Достоинства и недостатки резьбы и резьбовых соединений

РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Соединения деталей с помощью резьбы является одним из старейших и наиболее распространенных видов разъемных соединений. К ним относятся соединения с помощью болтов, винтов, шпилек, винтовых стяжек и т.д.

 

Резьба

Общие сведения

Резьбой называют выступы, образованные на основной поверхности винтов или гаек и расположенные по винтовой линии.

По форме основной поверхности различают цилиндрические и конические резьбы (рисунок 5.1). Наиболее распространена цилиндрическая резьба (например, метрическая резьба М 16), коническую резьбу (например, коническая дюймовая резьба К³/₈″) применяют для плотных соединений труб, масленок пробок и т.п.

Рисунок 5.1 – Цилиндрическая и коническая резьбы

 

Профиль резьбы – это контур, сечения резьбы в плоскости, проходящей через ось основной поверхности.

В зависимости от формы профиля резьбы делятся на 5 основных типов (рисунок 5.2):

1) Треугольные резьбы (рисунок 5.2, а). В зависимости от единиц измерения основных параметров резьбы в технике применяются метрические и дюймовые резьбы.

Метрическая резьба имеет угол профиля α=60°, основные размеры резьбы определяются ГОСТ 11708, ГОСТ 24705, ГОСТ 8724, ГОСТ 9150 и ISO 724:1993, единица измерения – мм.

Резьбы бывают с крупным (основным) и мелким шагом. Например, резьба М 16 – резьба с крупным шагом, для данного диаметра этот шаг равен 2 мм; резьба М 16´1 – резьба с мелким шагом равным 1 мм. Метрическая резьба применяется как основная крепежная резьба для неподвижного соединения деталей машин, в некоторых случаях, например, в механизмах приборов, может применяться как ходовая (для неподвижных соединений винт-гайка).

Дюймовая резьба имеет уголь профиля α=55°, основные размеры резьбы определяются в дюймах (1 дюйм (1") = 25,4 мм). Шаг резьбы определяется количеством ниток на дюйм. Данная резьба применяется в импортной технике. Мелкая дюймовая резьба с закругленными выступами и впадинами называется трубной, она стандартизована ГОСТ 11708, ГОСТ 6357, ГОСТ 6211.

 

 

Рисунок 5.2 – Формы профиля резьбы

 

2) Трапецеидальная резьба (рисунок 5.2, б). Ее профиль – равнобедренная трапеция с углом α=30°. Благодаря меньшему углу профиля КПД данной резьбы значительно выше, чем треугольной, поэтому трапецеидальную резьбу рекомендуется применять в подвижных соединениях. Особенно эффективно применение данной резьбы для передачи реверсивного движения. Основные параметры резьбы стандартизованы ГОСТ 11708, ГОСТ 9484, ГОСТ 9562, ГОСТ 24737, ГОСТ 24738, ГОСТ 24739. Резьба с наружным диаметром 60 мм и шагом 4 мм обозначается – Tr 60x4.

3) Упорная резьба (рисунок 5.2, в). Ее профиль – трапеция с рабочим углом α₁=3° и задним углом α₂=30°. Применяется взамен трапецеидальной резьбы при передаче больших односторонних нагрузок (например, в механизмах прессов и домкратов). Основные параметры резьбы определяются ГОСТ 11708, ГОСТ 10177, ГОСТ 25096. Также применяется усиленная упорная резьба с задним углом α₂=45°, параметры которой определены ГОСТ 13535. Резьба упорная с наружным диаметром 80 мм и шагом 6 мм обозначается У п 80х6.

4) Прямоугольная резьба (рисунок 5.2, г). Ее профиль – квадрат, т.е. углы профиля α₁= α₂ =0°. Следовательно, данная резьба, по сравнению с вышеизложенными типами резьб имеет самый высокий КПД. При этом резьба имеет пониженную прочность и износостойкость. При износе резьбы появляются зазоры, которые трудно удалить, поэтому данная резьба применяется в малонагруженных передачах; там, где это, возможно, вытесняется трапецеидальной резьбой. Данный тип резьбы не стандартизован.

5) Круглая резьба (рисунок 5.2, г). Профиль образован двумя сопряженными прямыми отрезками. Применяется там, где нужна плотная резьба при эксплуатации в загрязненной среде. В общем машиностроении применяется редко. Не стандартизирована.

В зависимости от направления винтовой линии рéзьбы бывают правые и левые.

У правой резьбы винтовая линия поднимается слева-вверх-направо (закручивается по часовой стрелке), у левой - наоборот. Левая резьба имеет ограниченное применение.

В зависимости от числа заходов рéзьбы делятся на однозаходные и многозаходные. Заходность резьбы определяется количеством винтовых линий, навиваемых одновременно на цилиндр (как правило, все крепежные детали имеют однозаходную резьбу). Многозаходные резьбы применяются преимущественно в винтовых механизмах. Число заходов больше трех применяется редко.

В зависимости от назначения резьбы делятся на три основных вида (в соответствии с рисунком 5.3).

Рисунок 5.3 – Классификация резьб по назначению

 

Резьбовые соединения бывают подвижные и неподвижные.

В подвижных соединениях происходит относительное перемещение винта и гайки, и они применяются:

1) для передачи перемещения (ходовые винты в станках);

2) для передачи нагрузки (домкраты).

В неподвижных резьбовых соединениях перемещение винта и гайки происходит только при сборке. Неподвижные соединения применяют в качестве крепления.

 

Методы изготовления резьбы

1) Нарезкой вручную мечиками и плашками. Способ малопроизводительный, поэтому его применяют в индивидуальном производстве и при ремонтных работах.

2) Фрезерованием на специальных резьбофрезерных станках. Применяют для нарезки винтов больших диаметров с повышенными требованиями к точности резьбы (например, ходовые и грузовые резьбы на валах и т.д.).

3) Накаткой на специальных резьбонакатных станках-автоматах. Этим высокопроизводительным и дешевым способом изготавливают большинство резьб стандартных крепежных деталей. Накатка существенно упрочняет резьбовые детали.

4) Литьем на деталях из стекла, пластмассы, металлокерамики и др.

6) Выдавливанием на тонкостенных давленных и штампованных изделиях из жести, пластмассы и т.п.

 

Гаек по ГОСТ 1759-82

 

При выборе материала учитывают условия работы (температу­ру, коррозию и т. п.), значение и характер нагрузки (статическая или переменная), способ изготовления и объем производства. Напри­мер, стандартные крепежные изделия общего назначения изготовля­ют из низко- и среднеуглеродистых сталей типа сталь 10...сталь 35. Эти дешевые стали позволяют изготовлять большие партии болтов, винтов и гаек методом холодной высадки или штамповки с после­дующей накаткой резьбы. Легированные стали 35Х, 30ХГСА при­меняют для высоконагруженных деталей при переменных и удар­ных нагрузках, при высоких температурах, в агрессивных средах и пр.

Для повышения прочности, коррозионной стойкости и жаро­прочности применяют специальные виды термической и химико-термической обработки, а также нанесение гальванических и других покрытий, например улучшение, цинковое или кадмиевое хромиро­вание, хромовое или медное покрытие и пр.

В зависимости от механических характеристик материала для стандартных болтов, винтов и шпилек установлены 12 классов прочности.

Класс прочности обозначается двумя числами, между которыми ставят точку. Например: 3.6; 5.8; 12.9. Первое число, умноженное на 100, определяет минимальную величину предела прочности (σ_в; МПа) материала детали. Произведение этих двух чисел, умножен­ное на 10, определяет минимальную величину предела текучести (σ_т; МПа). Для стандартных гаек в диапазоне диаметров d=1...48 мм с размерами под ключ по ГОСТ 24671-84 и высотой более 0,8d установлено 7 классов прочности. Например: 4; 8; 10. Число, указы­вающее класс прочности гайки, определяет тот наибольший класс прочности винтов и шпилек, с которыми данная гайка может быть использована в соединении. Например, гайка класса прочности 8 может быть использована с винтами имеющими класс прочности 3.6, 5,8, 6.6, но не может использоваться с винтами класса прочности 9.8, 12.9.

Для низких гаек с высотой от 0,5d до 0,8d предусматриваются два класса прочности – 04 и 05. Цифра 0 указывает на то, что гайка низкая.

Теория винтовой пары

Если винт нагружен осевой силой F, то для завинчивания гайки к ключу необходимо приложить момент завинчивания Т_зав, а к стержню винта – реактивный момент Т_р, который удерживает стержень от вращения (см. рисунок 5.11). При этом можно записать:

Т_зав= Т_т + Т_р, (1)

где Т_т - момент сил трения на опорном торце гайки;

Т_р - момент сил трения в резьбе.

Данное равенство (1), также как и последующие зависимости, справедливо для любых пар болтов, винтов шпилек и винтовых механизмов.

Не допуская существенной погрешности, принимают приведенный радиус сил трения на опорном торце гайки равным среднему радиусу этого торца или D_ср/2. При этом

(2)

где D_ср = (D₁ + d_отв)/2; D₁ - наружный диаметр опорного торца гай­ки; d_отв- диаметр отверстия под винт; f - коэффициент трения на торце гайки.

Момент сил трения в резьбе определим, рассматривая гайку как ползун, поднимающийся по виткам резьбы, как по наклонной плос­кости (см. рисунок 5.12, а ). По известной теореме механики, учитывающей силы трения, ползун находится в равновесии, если равнодействующая F_nсистемы внешних сил отклонена от нормали n — nна угол трения φ. В нашем случае внешними являются осевая сила Fи окружная сила F_t = 2T_p/d₂. Здесь T_р - не реактивный, а активный момент со стороны ключа, равный T_зав -Т_т (см. формулу (1)).

Далее (рис. 5.12) или

(3)

где ψ— угол подъема резьбы; φ = arctg f_пр - угол трения в резьбе; f_пр - приведенный коэффициент трения в резьбе, учитывающий влияние угла профиля: f_пр = f /cosα, здесь α - угол профиля резьбы.

Подставляя значения моментов в формулу (1), найдем иско­мую зависимость:

(4)

 

При отвинчивании гайки окружная сила F_tи силы трения меняют на­правление (рис. 1.12, б ). При этом по­лучим:

(5)

 

 

Момент отвинчивания с учетом трения на торце гайки, п аналогии с формулой (4):

(6)

 

 

 

	Рисунок 5.12 – Модель работы резьбовой пары

Рисунок 5.11 – К определению

момента сил завинчивания

 

Полученные зависимости позволяют отметить:

1. По формуле (4) можно подсчитать осевой силы винта F к силе F_К, приложенной к ручке ключа, т.е. F/ F_К, которое дает выигрыш в силе. Для стандартных метрических резьб при стандартной длине ключа l»15d и f»0,15 F/ F_К = 70…80.

2. Стержень винта не только растягивается F, но и закручивается моментом Т_р.

 

 

РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Соединения деталей с помощью резьбы является одним из старейших и наиболее распространенных видов разъемных соединений. К ним относятся соединения с помощью болтов, винтов, шпилек, винтовых стяжек и т.д.

 

Резьба

Общие сведения

Резьбой называют выступы, образованные на основной поверхности винтов или гаек и расположенные по винтовой линии.

По форме основной поверхности различают цилиндрические и конические резьбы (рисунок 5.1). Наиболее распространена цилиндрическая резьба (например, метрическая резьба М 16), коническую резьбу (например, коническая дюймовая резьба К³/₈″) применяют для плотных соединений труб, масленок пробок и т.п.

Рисунок 5.1 – Цилиндрическая и коническая резьбы

 

Профиль резьбы – это контур, сечения резьбы в плоскости, проходящей через ось основной поверхности.

В зависимости от формы профиля резьбы делятся на 5 основных типов (рисунок 5.2):

1) Треугольные резьбы (рисунок 5.2, а). В зависимости от единиц измерения основных параметров резьбы в технике применяются метрические и дюймовые резьбы.

Метрическая резьба имеет угол профиля α=60°, основные размеры резьбы определяются ГОСТ 11708, ГОСТ 24705, ГОСТ 8724, ГОСТ 9150 и ISO 724:1993, единица измерения – мм.

Резьбы бывают с крупным (основным) и мелким шагом. Например, резьба М 16 – резьба с крупным шагом, для данного диаметра этот шаг равен 2 мм; резьба М 16´1 – резьба с мелким шагом равным 1 мм. Метрическая резьба применяется как основная крепежная резьба для неподвижного соединения деталей машин, в некоторых случаях, например, в механизмах приборов, может применяться как ходовая (для неподвижных соединений винт-гайка).

Дюймовая резьба имеет уголь профиля α=55°, основные размеры резьбы определяются в дюймах (1 дюйм (1") = 25,4 мм). Шаг резьбы определяется количеством ниток на дюйм. Данная резьба применяется в импортной технике. Мелкая дюймовая резьба с закругленными выступами и впадинами называется трубной, она стандартизована ГОСТ 11708, ГОСТ 6357, ГОСТ 6211.

 

 

Рисунок 5.2 – Формы профиля резьбы

 

2) Трапецеидальная резьба (рисунок 5.2, б). Ее профиль – равнобедренная трапеция с углом α=30°. Благодаря меньшему углу профиля КПД данной резьбы значительно выше, чем треугольной, поэтому трапецеидальную резьбу рекомендуется применять в подвижных соединениях. Особенно эффективно применение данной резьбы для передачи реверсивного движения. Основные параметры резьбы стандартизованы ГОСТ 11708, ГОСТ 9484, ГОСТ 9562, ГОСТ 24737, ГОСТ 24738, ГОСТ 24739. Резьба с наружным диаметром 60 мм и шагом 4 мм обозначается – Tr 60x4.

3) Упорная резьба (рисунок 5.2, в). Ее профиль – трапеция с рабочим углом α₁=3° и задним углом α₂=30°. Применяется взамен трапецеидальной резьбы при передаче больших односторонних нагрузок (например, в механизмах прессов и домкратов). Основные параметры резьбы определяются ГОСТ 11708, ГОСТ 10177, ГОСТ 25096. Также применяется усиленная упорная резьба с задним углом α₂=45°, параметры которой определены ГОСТ 13535. Резьба упорная с наружным диаметром 80 мм и шагом 6 мм обозначается У п 80х6.

4) Прямоугольная резьба (рисунок 5.2, г). Ее профиль – квадрат, т.е. углы профиля α₁= α₂ =0°. Следовательно, данная резьба, по сравнению с вышеизложенными типами резьб имеет самый высокий КПД. При этом резьба имеет пониженную прочность и износостойкость. При износе резьбы появляются зазоры, которые трудно удалить, поэтому данная резьба применяется в малонагруженных передачах; там, где это, возможно, вытесняется трапецеидальной резьбой. Данный тип резьбы не стандартизован.

5) Круглая резьба (рисунок 5.2, г). Профиль образован двумя сопряженными прямыми отрезками. Применяется там, где нужна плотная резьба при эксплуатации в загрязненной среде. В общем машиностроении применяется редко. Не стандартизирована.

В зависимости от направления винтовой линии рéзьбы бывают правые и левые.

У правой резьбы винтовая линия поднимается слева-вверх-направо (закручивается по часовой стрелке), у левой - наоборот. Левая резьба имеет ограниченное применение.

В зависимости от числа заходов рéзьбы делятся на однозаходные и многозаходные. Заходность резьбы определяется количеством винтовых линий, навиваемых одновременно на цилиндр (как правило, все крепежные детали имеют однозаходную резьбу). Многозаходные резьбы применяются преимущественно в винтовых механизмах. Число заходов больше трех применяется редко.

В зависимости от назначения резьбы делятся на три основных вида (в соответствии с рисунком 5.3).

Рисунок 5.3 – Классификация резьб по назначению

 

Резьбовые соединения бывают подвижные и неподвижные.

В подвижных соединениях происходит относительное перемещение винта и гайки, и они применяются:

1) для передачи перемещения (ходовые винты в станках);

2) для передачи нагрузки (домкраты).

В неподвижных резьбовых соединениях перемещение винта и гайки происходит только при сборке. Неподвижные соединения применяют в качестве крепления.

 

Методы изготовления резьбы

1) Нарезкой вручную мечиками и плашками. Способ малопроизводительный, поэтому его применяют в индивидуальном производстве и при ремонтных работах.

2) Фрезерованием на специальных резьбофрезерных станках. Применяют для нарезки винтов больших диаметров с повышенными требованиями к точности резьбы (например, ходовые и грузовые резьбы на валах и т.д.).

3) Накаткой на специальных резьбонакатных станках-автоматах. Этим высокопроизводительным и дешевым способом изготавливают большинство резьб стандартных крепежных деталей. Накатка существенно упрочняет резьбовые детали.

4) Литьем на деталях из стекла, пластмассы, металлокерамики и др.

6) Выдавливанием на тонкостенных давленных и штампованных изделиях из жести, пластмассы и т.п.

 

Достоинства и недостатки резьбы и резьбовых соединений

К достоинствам резьбовых соединений относят возможность создавать и передавать большие осевые нагрузки при малых движущих силах или моментах; простоту преобразования вращательного движения в поступательное; возможность образования самотормозящих и несамотормозящих, легко собираемых, разбираемых, взаимозаменяемых, неподвижных и подвижных компактных соединений; высокопроизводительную технологию изготовления резьбовых деталей.

Основными недостатками резьбовых соединений являются низкий КПД, неравномерность нагружения сопряженных витков и значительная концентрация напряжений в резьбовых деталях.