регламентированы ГОСТом. Стандартизована также резьба упорная усиленная для диаметров от 80 до 2000мм, у которой одна сторона профиля наклонена под углом 45°.

Рис. 1.12. Основные геометрические параметры упорной резьбы

Трапецеидальная и упорная резьбы являются ходовымии 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.1.13). Эта резьба не стандартизована и имеет ограниченное применение в неответственных передачах винт – гайка. Эта резьба из всех имеет наибольший КПД, но ее нельзя фрезеровать и шлифовать, так как угол профиля α=0; прочность прямоугольной резьбы ниже, чем у других резьб.

Рис. 1.13. Основные геометрические параметры прямоугольной резьбы

Крепежные резьбовые соединения и их детали.Основные и наиболее распространенные типы крепежных резьбовых соединений (рис.1.14): 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.

Рис. 1.14. Основные типы крепежных резьбовых соединений

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 назначенияи специальные. Конструкция и расчет специальных деталей в этом учебнике не рассматриваются.

Болтыобщего назначения с шестигранной головкой (рис. 1.15) 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.

Рис. 1.15. Болты общего назначения с шестигранной головкой

Кроме того, стандартизованы болты откидные двух типов (рис.1.16, а),служащие для быстрого зажима и освобождения деталей; рым-болты (рис. 1.6, б), которые служат для транспортировки тяжелыхдеталей или изделии, например, больших редукторов; болты фундаментные, применяемые для крепле­ниястанины или корпуса изделия к фундаменту, болты высокопрочные, болты конические и др.

Рис. 1.16. Стандартные болты откидные и рым-болты

Гайкиобщего назначения шестигранные бывают грубой, нормальной и повышенной точностис 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.1.17, а). Кроме того, стандартизованы гайки круглые шлицевые и с отверстиями «под ключ», расположенными радиально или на торце (рис.1.17, б),гайки-барашки для завинчивания без ключа (рис.1.17, в),гайки колпачковые, гайки высокопрочные и др.

Рис. 1.17. Варианты конструкций стандартных гаек

Винтыобщего назначения делятся на крепежныеи установочные(рис.1.18, ж); последние служат для фиксации положения деталей, причем форма и размеры отверстий под установочные винты стандартизованы. Винты в зависимости от формы головок бывают: с полукруглой (рис.1.18, а), цилиндрической (рис.1.18, б), с цилиндрической скругленной (рис.1.18, в), с полупотайной (рис.1.18, г), с потайной (рис.1.18, д) головками, с шестигранным углублением «под ключ» (рис.1.18, е), скрестообразным 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 ненарезанной части (рис. 1.18, в, г, д).

Рис. 1.18. Винты общего назначения

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 1/6оборота).

Шпильки (см. рис.1.14, в)могут иметь ввинчиваемые концы нормальной и повышенной точности с длиной от dдо 2,5d,где d– диаметр шпильки. Конструкция и размеры шпилек стандартизованы.

Концы болтов, винтов и шпилек регламентированы специальным стандартом и показаны на рис.1.19.

Рис. 1.19. Конструктивные выполнения концов болтов, винтов и шпилек

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

Шайбыподкладывают под гайки или головки болтов для увеличения опорной площади, уменьшения напряжений смятия и предохранения деталей от задиров. Стальные шайбыцилиндрической формы (рис.1.20,а),согласно стандартам, изготовляют двух исполнений (без фасок и с одной наружной фаской) и двух классов точности А и С. Кроме того, стандартизованы шайбыувеличенные и уменьшенные, шайбы стопорные с внутренними и наружными зубьями, шайбыкосые (для соединения деталей, имеющих уклон), шайбы упорные быстросъемные, шайбы к высокопрочным болтам, шайбы пружинные (рис.1.20, б) и др. Для предотвращения изгиба стержня болта или шпильки и перекоса опорных поверхностей применяют сферические шайбы.

Рис. 1.20. Стандартные шайбы цилиндрической формы и пружинные

Средства против самоотвинчивания резьбовых деталей.Все крепежные резьбы однозаходныеимеют 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 стопорения) применяют различные способы. Первый из них основан на том, что в резьбе создается дополнительное трениепутем установки контргайки (рис.1.21,а) или пружинной шайбы (рис.1.14, в), применения контргаек цангового типа, самоконтрящихся гаек и т.д. Заметим, что пружинные шайбы (см. рис.1.20, 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 соединенииболта и гайки с помощью специальных деталей, например, стандартного шплинта (рис. 1.21, 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. 1.21, в);жесткое соединение болтов иногда выполняют с помощью проволоки (рис. 1.21, 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).

Рис. 1.21. Способы стопорения резьбовых соединений