Различные виды резьбовых соединений в машиностроении

Типы разъемных соединений в машиностроении

В машиностроении используют разные типы разъемных соединений:

• Резьбовые
• Шпоночные
• Шлицевые
• Клиновые
• Штифтовые
• Профильные

Среди всех соединений наиболее популярными являются резьбовые.

Резьбовые соединения: определение и применение

Резьбовое соединение – это способ соединения частей изделия с использованием детали с резьбой.

Резьба состоит из чередующихся выступов и впадин на вращающейся поверхности, расположенных по спирали. В современных машинах детали с резьбой составляют более 60% от общего количества деталей.

Популярность резьбовых соединений в машиностроении объясняется их преимуществами: универсальностью, надежностью, компактностью и легким весом крепежных деталей, а также способностью воспринимать значительные осевые нагрузки и возможностью точного производства.

Резьбы производят двумя основными методами: пластической деформацией (например, на резьбонакатных станках) и резанием (на токарных, резьбонарезных, резьбофрезерных или резьбошлифовальных станках). Также резьбы могут изготавливаться отливкой или прессованием для таких материалов, как стекло, пластик и чугуны.

Примечательно, что накатка резьбы является высокопроизводительным методом, который позволяет создавать ряд стандартных деталей с наружной резьбой. Накатанная резьба прочнее нарезанной, так как не нарушает структуру металла, а лишь сжимает поверхность.

Все ключевые параметры резьбы, включая диаметры стержней и отверстий, а также стандартные метки для левой резьбы, стандартизированы.

Геометрические параметры резьбы

Основные геометрические параметры резьбы:

• Наружный диаметр – d, D
• Внутренний диаметр – d₁, D₁
• Средний диаметр – d₂, D₂ (диаметр вымышленного цилиндра, где толщина витка равна ширине впадины)
• Шаг резьбы – р (расстояние между соседними одноимёнными боковыми сторонами профиля вдоль оси резьбы)
• Число заходов – n (заходность резьбы определяется по числу витков на торце винта)
• Угол подъема резьбы – угол между касательной к винтовой линии и плоскостью, перпендикулярной оси резьбы

Диаметр, который характеризует размер резьбы, называется номинальным. Обычно в качестве номинального диаметра выбирается наружный.

Классификация резьб

Резьбы можно классифицировать по различным критериям. По форме профиля они бывают треугольными, трапецеидальными, упорными, прямоугольными, круглыми и другими; по форме поверхности – цилиндрическими и коническими; по расположению – наружными и внутренними.

По количеству заходов различают однозаходные и многозаходные резьбы, по направлению заходов – правые и левые, по величине шага – с крупным или мелким шагом, а по назначению – крепежные, крепежно-уплотнительные, ходовые и специальные.

Крепежные резьбы, такие как метрические и дюймовые, предназначены для соединения деталей, тогда как крепежно-уплотнительные (трубные, конические) применяются в соединениях, требующих прочности и герметичности.

Ходовые резьбы, как трапецеидальная и упорная, служат для передачи движения и используются в системах винт/гайка. Специальные резьбы, такие как круглая, окулярная и часовая, имеют особое назначение. Большинство резьб, используемых в нашей стране, стандартизированы.

Метрическая и дюймовая резьба

Наиболее широко используются в машиностроении соединения с метрической или дюймовой резьбой.

Форма, размеры, диаметры и шаги метрической резьбы регулируются стандартами. Также существует стандартизация для метрической резьбы в приборостроении, конической метрической резьбы и для резьбы в пластиковых деталях.

Метрическая резьба имеет профиль в виде равностороннего треугольника, где вершины профиля срезаны, а впадины имеют закругления для снижения напряжений и увеличения износостойкости инструмента. Форма впадины резьбы может быть круглой или плоской, а радиальный зазор в резьбе делает её негерметичной.

В стандарте метрические резьбы делятся на резьбы с крупным и мелким шагом. При одном и том же номинальном диаметре может быть один крупный и несколько мелких шагов. Например, резьба с номинальным диаметром 20 мм может иметь крупный шаг 2,5 мм и пять мелких шагов: 2, 1,5, 1, 0,75, 0,5 мм. Мелкие шаги понижают высоту профиля и меньше ослабляют деталь.

Эти резьбы имеют меньшие углы подъема и повышенное самоторможение, что позволяет использовать их для соединения тонких деталей под динамическими нагрузками. В машиностроении находит применение в основном метрическая резьба с крупным шагом, поскольку она менее чувствительна к ошибкам и износу.

Обычно крепежные резьбовые детали имеют правую однозаходную резьбу, тогда как левая встречается редко. Допуски и посадки метрических резьб стандартизированы. Согласно стандартам, точность обозначается полем допуска среднего, наружного (для болтов) или внутреннего (для гаек) диаметра. Цифра обозначает степень точности, а буква – основное отклонение.

Поля допусков организованы в три класса точности: точный (для прецизионных резьб), средний (для общего применения) и грубый (при невозможности достижения большей точности). Для среднего класса предпочтительные поля допусков: 6H  (для гаек) и 6g  (для болтов), что обеспечивает зазор 6H/6gс. Также предусмотрены переходные и натяжные посадки.

Дюймовая резьба имеет треугольный профиль с углом 55°, номинальный диаметр записывается в дюймах (1″ = 25,4 мм), а шаг считается количеством витков на дюйм. Дюймовая резьба используется, например, в Великобритании и США и требуется в основном для ремонта импортных машин. Новые конструкции с дюймовой резьбой не создают, а стандарт на неё отменён.

В России стандартизированы трубные цилиндрическая и коническая резьбы (с углом профиля 55°) и коническая дюймовая (с углом 60°). Эти резьбы применяются в трубопроводах и служат для крепежно-уплотнительных целей.

Специальные виды резьб

Профиль трапецеидальной резьбы имеет форму равнобокой трапеции с углом 30° между боковыми сторонами. Основные размеры и допуски трапецеидальных резьб стандартизованы и предусматриваются резьбы с крупным, средним и мелким шагами.

Упорная резьба имеет профиль в виде неравнобокой трапеции с углами наклона боковых сторон 3° и 30° к прямой, перпендикулярной оси резьбы. Основные размеры и допуски упорной резьбы для диаметров от 10 до 600 мм также регламентированы. Стандартизована упорная резьба для диаметров от 80 до 2000 мм, где один бок наклонен под углом 45°.

Трапецеидальная и упорная резьбы являются ходовыми и используются в системах винт/гайка. Так, например, трапецеидальная резьба актуальна для ходовых винтов токарных станков, в то время как упорная используется для односторонней нагрузки, как в грузовых винтах домкратов и прессов, принимая силы с боковой, имеющей угол наклона 3°.

Трапецеидальную и упорную резьбы можно нарезать на резьбофрезерных и токарных станках, а их окончательная обработка производится на резьбошлифовальных станках.

Прямоугольная резьба не стандартизирована и применяется в ограниченных ситуациях. Она имеет высокий КПД, но меньше прочность по сравнению с другими видами резьбы и несёт ограничения в обработке.

Прочность является основным критерием работоспособности крепежных резьбовых соединений.

Стандартные крепежные детали проектируются так, чтобы быть равнопрочными по параметрам: напряжениям среза и смятия в резьбе, напряжениям растяжения в нарезанной части стержня и месте перехода стержня в головку. Поэтому в расчетах для стандартных крепежных деталей основным критерием является прочность на растяжение, которая используется для расчета болтов, винтов и шпилек. Расчет резьбы на прочность является проверочным лишь для нестандартных деталей.

Расчет крепежных резьбовых соединений

Исследования показывают, что силы взаимодействия между витками винта и гайки распределены неравномерно. Реальное распределение нагрузки зависит от множества факторов, включая неточности производства, степень износа резьбы и материалы гайки и болта. В расчетах предполагается, что все витки нагружены поровну, а неточности компенсируются допустимыми напряжениями.

Пример незатянутого резьбового соединения – крепление крюка грузоподъемного механизма. Под действием силы тяжести груза Q стержень крюка испытывает растяжение. Опасным будет ослабленное сечение из-за нарезки. Статическая прочность стержня с резьбой (который подвержен напряжению) примерно на 10% выше, чем у гладкого стержня.

Поэтому расчет стержня с резьбой производится по расчетному диаметру, где р – шаг резьбы с номинальным диаметром d (который можно считать приближенно). По рассчитанному значению попирается стандартная крепежная резьба.

Пример затянутого болтового соединения – крепление крышки люка с прокладкой, где для герметичности необходима сила затяжки Q. Здесь стержень болта растягивается силой Q и закручивается моментом M_р в резьбе.

Пример затянутого болтового соединения, нагруженного внешней осевой силой, – крепление крышки работающего под давлением резервуара с двумя болтами. Для обеспечения герметичности важно избежать зазора между крышкой и резервуаром при приложении нагрузки R₂, что гарантирует закрытость стыка. Обозначим: Q – сила затяжки болтового соединения; R – внешняя сила на один болт; F – суммарная нагрузка на один болт (после применения внешней силы R).

При первоначальной затяжке болтового соединения силой Q болт растягивается, а соединяемые детали сжимаются. После приложения внешней осевой силы R болт ощущает дополнительное удлинение, что ведет к снижению затяжки. Таким образом, суммарная нагрузка на болт F < Q + R, и решать эту задачу с помощью статики невозможно.

Для упрощения расчетов можно считать, что часть внешней нагрузки R воспринимается болтом, а другая часть – соединяемыми деталями, при этом сила затяжки остается первоначальной. Получается, что F = Q + kR, где k – коэффициент внешней нагрузки, показывающий долю нагрузки, воспринимаемую болтом.

Открытие стыка произойдет, если часть внешнего давления, воспринятая деталями соединения, станет равной первоначальной силе затяжки. То есть при (1 – k)R = Q. Гарантии закрытия стыка достигается, когда Q = K(1 – k)R, где K – коэффициент затяжки; для постоянных нагрузок K варьируется между 1,25 и 2, а для переменных – между 1,5 и 4.

Валкуляция болтовых соединений при поперечной силе требует учета двух различных вариантов соединений. В первом варианте, когда болт вставлен с зазором, он работает на растяжение. Затяжка силой Q создает трение, которое уравновешивает внешнюю силу F, приходящуюся на один болт.

Для обеспечения минимальной силы затяжки, вычисленной согласно данной формуле, увеличивают её, умножая на коэффициент запаса сцепления K = 1,3… 1,5, таким образом, расчетная сила для болта равна Q_расч = 1,3Q. В этом варианте сила затяжки может превышать внешнюю силу до пяти раз, соответственно, диаметры болтов имеют большие размеры. Чтобы избежать такого, часто применяют разгрузку через шпонки или штифты.

Обычно болты, винты и шпильки делают из пластичных материалов, поэтому допускаемые напряжения для статической нагрузки определяют с учетом предела текучести материала. Значения допускаемого коэффициента запаса прочности [s] варьируются в зависимости от характера нагрузки (статической либо динамической), качества монтажа (контролируемой или не контролируемой затяжки), материала крепежных деталей (углеродистая или легированная сталь) и их номинальных диаметров.

Для статической нагрузки крепежных деталей из углеродистых сталей [s] = 1,5… 2 (для незатянутых соединений). Для затянутых соединений в грузоподъемном оборудовании [s] = 3…4, при контролируемой затяжке [s] = 1,3… 2, а при неконтролируемой затяжке для крепежных деталей диаметром свыше 16 мм [s] = 2,5… 3. Для стальных деталей с диаметром менее 16 мм верхние лимиты значений коэффициентов запаса прочности увеличиваются вдвое из-за возможности обрыва стержня при перетяжке.

Для крепежных деталей из легированных сталей (для более ответственных соединений) значения коэффициентов запаса прочности берутся примерно на 25% выше, чем для углеродистых сталей.

При переменной нагрузке значения коэффициентов запаса прочности рекомендуется принимать в пределах [s] = 2,5… 4, причем предел выносливости материала детали служит в качестве предельного напряжения.