Повышение прочности сварных соединений

Прочность сварных соединений повышают конструктивными (рациональное расположе­ние швов относительно действующих сил, целесообразная форма швов) и технологиче­скими (защита шва от вредных воздействий при сварке, термическая обработка, упрочняю­щая обработка холодной пластической дефор­мацией) приемами. Конструктивные приемы повышения прочности приведены на рис. 74.

На видах 1-3 показано последовательное усиление узла приварки фланца, нагруженного крутящим моментом, путем увеличения диа­метра кольцевого шва. Сопротивление сдвигу (пропорциональное квадрату диаметра соеди­нения) в конструкции 2 при одинаковом сече­нии шва в 7 раз, а в конструкции 3 в 18 раз больше, чем в конструкции 1.

При правильной конструкции шва дополни­тельные крепления на резьбе (вид 4), посадках с натягом (вид 5) и др. излишни.

Целесообразно разгружать сварные швы, перенося восприятие нагрузок на участки це­лого материала и оставляя за сварными швами только функцию соединения деталей. Некоторые примеры разгрузки сварных швов показаны на видах 6, 7 (стержень, нагру­женный осевой силой) и на видах 8, 9 (упорный фланец).

В узле крепления крышки к обечайке цилин­дрического резервуара, нагруженного внутрен­ним давлением (вид 10), сварные швы крышки и обечайки подвергаются изгибу и сдвигу си­лами давления. В улучшенной конструкции 11 сварной шов обечайки разгружен заведением обечайки во фланец, а шов днища – зажатием днища между фланцами обечайки и днища.

Силовые швы следует нагружать предпочти­тельно на сдвиг и растяжение, устраняя изгиб.

Конструкция 12 приварного стержня нагру­женного поперечной силой Р, нецелесообразна.

Сила Р, повертывая стержень вокруг точки О, вызывает высокие напряжения растяжения в области, противоположной этой точке. Кро­ме того, шов подвергается сдвигу.

Несколько лучше конструкция 13, где стер­жень центрирован в гнезде детали, благодаря чему шов разгружен от сдвига. Однако опас­ное сечение стержня ослаблено сварным швом.

Рис. 74. Упрочнение сварных конструкций

В конструкции 14 изгиб и срез силой Р вос­принимают целые, не ослабленные сваркой се­чения стержня. Шов практически разгружен от действия силы и служит только для фиксации стержня в детали.

Шов приварной стенки (вид 15), изгибаемой силой Р, целесообразно разгрузить введением ребра (вид 16).

Изгиб стыкового шва (вид 17)можно устра­нить введением накладки (вид 18), швы кото­рой работают преимущественно на растяже­ние. Стыковой шов в этой конструкции рабо­тает на сжатие.

Стыковое соединение уголков (вид 19)недо­статочно прочное. Целесообразнее сваривать уголки по плоскости полок (вид 20)с усиле­нием (для тяжелых условий работы) косынка­ми (вид 21).

Косынки целесообразно приваривать не встык (вид 22), а внахлестку (вид 25).

Приварные ребра рекомендуется распола­гать так, чтобы они работали не на растяже­ние (вид 24), а на сжатие (вид 25), что практи­чески полностью разгружает сварные швы.

На видах 26-29 показано последовательное усиление листового соединения, нагруженного растягивающей силой Р и изгибающим мо­ментом М_изг.

Приварные листы, накладки, косынки и т. д. большой протяженности и малой толщины це­лесообразно, помимо обварки по контуру, со­единять с основной деталью точечной сваркой (вид 30)во избежание отставания листов при деформациях системы.

Косые швы соединения внахлестку (вид 31), подвергающиеся растяжению, испытывают до­полнительные нагрузки от сдвига вдоль линии шва. В уравновешенном соединении с двусто­ронним скосом (вид 32)швы разгружены от сдвига.

На видах 33-36 показаны конструкции узла сварки швеллеров. В соединении со швелле­ром, расположенным полками вверх (вид 33),верхние участки т вертикальных сварных швов подвергаются высоким напряжениям растя­жения от действия силы Р.

В конструкции со швеллером, располо­женным полками вниз (вид 34), силу восприни­мает горизонтальный шов п большой протя­женности; слабые конечные участки верти­кальных швов испытывают сжатие.

В конструкции с присоединением швеллера в шип (вид 35) сварные швы разгружены от из­гиба силой Р; изгибающий момент восприни­мают фланговые швы и поперечный шов t, ис­пытывающий сдвиг. На виде 36 изображено соединение, усиленное косынкой.

Следует избегать внецентренного приложе­ния сил, вызывающего изгиб шва.

Отбортованные швы в узлах, подвергаю­щихся растяжению (вид 37),испытывают из­гиб. Целесообразнее конструкции со стыковым швом (вид 38). В узле приварки днища к ци­линдрическому резервуару с отбортовкой (вид 39)сварной шов под действием внутреннего давления подвергается изгибу. Стыковой шов (вид 40)испытывает преимущественно растя­жение.

Следует избегать расположения сварных швов в зоне высоких напряжений.

В сварных балках, подвергающихся изгибу, целесообразно располагать швы не у полок (вид 41),а у нейтральной линии сечения (вид 42),где нормальные напряжения имеют на­именьшую величину.

В соединениях, подверженных действию ци­клических и динамических нагрузок, следует избегать расположения сварных швов на участках концентрации напряжений, например в переходах от одного сечения к другому (вид 43).Шов в этих условиях подвергается повы­шенным напряжениям. Кроме того, повышает­ся концентрация напряжений вследствие неод­нородности структуры шва.

Улучшенная конструкция приведена на ви­де 44.

Если вывести шов за пределы участка кон­центрации напряжений невозможно, то реко­мендуется применять вогнутые швы (вид 45) с глубоким проплавлением, достигаемым сваркой короткой дугой.

Профиль шва должен быть по возможности симметричен относительно действия нагрузок. В тавровых соединениях, подвергающихся рас­тяжению (вид 46), целесообразно применять двусторонние швы (вид 47). Соединения внах­лестку (вид 48)следует по возможности заме­нять стыковыми (вид 49). В стыковых соедине­ниях целесообразно применять двустороннюю разделку кромок (вид 51), так как в соедине­ниях с несимметричным швом (вид 50)проис­ходит искривление силового потока, сопрово­ждающееся концентрацией напряжений.

Сварные рамы

На рис. 75, 1-18 показаны способы сварки рам из уголков.

Наиболее употребительны соединения с расположением уголков вертикальными полками наружу, обеспечивающие гладкую наружную форму рамы (виды 1 – 6). Чаще всего применяют стыковое соединение со скосом кромок под углом 45° (вид 1). Значительно сложнее соединения с вязкой угла по вырезам в полках уголков (виды 2-4). На виде 5 показан способ вязки кромок со скруглением наружного угла соединения. Прочное соединение получается также при сгибе уголков по целой стенке с разрезкой полок и соединением их под углом 45° (вид б).

Расположение уголков вертикальными пол­ками внутрь (виды 7 – 12) ухудшает внешний вид рамы, но облегчает крепление диаго­нальных связей.

Чаще всего применяют стыковое соединение со скосом полок под углом 45° (вид 7), обычно в сочетании с усиливающими косынками (вид 8).

На видах 9, 10 показаны стыковые соедине­ния прямыми кромками. Соединение вида 10 можно усилить косынкой (вид 11); всоедине­нии вида 9 применить косынку нельзя.

На виде 12 показано соединение с вязкой кромок.

Способы вязки рам со смешанным располо­жением уголков (один уголок полкой внутрь, другой уголок полкой наружу) показаны на видах 13 – 18.

Диагональные связи в рамах с расположе­нием уголков вертикальными полками внутрь приваривают к стенкам уголков встык со ско­сом кромок под углом 90° (вид 19). Соедине­ние можно усилить косынкой (вид 20). Анало­гично крепят трубчатые связи (вид 21).

При расположении уголков вертикальными полками наружу диагональные связи крепят с помощью косынок (вид 22). Стыковое соеди­нение с фигурной вырезкой кромок (вид 23)не­технологично и менее прочно, чем соединение косынками.

Взамен диагональных связей нередко приме­няют угловые раскосы (вид 24). Подобно диа­гональным связям их легче приваривать при расположении уголков рамы вертикальными полками внутрь.

Перекрестное соединение диагональных свя­зей в центре рамы (виды 25-30) представляет известные затруднения, особенно если связи выполнены из несимметричных профилей (на­пример, из уголков).

Рис. 75. Сварка рам из профилей

Соединение целых уголков, сваренных по полкам (вид 25), просто и достаточно прочно, но отличается тем недостатком, что диаго­нальные уголки должны быть вдвое меньше по высоте полки, чем основные уголки рамы.

В конструкции 26 уголок f целый, уголок h разрезной. Уголки обращены полками в про­тивоположные стороны и приварены к косын­ке, расположенной между полками. Высота уголков в этой конструкции может быть рав­ной высоте основных уголков рамы минус толщина косынки.

В конструкции 27 целый уголок т и разрез­ной п обращены полками в одну сторону и приварены один к другому и к косынке. Диа­гональные уголки могут быть одинаковыми с основными уголками рамы; косынка высту­пает за плоскость рамы.

В конструкции 28 ребро уголка t вырезано под полку уголка v. Соединение по прочности уступает предыдущим двум соединениям. Вы­сота уголков может быть равной высоте ос­новных уголков рамы минус толщина полки.

В конструкции 29 гнутые уголки сварены один с другим полками. Здесь диагональные уголки могут быть одинаковыми с основными уголками рамы. Соединение можно усилить косынкой (вид 30).

На видах 31-33 показаны способы вязки рам из швеллеров с полками, обращенными внутрь, на видах 34-36 – наружу, на видах 37-39 – со смешанным расположением, на видах 40-42 – с полками, перпендикулярны­ми к плоскости рамы.

Способы перекрестного соединения диаго­нальных связей из швеллеров, расположенных «стоя», представлены на видах 43-45, «ле­жа» – на видах 46-48.

Сварные узлы ферм

В узлах соединения уголков рекомендуется избегать сварки уголков впритык (рис. 76, 1). Нахлесточное соединение (вид 2)с обваркой контура уголка прочнее и жестче. Целесоо­бразно перекрещивать полки уголков, перпен­дикулярные к плоскости соединения. Кон­струкции 4, 6 значительно жестче соединений 3, 5.

Во избежание появления в стержнях лишних изгибающих и крутящих моментов целесоо­бразно соединять элементы фермы так, чтобы линии центров изгиба сечений пересекались в одной точке (конструкции 7, 9 – непра­вильные; 8, 10 – правильные).

Желательно совмещать линии центров изги­ба также в поперечной плоскости. Соединение полками, обращенными в одну сторону (виды 11, 12), целесообразнее соединения полками, обращенными в разные стороны (виды 13, 14).

В последнем случае в результате смещения ли­ний центров изгиба в узле под нагрузкой воз­никает скручивающий момент.

Соединение полками в одну сторону ком­пактнее. В конструкциях 11, 12 ширина узла (в плоскости, перпендикулярной к плоскости чер­тежа) примерно вдвое меньше, чем в конструк­циях 13, 14. Однако в конструкциях 13, 14 узлы фермы в целом получаются пространственно более жесткими; наложение швов проще, вследствие чего эти конструкции широко при­меняют на практике.

Жесткость соединения повышают косынка­ми. Соединение с накладными косынками (вид 16)значительно прочнее и жестче, чем соеди­нение с косынками встык (вид 15).

На видах 11, 18 изображены примеры многолучевых соединений с накладными ко­сынками. Сравнительные преимущества и недо­статки соединений с полками, обращенными в одну сторону (вид 17)и в разные стороны (вид 18), такие же, как и для бескосыночных соединений (виды 11-14).

На видах 19-22 представлены примеры со­единения уголков в пространственных узлах.

В трубчатых фермах наиболее простое и надежное соединение – стыковое (виды 23, 24). Недостаток его – ограниченность числа труб, которые могут быть соединены в одном узле. Создание пространственных узлов воз­можно лишь при условии, что диаметр цен­тральной трубы значительно превышает диа­метр присоединяемых труб (вид 25).

 

Рис. 76. Сварные узлы ферм

Расплющивание присоединяемых труб (виды 26, 27)позволяет увеличить число соеди­няемых в узле труб (вид 28)и повышает жест­кость соединения (только в плоскости расплю­щивания).

При соединении труб различного диаметра трубу меньшего диаметра для увеличения жесткости узла развальцовывают на конус (виды 29,30).

Применяют также сварку в муфтах из цельных (виды 31-33) или сварных (вид 34) труб.

Чаше всего соединения труб усиливают косынками. Косынки приваривают встык (виды 35. 36);встык и впрорезь по одной из труб (виды 37, 38); впрорезь но всем соеди­няемым трубам (виды 39, 40).

Присоединение косынками впрорезь с раз­делкой концов труб в горячем состоянии «на ложку» (виды 41. 42) позволяет соединять в одном узле несколько труб и применяется в многолучевых узлах. Недостатки соедине­ния – малая жесткость в плоскости расположения косынок и трудоемкость операции раз­делки труб.

Для увеличения жесткости применяют двойные косынки (виды 43, 44). Расстояние ме­жду косынками (в направлении, перпендику­лярном к их плоскости) целесообразно выби­рать так, чтобы кромки смежных косынок можно было проварить одним швом т (вилы 45, 46).

Наиболее прочны и жестки U-образные косынки (виды 47, 48).

В тяжелонагруженных узлах применяют со­единение на штампованных накладках, ох­ватывающих присоединяемые трубы (виды 49, 50). Жесткость соединения можно повысить, придавая накладкам косынки, свариваемые точечной сваркой (виды 51. 52).

В многолучевых соединениях применяют приварку труб к звездообразным штамповкам с гнездами (вид 53) или цапфами (вид 54) под трубы. Многолучевые узлы соединяют также на сварных коробках: призматических (виды 55, 56),цилиндрических (вид 57) или сфериче­ских (вид 58). Последним способом можно со­единять трубы практически под любым про­странственным углом.

На видах 59-62 представлены примеры шарнирного соединения сварных труб в фер­менных узлах.

Таблица 13

Продолжение таблицы 13

Продолжение таблицы 13

Крепежные соединения

Виды крепежных соединений

В машиностроении применяют три ос­новных вида резьбовых крепежных соедине­ний: болтами с гайками; ввертными болтами (винтами);шпильками.

Соединение болтами применимо только при возможности выполнения сквозных отвер­стий в стягиваемых деталях. Монтаж болтов соединений не особенно удобен: требуется страховка болта от проворачивания при за­тяжке гайки. Желательна фиксация болта в осевом направлении при затяжке. При мон­таже приходится манипулировать двумя дета­лями – болтом и гайкой.

Соединение винтами приме­няют при глухом нарезном отверстии,когда невозможно применить болт с гайкой, или при сквозном нарезном отвер­стии,когда возможна установка болта только с одной стороны соединения. Винты по конструкции аналогичны болтам с навертной гайкой.

Деталь с нарезным отверстием должна быть выполнена из материала, который хорошо держит резьбу (например, стали, ковкого и вы­сокопрочного чугуна, титанового сплава, бронзы). В деталях из мягких сплавов (алюми­ниевых, магниевых, цинковых и т. д.) требуется введение промежуточных нарезных втулок из более твердого металла.

Нежелательно выполнение нарезных отвер­стий в деталях из серого чугуна для часто раз­бираемых соединений (резьба в сером чугуне склонна к выкрашиванию и быстро изнаши­вается), а также в деталях из коррозионно-стойких сталей (нарезание резьбы сопряжено с большими трудностями из-за вязкости спла­ва). При износе резьбы деталь с нарезным от­верстием выходит из строя, исправить ее мож­но только установкой нарезных втулок (если это допускает конструкция детали).

Соединение имеет определенное ограниче­ние по высоте стягиваемых деталей: осуще­ствить правильную затяжку длинных болтов затруднительно из-за неустранимого скручива­ния стержня болта при затяжке. При сборке и разборке манипулируют одной деталью – винтом, что представляет определенное преимущество перед болтовым соединением, где приходится манипулировать болтом и гайкой.

Соединение шпильками в основном приме­няют для деталей из мягких (алюминиевых и магниевых сплавов) или хрупких (серого чу­гуна) материалов, а также при глухих или сквозных нарезных отверстиях в случаях, когда невозможна установка винтов.

Ввертный конец шпильки устанавливают в нарезном гнезде наглухо и притом по боль­шей части с натягом. В этих условиях резьбо­вое соединение детали даже из мягких метал­лов получается достаточно надежным.

При срыве или повреждении резьбы деталь с нарезными отверстиями выходит из строя; исправить ее можно только установкой на­резных втулок. При обрыве шпильки удаление ввертного ее конца из гнезда затруднительно.

Сборка и разборка соединения имеет осо­бенности: детали можно соединять и разъеди­нять только в направлении, перпендикулярном к плоскости стыка, приподнимая снимаемую деталь на полную высоту шпилек. Этим со­единение существенно отличается от болтово­го соединения и соединения ввертными болта­ми, где возможен, при удаленных болтах, сдвиг деталей параллельно плоскости стыка. При сборке и разборке манипулируют одной деталью – гайкой.

Соединение шпильками вызывает опреде­ленные неудобства при сборке: выступающие концы шпилек затрудняют доступ к соседним деталям. Особенно ощущается этот недоста­ток в многошпилечных соединениях с «часто­колом» длинных шпилек.

Сравнивая различные типы крепежных со­единений с точки зрения компоновки, можно отметить как положительную особенность, что винты и шпильки допускают го­раздо большую свободу в выборе форм дета­лей, чем болты.

Соединение болтами требует на­личия фланцев, которые лимитируют размеры и определяют форму внешних контуров дета­лей.

Болты

Основные типы болтов представлены на рис. 77.

Рис. 77. Основные типы болтов

На рис. 94, I показан «жесткий» болт с диа­метром стержня, равным наружному диаметру резьбы. Эта форма сохранилась только для малонагруженных или коротких болтов. В от­ветственных случаях применяют «упругие» болты (рис. 94, II) с диаметром стержня d₀, уменьшенным по крайней мере до размера внутреннего диаметра резьбы, а то еще бо­лее – до 0,8 и даже до 0,7 номинального диа­метра резьбы.

Тонкие болты менее чувствительны к пере­косам, возникающим вследствие неперпенди­кулярности опорных поверхностей головки и гайки, а также непараллельности резьбового пояса относительно оси болта. Утоньшние стержня позволяет выполнять плавные пере­ходы между стержнем болта и нарезным по­ясом, а также между стержнем болта и голов­кой с одновременным увеличением сопротив­ления усталости болта. Это обусловливает повышенную сопротивляемость упругих бол­тов циклическим нагрузкам.

На участках, примыкающих к нарезному участку и головке, болты снабжают центри­рующими поясками (рис. 94, III-IV). Часто по­яски не делают (рис. 94, V), отчего повышается упругость болта и способность его самоуста­навливаться в отверстиях деталей.

Головки болтов обычно выполняют в виде шестигранника. Применяют и другие формы головки: с лысками под ключ,с внутренним шестигранни­ком, с треугольными шлицами. Головки с внутренним шестигранником ча­ще всего применяют в случае «утопленной» установки,когда габариты не по­зволяют использовать наружный ключ.

При затяжке гайки болт должен быть надежно зафиксирован от прово­рачивания. При сборке в положении, когда го­ловка болта находится внизу, необходимо, кроме того, придерживать болт от выпадения. Держать болт за головку ключом неудобно, а в некоторых случаях невозможно из-за огра­ниченных габаритов.

Способы фиксации болта от проворота по­казаны на рис. 78. Способ фиксации кониче­ским подголовником (рис. 78, I-III), осно­ванный на повышенном трении на конических опорных поверхностях, рекомендовать нельзя, так как фиксация получается нежесткой.

Способы жесткой фиксации показаны на рис. 78, IV-X. Шестигранные головки обычно фиксируют упором одной из граней в выступ в теле детали (рис. 78, IVа). На цилиндриче­ских деталях (типа фланцев) фиксация осу­ществляется упором в кольцевую заточку (рис. 78, IVб). На болтах с цилиндрической головкой для этой цели снимают лыски (рис. 100, V). Некоторые головки (рис. 100, VI, VII) выполняют с фиксирующей гранью, выне­сенной за пределы цилиндра головки.

На рис. 78, VIII –X показаны способы фиксации усиком, выполненным как одно це­лое с головкой болта; усик вводят в углубле­ние в теле детали.

Способы фиксации болтов, приведенные на рис. 78, VI – X, значительно дороже простых способов фиксации за грань или лыску, поэто­му их применяют только в специальных слу­чаях.

Способы фиксации болтов усиками под го­ловками (рис. 78, XI) или квадратными подго­ловниками (рис. 78, XII) в настоящее время не применяют из-за нетехнологичности (обра­ботка гнезд под подголовники затруднитель­на).

Рис. 78. Способы фиксации болта от проворота при затяжке

Следует предостеречь от ошибок, нередко допу­скаемых в конструкции фиксирующих элементов. При любом способе фиксации нельзя допускать вне-центренного приложения нагрузки к головке и осла­бления головки. Примеры ошибочных конструкций показаны на рис. 79. В конструкциях на рис. 79, I –III неизбежна внецентренная нагрузка из-за асимметричной формы опорной поверхности головки. Конструкция на рис. 79, IV резко ослабляет головку болта и, кроме того, вызывает внецентренную нагрузку из-за нарушения сплошности опорной поверхности.

Рис. 79. Ошибочные конструкции элементов, фиксирующих болт от проворота

Помимо фиксации от проворота, болты не­обходимо поддерживать в осевом направле­нии при затяжке. Осевая фиксация болта обязательна при механизированных способах сборки с затяжкой гаек гайковертами. Лучше всего предусматривать жесткую фиксацию болта в осевом направлении.

При затяжке длинных болтов следует преду­преждать скручивание болта моментом за­тяжки. Для этой цели на торце болта предус­матривают устройства под ключ или жестко фиксируют конец болта от проворота подкладной шайбой,захо­дящей в пазы на конце болта и в корпусе.

Сила затяжки имеет большое значение для работоспособности болтового соединения. Не­обходимую силу затяжки определяют расче­том или экспериментально. В ответственных соединениях затяжку контролируют динамо­метрическим ключом или измерением упругой деформации болта (способ более точный). В последнем случае в конструкции болта дол­жны быть предусмотрены средства, облегчаю­щие измерение: на торце болта и на головке делают сферические выступы, позволяющие измерять деформацию болта микрометром «в обхват», или предусматривают гнезда для закладки шариков при измерении.

На рис. 80 показаны некоторые типы нестандартных болтов.

В машинах и узлах, где по требованиям к габаритам или к внешнему виду нежелатель­но применение выступающих головок, часто устанавливают болты с цилиндрической го­ловкой с внутренним шестигранником или мелкими треугольными шлицами; головку утапливают в гнезде притягиваемой детали.

Для облегчения завертывания болтов с ци­линдрической головкой на начальных стадиях, когда болт идет «из-под руки», наружную по­верхность головки часто снабжают накаткой.

Ввертные болты

По конструкции ввертные болты весьма близки к болтам с навертными гайка­ми, хотя функционально как крепежные эле­менты они коренным образом отличаются от последних.

Большинство типов болтов, изображенных на рис. 80, можно использовать в каче­стве винтов.

При установке ввертных болтов желательно обеспечить свободу самоустанавливаемости головки относительно опорной поверхности. Это требование больше относится к ввертным болтам, чем к крепежным деталям других ви­дов: у болтов с гайкой больше возможности самоустановки, так как болт сопрягается со стягиваемыми деталями только кольцевыми опорными поверхностями головки и гайки; у длинных шпилек задача облегчается подат­ливостью стержня шпильки.

Рис. 80. Нестандартные болты:
I – с шестигранной головкой и увеличенной опорной поверхностью; II - сшестигранной полусферической головкой; III -с цилиндрической головкой и пазом под отвертку; IV – с цилиндрической головкой и двумя лысками; V – с цилиндрической головкой и двумя лысками на неполную высоту головки; VI и VII – с шести­гранной головкой и коническим подголовником; VIII и IX – с потайной конической головкой; X и XI – со сферической опорной поверхностью головки; XII – с шестигранной головкой и разгружающей выточкой; XIII – с шестигранной головкой, разгружающей выточкой и с центрирующим пояском; XIV – с шести­гранной головкой и шлицованным подголовником; XV – с полусферической головкой со шлицами «под ключ»; XVI и XVII – со шлицованной головкой; XVIII – с полусферической головкой и пазом под отвертку

Шпильки

На рис. 81 приведены основные конструк­ции шпилек. Конструкции жесткой шпильки (рис. 81, I) со стержнем диаметром, равным диаметру резьбы, применяются только для ко­ротких шпилек. К недостаткам такой шпильки можно отнести: жесткость, невыгодность по массе, затруднительность применения высокопроизводительных способов накатывания, фре­зерования и шлифования резьбы (для точных резьб) и т. д. Часто применяют облегченные шпильки (рис. 81, II, III) с уменьшенным диа­метром стержня, равным внутреннему диаме­тру резьбы или меньшим его (в среднем диа­метр стержня делают равным 0,6-0,8 наруж­ного диаметра резьбы). Их преимущества заключаются в равнопрочности шпильки в на­резной и гладкой частях, податливости, мень­шей массе, возможности применения высоко­производительных способов изготовления резь­бы и т. д.

Рис. 81. Конструктивные формы шпилек

Посадочный размер шпильки в корпус зави­сит от материала корпуса.

При ввертывании в корпуса из хрупких (се­рого чугуна) или мягких (алюминиевого, маг­ниевого, цинкового сплавов и т. д.) материа­лов применяют крупные резьбы (мини­мальный шаг резьбы 1,25 – 1,5 мм). Для на­вертного конца шпильки (под гайку) могут быть применены (для шпилек большого диа­метра) мелкие резьбы.

Во избежание ошибок при ввертывании шпилек в тех случаях, когда резьбы (и формы) ввертного и навертного концов шпилек одина­ковы, ввертной конец метят, на­пример закруглением его торца, углублениями и т.д. Лучше всего предупредить возможность ошибок кон­структивно: применением на ввертном и навертном концах резьб различного шага или диаметра.

Способ ввертывания шпилек существенно влияет на прочность соединения. Применяют три способа ввертывания шпилек в корпуса: с упором бурта шпильки в торец корпуса; с упором конца шпильки в днище или в последние витки нарез­ного отверстия корпуса; с торможением шпильки в отверстии применением посадок с натягом или самостопорящейся резьбы.

При ввертывании по первому способу в теле шпильки возникают растягивающие напряжения (максимальные у первых витков и уменьшающиеся по направлению к последним виткам). В материале корпуса создаются сжимающие напряжения с при­мерно таким же законом изменения вдоль оси со­единения. При предварительной затяжке такого со­единения в шпильке возникают дополнительные напряжения растяжения, а в корпусе – дополни­тельные напряжения сжатия (от действия притяги­ваемой детали). При нагружении соединения растя­гивающей силой в шпильке увеличиваются еще больше напряжения растяжения. Напряжения сжатия в корпусе уменьшаются в результате уменьшения силы прижатия детали и появления растягивающих напряжений.

При ввертывании шпильки по второму способу в теле шпильки возникают сжимающие напряжения (максимальные у конца шпильки и убывающие по направлению к первым виткам). В материале корпу­са создаются растягивающие напряжения с пример­но таким же законом изменения вдоль оси соедине­ния. При предварительной затяжке такого соедине­ния у первых витков шпильки создаются растяги­вающие напряжения; сжимающие напряжения у конца шпильки несколько уменьшаются. В мате­риале корпуса под действием притягиваемой детали возникают напряжения сжатия, а напряжения растя­жения у днища отверстия ослабевают.

При нагружении соединения рабочей растягиваю­щей силой напряжения растяжения у первых витков шпильки увеличиваются. Напряжения сжатия, воз­никшие в материале корпуса при предварительной затяжке, уменьшаются в результате отхода притяги­ваемой детали. Зато напряжения растяжения у дни­ща отверстия увеличиваются.

Следовательно, при первом способе ввертывания рабочие напряжения в шпильке больше, а рабочие напряжения в корпусе меньше, чем при втором спо­собе. Таким образом, первый способ более подходит для корпусов из низкоирочных материалов (алюми­ниевых и магниевых сплавов), второй способ – для корпусов из высокопрочных материалов (стали).

Поскольку шпильки применяют в основном в кор­пусах из легких сплавов, первый способ более рас­пространен, чем второй.

При третьем способе ввертывания ни в теле шпильки, ни в материале корпуса не возникает существенных дополнительных напряжений. Напряжения сжатия в теле шпильки и растяжения в материале корпуса, обязанные натягу в резьбе, при приме­няемых величинах натяга незначительны. Благодаря отсутствию дополнительных напряжений этот спо­соб наиболее выгоден по прочности.

Шпильки обычно завертывают «солдатика­ми», надеваемыми на навертный конец шпиль­ки. При этом возникает опасность скручивания длинных шпилек. Кроме того, «солдатики» вытягивают резьбу и поэтому не­приемлемы для точных резьб. В дополнение ко всему этот способ непроизводителен: на­вертывание и отвертывание «солдатика» зани­мает много времени. Лучше способ завертыва­ния за лыски или шестигранник,расположенные непосред­ственно у ввертного конца шпильки. Однако в таком случае приходится предусматривать в притягиваемой детали гнездо под завертный элемент, что усложняет ее механическую обра­ботку.

Наиболее приспособлен для механизирован­ной сборки способ завертывания шпильки за гладкий поясок, примыкающий к навертному или (лучше) к ввертному концу. Завертывание производится ключами (или шпильковертами) с эксцентри­ковыми зажимами или с самозатягивающими­ся роликами (по типу роликовых колес сво­бодного хода).

В этом случае на шпильках необходимо предусмотреть цилиндрические участки,дли­на которых должна быть согласована с разме­рами головки шпильковерта.

При ввертывании шпилек (особенно по по­садке с натягом) в глухие нарезные гнезда сле­дует учитывать, что в замкнутом пространстве гнезда воздух сжимается. Это явление может оказаться опасным, если учесть, что удельный объем воздуха резко возрастает от нагрева при сжатии. Известны случаи, когда бобышки гнезд разрывались под давлением сжатого в гнезде воздуха. В целях устранения этого явления в бобыш­ках выполняют отверстия для выхода воздуха. Иногда воздух выходит через канавки или отверстия в теле шпильки (при коротких шпиль­ках). Применение последних двух способов нежелательно, так как они ос­лабляют шпильки. Иногда увеличивают объем остающегося после завертывания шпильки глухого про­странства изменением глубины нарезного от­верстия или с помощью выборок в торце шпильки.

Соединения на шпильках, как и всякие резь­бовые соединения, подвергают при сборке предварительной затяжке, влияющей на рабо­тоспособность и герметичность узла. Силу предварительной затяжки определяют расче­том или экспериментально. Она зависит от материала стягиваемых деталей, соотношения податливости шпильки и стягиваемых деталей, условий работы стыка, требуемой степени его герметичности и, наконец, от рабочей темпера­туры соединения.

В ответственных соединениях силу предва­рительной затяжки строго контролируют. За­тяжку производят динамометрическими клю­чами. Регламентируют также порядок затяжки отдельных шпилек в многошпилечных соеди­нениях; затяжку обычно производят в два при­ема (предварительно и окончательно) с соблю­дением в каждом случае определенного поряд­ка затяжки.

При затяжке длинных податливых шпилек возникает опасность скручивания их момен­том сил трения в резьбе. При этом в теле шпильки возникают нежелательные, иногда значительные напряжения, причем динамоме­трическим ключом будет регистрироваться момент, скручивающий шпильку, а не сила затяжки.

При стопорении гаек «на корпус» следует учитывать еще одно явление: шпилька, скру­ченная при затяжке, с течением времени в ре­зультате вибраций, пульсации нагрузки и т. д. «отдает», ввертываясь в резьбу гайки, вслед­ствие чего первоначальная сила затяжки меняется.

У длинных податливых шпилек предусматри­вают средства, предупреждающие скручивание при затяжке: навертный конец шпильки снаб­жают пазом, четырехгранником, шестигранни­ком и т. д., за которые держат шпильку при затяжке. Сборка соединения при этом усложняется. Способ, при котором навертный конец шпильки постоянно зафикси­рован от проворота шайбой, в свою очередь, зафиксированной «на корпус»,совершеннее (но конструктивно сложнее).

Концы длинных шпилек после центрирования в корпусе часто отклоняются от своего номинально­го положения (иногда настолько, что не предста­вляется возможным надеть на них притягиваемую деталь). Сборщики прибегают в таких случаях к правке шпилек по месту – способу, который никак нельзя рекомендовать, потому что при этом в теле шпильки возникают дополнительные напряжения.

В поисках рационального решения исполь­зуют несколько путей: первый – соблюдение строгой перпен­дикулярности осей нарезных отверстий под шпильки относительно торца корпуса, то же – для отверстий под шпильки в притяги­ваемой детали; соблюдение строгой прямоли­нейности шпилек и параллельности среднего диаметра резьбы шпилек относительно оси шпилек; второй путь – увеличение податливости шпилек и применение посадок с зазором для резьбовых деталей (с последующим их стопорением каким-нибудь способом).

Винты

Винты со шлицем под обычную отвертку применяют только в ненагруженных соедине­ниях (в приборах и для крепления мелких де­талей, кронштейнов, скобок, хомутов, пласти­нок, панелей, листовых облицовок и т.д.). Главный их недостаток – невозможность си­ловой затяжки и затруднительность стопорения.

На рис. 82 представлены основные типы винтов под отвертку: с цилиндрической и цилиндросферической головкой (I, II); с полусфе­рической головкой (III); с конической, цилиндроконической и сфероконической головками (IV-VI). На рис. 82, VII-XII показ