Соединения. 
Прикладная механика

Основные понятия

В механизмах отдельные детали для выполнения своих функций определенным образом соединяются между собой, образуя подвижные и неподвижные соединения. Подвижные соединения, например соединение вала с корпусом, зацепление зубчатых колес, шарниры и т. п., допускают взаимное движение одной детали относительно другой. Таким образом, подвижные соединения образуют кинематические пары. Неподвижные соединения не допускают взаимного перемещения сопрягаемых деталей. В машиностроении термин «соединения» относят только к неподвижным соединениям.

По признаку разъемности соединения подразделяются на разъемные и неразъемные.

Разъемные соединения — такие, которые допускают сборку и разборку без повреждения материала деталей. К этому виду соединений относятся резьбовые, шпоночные, шлицевые, штифтовые, профильные и клеммовые. Можно выделить группу соединений типа вал-втулка, предназначенных для передачи крутящего момента. К ним относятся шпоночные, шлицевые, штифтовые и профильные соединения.

Неразъемные соединения — такие, которые невозможно разобрать без разрушения деталей. К ним относятся заклепочные, сварные, паяные, клеевые и соединения с натягом (прессовые).

Соединения являются ответственным элементом конструкций механизмов. Часто причиной отказов и разрушений механизмов является низкое качество соединений.

Резьбовые соединения

Наибольшее распространение имеют резьбовые соединения вследствие их универсальности, простоты изготовления, надежности, удобства сборки и разборки, полной взаимозаменяемости. Они широко используются во всех отраслях техники. Например, в самолете ИЛ-62 число резьбовых соединений составляет более 150 000.

Основные детали резьбовых соединений — болты, винты, гайки и шайбы.

Болт — это стержень с головкой 1 на одном конце и резьбой на другом, на который навинчивается гайка? (рис. 4.81, а).

Шайбы 2 подкладывают под головку болта или винта для увеличения опорной поверхности и снижения напряжений смятия при затяжке резьбового соединения; для предо;

Рис. 4.81.

хранения от повреждений защитных покрытий на соединяемых деталях; для обеспечения стопорения резьбовых соединений от самоотвинчивания. Болты применяют для соединения деталей относительно небольшой толщины, а также в том случае, когда материал деталей не обеспечивает требуемой надежности резьбы. При соединении болтами не требуется нарезать резьбу в соединяемых деталях.

Недостатки: в соединяемых деталях должно быть предусмотрено место для расположения головки болта и гайки. Поэтому масса болтового соединения несколько больше, чем соединения винтами.

Винт — это стержень с головкой на одном конце и резьбой на другом, которым он ввинчивается в резьбовое отверстие в одной из соединяемых деталей (рис. 4.81, б). Соединение винтами применяют при отсутствии места под гайку и в том случае, если одна из деталей имеет относительно большую толщину.

Шпильки 4 используют вместо винтов (рис. 4.81, в), когда материал соединяемой детали с резьбовым отверстием не обеспечивает требуемой прочности и надежности резьбы при частых сборках и разборках. Например, в деталях из алюминиевых сплавов. Их также применяют в конструкциях, подверженных действию переменных нагрузок, так как в шпильке 4 отсутствует концентратор напряжений в месте перехода от стержня к головке болта или винта.

Основным элементом резьбового соединения является резьба. Профиль резьбы определяется формой сечения витков в осевой плоскости. По назначению резьбы разделяют на крепежные, предназначенные для соединения деталей, и резьбы для ходовых механизмов. По направлению линии витков резьба может быть правой и левой, по числу заходов — однозаходной и многозаходной.

Основной крепежной резьбой является метрическая резьба треугольного профиля со срезанными вершинами и впадинами (рис. 4.82, а). Геометрические параметры резьбы: наружный d, средний d2 и внутренний d1 диаметры, шаг резьбы р, угол профиля а и число заходов п. Профиль резьбы также характеризуется высотой исходного треугольника резьбы Н и рабочей высотой профиля h. Номинальные диаметры d и d1 одинаковы для гайки и болта, зазорЕя образуются за счет предельных отклонений. Стандартом предусмотрена резьба с крупным и мелким шагом (р/3, р/4, р/5). Профили их геометрически подобны. Основной является.

Рис. 4.82.

резьба с крупным шагом. Резьба с мелким шагом имеет меньшую глубину и соответственно меньшую концентрацию напряжений. Применяют ее в конструкциях, подверженных динамическим нагрузкам, в малоразмерных и полых деталях.

Трубная резьба предназначена для герметичного соединения труб (рис. 4.82, б). Она имеет также треугольный профиль, по со скругленными вершинами и впадинами.

Круглая резьба (рис. 4.82, в) изготавливается накаткой и выдавливанием на тонкостенных металлических и пластмассовых деталях, а также литьем на чугунных, стеклянных, пластмассовых и других изделиях.

Трапецеидальная резьба используется в качестве основной резьбы для ходовых механизмов (рис. 4.82, г). Она имеет меньшие коэффициенты трения и соответственно выше коэффициент полезного действия механизма. В осевом сечении эта резьба имеет форму равнобедренной трапеции.

Упорная резьба применяется при действии больших односторонних нагрузок (механизмы прессов, домкратов и др.) (рис. 4.82, д). Она является разновидностью трапецеидальной резьбы со срезанной гранью с одной стороны.

Прямоугольная резьба (рис. 4.82, е) используется редко в винтовых механизмах, в настоящее время не стандартизована.

Стандартом установлены степени точности резьбы (табл. 4.25), которые назначают в зависимости от условий работы соединений. Точный класс применяют для прецезионных резьб в ходовых механизмах, предназначенных доя точных перемещений; средний класс — для ответственных резьбовых соединений. Изготавливают резьбу в массовом производстве накаткой. В результате пластического деформирования поверхностного слоя создаются остаточные напряжения сжатия и повышается прочность резьбовой детали. В единичном и мелкосерийном производстве резьбу нарезают вручную плашками на болтах и метчиками в гайках или на токарновинторезных станках.

Таблица 4.25

Стальные резьбовые детали изготавливают 12 классов прочности, которые обозначаются двумя цифрами (табл. 4.26).

Таблица 4.26

Примечание. Первое число в обозначении класса прочности, умноженное на 100, равно , второе, деленное на 10, соответствует приблизительно отношению .

В конструкциях, к которым предъявляются специальные требования по массе, теплостойкости, коррозионной стойкости и другим параметрам, в качестве материала резьбовых деталей используются титановые сплавы, коррозионно-стойкие и жаропрочные стали, пластмассы.

Все крепежные резьбы при стационарных нагрузках являются самотормозящимися, т. е. не самоотвинчиваются. Однако при случайных или систематических вибрациях, которым подвержены практически все механизмы, самоторможение не обеспечивается. Поэтому необходимо предохранять резьбовые соединения от самоотвинчивания, т. е. вводить их дополнительное стопорение. Осуществляется стопорение на двух принципах: повышением трения в резьбе и специальными фиксирующими элементами.

При затяжке контргайки (рис. 4.83, а) стержень болта растягивается и под действием сил упругости в резьбе создается дополнительное трение. Этот способ стопорения используется в основном в стационарных конструкциях, так как увеличивается масса соединения. Чаще для стопорения используют пружинные шайбы (рис. 4.83, б). Силы упругости шайбы при затягивании гайки создают силы трения в резьбе. Сцепление между гайкой и шайбой обеспечивается, кроме того, за счет врезания острых кромок шайбы в гайку. Недостатком этого способа является дополнительный изгиб стержня болта вследствие смещения осевой силы относительно центра болта. Для исключения изгиба болта используют шайбы стопорные с наружными или внутренними зубьями (рис. 4.83, в). В этом случае суммарная результирующая осевая сила от гайки действует на болт без осевого смещения и болт работает только на растяжение. Стопорение пружинными шайбами не является высоконадежным и используется в неответственных соединениях.

Рис. 4.83.

В авиаи транспортном машиностроении используют самоконтрящиеся гайки, в которых трение в резьбе возникает за счет радиального натяга. В верхней части гайка имеет прорези (рис. 4.83, г). После нарезания резьбы верхнюю часть гайки обжимают, уменьшая диаметр. Другая самоконтрящаяся гайка имеет внутри завальцованное полиамидное кольцо (рис. 4.83, д), в котором резьбу не нарезают, а она образуется при навинчивании гайки на болт.

Стопорение шплинтом (рис. 4.83, е) с корончатой гайкой используют в соединениях без контролируемой затяжки. Резьбовое соединение с контролируемой затяжкой при стопорении шплинтами может оказаться недотянутым или перетянутым, так как необходимо совместить прорезь в гайке с поперечным отверстием в стержне болта. Резьбовые детали, расположенные на краю корпуса, фиксируются стопорными шайбами (рис. 4.83, ж) с лапками. Одну лапку отгибают на край корпуса, а две других на грани гайки. Групповые резьбовые соединения можно стопорить специальными шайбами попарно (рис. 4.83, з) или обвязкой проволокой, пропущенной через отверстия с натяжкой в сторону завинчивания гайки (рис. 4.83, и). Соединения, не подвергающиеся разборке, можно стопорить пластическим деформированием (рис. 4.83, к). Резьбовые ненагруженные соединения стопорят с помощью краски, лака, клея.

Рассмотрим три наиболее распространенных случая нагружения болтовых соединений.

1. Болт поставлен в отверстие с зазором и нагружен осевой силой (рис. 4.84, а). Вся нагрузка воспринимается стержнем болта, работающим на растяжение:

Из условия прочности по допускаемым напряжениям ?? < [?| определяют внутренний диаметр резьбы болта:

Величина допускаемого напряжения для сталей принимается равной (0,2?0,4)?т при постоянной нагрузке и

Расчет болтовых соединений

Рис. 4.84.

при работе по отнулевому циклу (меньшие значения выбирают для болтов диаметром мм, бо? льшие при мм). Найденное значение диаметра согласуют со стандартным.

2. Болт поставлен в отверстие без зазора (призонный болт), и соединение нагружено поперечной силой (рис. 4.846). Диаметр стержня болта находят из условия прочности на срез:

откуда.

Здесь - допускаемое напряжение среза, МПа;  — предел текучести материала.

Технологические трудности изготовления таких соединений ограничивают область их применения. В основном их используют для соединений тонкостенных конструкций в авиа-и кораблестроении.

3. Болт установлен в отверстие с зазором, и соединение нагружено поперечной силой (рис. 4.84, в). Основным условием нормальной работы соединения является неподвижность стыка , где  — сила трения. Для создания силы трения резьбовое соединение должно быть затянуто. Сила предварительной затяжки определяется из условия , где  — коэффициент трения. Затянутое болтовое соединение работает на растяжение и кручение. Расчет ведется по эквивалентным напряжениям.

откуда внутренний диаметр резьбы болта.

Диаметр болта с предварительной затяжкой в 2−3 раза больше, чем призонного болта, а масса такого соединения в 4−5 раз выше.