Детали машин





Резьбовые соединения



Классификация резьб

Соединение деталей с помощью резьбы является одним из старейших и наиболее распространенных видов разъемного соединения. Легко и просто обеспечивает сборку и разборку. Резьбовое соединение образуют две детали. У одной из них на наружной, а у другой на внутренней поверхности выполнены расположенные по винтовой поверхности выступы – соответственно наружная и внутренняя резьбы.
Резьбы формируют на цилиндрических или конических поверхностях. Наибольшее распространение имеют цилиндрические резьбы.

Резьбы классифицируют по различным признакам:

По направлению винтовой линии: правая, левая.
По форме профиля: треугольная, трапецеидальная, прямоугольная, круглая, упорная, метрическая, дюймовая.
По расположению на детали: внешняя, внутренняя.
По характеру поверхности: цилиндрическая, коническая.
По назначению: крепежная, крепежно-уплотняющая, ходовая (для передачи движения), специальная (в т. ч.: часовая, на пластмассовых деталях, окулярная, круглая для объективов микроскопов, круглая для светотехники).
По числу заходов: однозаходная, многозаходная.

***

Характеристика основных видов резьбы

Метрическая резьба

Метрическая резьба (рис. 1, а) является основным типом крепежной резьбы.
Профиль резьбы установлен ГОСТ 9150–81 и представляет собой равносторонний треугольник с углом профиля α = 60°.
Профиль резьбы на стержне отличается от профиля резьбы в отверстии величиной притупления его вершин и впадин.
Основными параметрами метрической резьбы являются: номинальный диаметр – d(D) и шаг резьбы – Р, устанавливаемые ГОСТ 8724–81 в миллиметрах.

Классификация резьбовых соединений

Метрические резьбы бывают с крупным и мелким шагом.
Для каждого размера (диаметра) резьбы стандартом установлен номинальный шаг. Если резьба на изделии имеет шаг меньше номинального, то такая резьба считается мелкой, если шаг больше номинального - резьба крупная.
По ГОСТ 8724–81 каждому номинальному размеру резьбы с крупным шагом соответствует несколько мелких шагов.
Резьбы с мелким шагом применяются в тонкостенных соединениях для увеличения их герметичности, для осуществления регулировки в приборах точной механики и оптики, с целью увеличения сопротивляемости деталей самоотвинчиванию.

В случае, если диаметры и шаги резьб не могут удовлетворить функциональным и конструктивным требованиям, введен СТ СЭВ 183–75 «Резьба метрическая для приборостроения».
Если одному диаметру соответствует несколько значений шагов, то в первую очередь применяются большие шаги. Диаметры и шаги резьб, указанные в скобках, по возможности не применяются.

В случае применения конической метрической резьбы (рис. 1, ж) с конусностью 1:16 профиль резьбы, диаметры, шаги и основные размеры установлены ГОСТ 25229–82.
При соединении наружной конической резьбы с внутренней цилиндрической по ГОСТ 9150–81 должно обеспечиваться ввинчивание наружной конической резьбы на глубину не менее 0,8d.

Дюймовая резьба

Дюймовая резьба (рис. 1, б) относится к крепежной резьбе.
В настоящее время не существует стандарт, регламентирующий основные размеры дюймовой резьбы. Ранее существовавший ОСТ НКТП 1260 отменен, и применение дюймовой резьбы в новых разработках не допускается.
В СНГ ее применяют только для резьбовых деталей старых, а также импортных машин (Китай, США и др.).

Дюймовая резьба характеризуется тем, что имеет треугольный профиль с углом α = 55°, а диаметр измеряется в дюймах, шаг - числом ниток резьбы на длине в 1”. Эта резьба была стандартизована для наружных диаметров d= 3/16” - 4” и числом ниток на 1” от 28 до 3.
При обозначении дюймовой резьбы наружный диаметр указывают в дюймах.

Трубная цилиндрическая резьба

Трубную цилиндрическую резьбу (рис. 1, в) используют как крепежно-уплотняющую. В соответствии с ГОСТ 6367–81 трубная цилиндрическая резьба имеет профиль дюймовой резьбы, т.е. равнобедренный треугольник с углом α при вершине, равным 55°.
Для лучшего уплотнения резьбу выполняют с закругленным треугольным профилем без зазоров по выступам и впадинам. Условное обозначение резьбы дается по внутреннему диаметру (в дюймах) трубы, на которой она нарезана.

Резьба стандартизована для диаметров от 1/16” до 6” при числе шагов z от 28 до 11.
Номинальный размер резьбы условно отнесен к внутреннему диаметру трубы (к величине условного прохода). Так, резьба с номинальным диаметром 1 мм имеет диаметр условного прохода 25 мм, а наружный диаметр 33,249 мм.

Трубную резьбу применяют для соединения труб, а также тонкостенных деталей цилиндрической формы. Такого рода профиль (α = 55°) рекомендуют при повышенных требованиях к плотности (непроницаемости) трубных соединений.
Применяют трубную резьбу при соединении цилиндрической резьбы муфты с конической резьбой труб, так как в этом случае отпадает необходимость в различных уплотнениях.

Трубная коническая резьба

Трубную коническую резьбу (рис. 1, з) используют как крепежно-уплотняющую.
Параметры и размеры трубной конической резьбы определены ГОСТ 6211–81, в соответствии с которым профиль резьбы соответствует профилю дюймовой резьбы.
Резьба стандартизована для диаметров от 1/16” до 6” (в основной плоскости размеры резьбы соответствуют размерам трубной цилиндрической резьбы).

Нарезаются резьбы на конусе с углом конусности φ/2 = 1°47'24” (как и для метрической конической резьбы), что соответствует конусности 1:16.

Конические резьбы обеспечивают герметичность соединения резьбовых деталей без специальных уплотнений.
Применение конической резьбы позволяет резко уменьшить время (угол относительного поворота винта и гайки) завинчивания и отвинчивания, что часто имеет решающее значение для быстроразборных соединений.
Применяется резьба для резьбовых соединений топливных, масляных, водяных и воздушных трубопроводов машин и станков. Для возможности свертывания конических резьб с цилиндрическими, биссектриса угла профиля конусной резьбы по ГОСТ должна быть перпендикулярна оси.

Прямоугольная резьба

Прямоугольная резьба (рис. 1, д) относится к резьбам для передачи движений под нагрузкой. Она имеет прямоугольный или квадратный профиль, диаметр и шаг прямоугольной резьбы измеряют в миллиметрах.

Прямоугольная резьба не стандартизована и применяется сравнительно редко, так как наряду с преимуществами, заключающимися в более высоком коэффициенте полезного действия, чем у трапецеидальной резьбы, она менее прочна и сложнее в производстве. Ее заменяют трапецеидальной - более удобной в изготовлении.
Применяется при изготовлении винтов, домкратов и ходовых винтов.

Трапецеидальная резьба

Трапецеидальную резьбу (рис. 1, е) широко применяют в передачах винт-гайка. Она имеет симметричный трапецеидальный профиль с углом профиля α = 30°.
Для червяков червячных передач угол профиля α = 40°.

Основные размеры диаметров и шагов трапецеидальной однозаходной резьбы для диаметров от 10 до 640 мм устанавливают ГОСТ 9481–81. По сравнению с прямоугольной трапецеидальная резьба при одних и тех же габаритах имеет большую прочность, более технологична в изготовлении.
Трапецеидальная резьба применяется для преобразования вращательного движения в поступательное при значительных нагрузках и может быть одно- и многозаходной (ГОСТ 24738–81 и 24739–81), а также правой и левой.

Трапецеидальная резьба при использовании гайки, разъемной по осевой плоскости (например, у ходовых винтов станков), позволяет выбирать зазоры путем радиального сближения половин гайки при ее изнашивании.

Упорная резьба

Упорную резьбу (рис. 1, и) применяют в нажимных винтах с большой односторонней осевой нагрузкой.
Упорная резьба, стандартизованная ГОСТ 24737–81, имеет профиль неравнобокой трапеции, одна из сторон которой наклонена к вертикали под углом , т.е. рабочая сторона профиля, а другая – под углом 30°.

Форма профиля и значение диаметров шагов для упорной однозаходной резьбы устанавливает ГОСТ 10177–82. Резьба стандартизована для диаметров от 10 до 600 мм с шагом от 2 до 24 мм и применяется при больших односторонних усилиях, действующих в осевом направлении.

Закругление (см. размер е, рис. 1, и) повышает прочность винта.
Условное обозначение упорной резьбы для наружного диаметра 80 мм и шага 16 мм - S 80×16, т. е. аналогично обозначению трапецеидальной резьбы.

Круглая резьба

Круглая резьба (рис. 1, г) стандартизована. Профиль круглой резьбы образован дугами, связанными между собой участками прямой линии. Угол между сторонами профиля α = 30°.

Резьба применяется ограниченно: для водопроводной арматуры, в отдельных случаях для крюков подъемных кранов, а также в условиях воздействия агрессивной среды.

Многозаходная резьба

У однозаходной резьбы (рис. 2, а) шаг и ход резьбы одинаковые, при этом за один оборот винта гайка перемещается на величину шага. Если перемещение гайки за один оборот должно быть большим, то ход, а следовательно, и шаг однозаходного винта должны быть большими.
Чем больше шаг, тем глубже получается резьба (высота резьбы зависит от шага) и тем меньше будет внутренний диаметр винта. Винт с малым внутренним диаметром недостаточно прочен и не может передавать больших усилий.

классификация резьбовых соединений

Для усиления прочности винта, одновременно с увеличением хода, применяют многозаходную резьбу. В этом случае шаг, высота резьбы и ее внутренний диаметр соответствуют однозаходной, а ход резьбы во столько раз больше шага, сколько имеется заходов, например, у двухзаходной резьбы (рис. 2, б) ход вдвое больше ее шага, у трехзаходной (рис. 2, в) - втрое больше и т. д.

Пример удобства многозаходной резьбы – крышки на банках с консервированными овощами или соками. Легкий поворот руки на небольшой угол - и банка открыта. Следует, также, отметить, что на цилиндрах большого диаметра попасть в заход однозаходной резьбы очень сложно, и в этом случае проблему можно уменьшить при помощи многозаходной резьбы.

Чтобы проще было понять, что такое многозаходная резьба и для чего она нужна, следует вспомнить о таких параметрах резьбы, как ее шаг и ход.
Шаг резьбы (P) - это расстояние между соседними одноименными точками профиля в направлении, параллельном оси резьбы той же винтовой поверхности.
Ход резьбы (Ph) - расстояние, на которое переместится вдоль оси винт при одном полном его обороте в неподвижной гайке, т. е. шаг одной и той же винтовой линии резьбы.

Очевидно, что если резьба однозаходная, то ее шаг и ход равны между собой, поскольку за один оборот винта его стержень переместится вдоль оси на величину шага.

При конструировании каких-либо узлов или механизмов иногда возникает необходимость в увеличении хода винта. При однозаходной резьбе этого можно достичь увеличением ее шага, но здесь предел творчеству ограничивается внутренним диаметром резьбы, поскольку приходится увеличивать глубину нарезания. А с уменьшением диаметра уменьшается и прочность стержня винта (болта, шпильки).

Можно увеличить угол подъема резьбы, но при этом теряются многие ценные качества резьбового соединения. К тому же угол подъема резьбы увеличивать можно лишь в определенных пределах, иначе завернуть винт в гайку будет невозможно.

В таких случаях лучшее решение проблемы - многозаходная резьба, ход которой (по сравнению с однозаходной резьбой) кратен числу заходов, т. е. ход многозаходной резьбы равен произведению числа заходов на шаг резьбы. При этом диаметр резьбы и стержня болта не уменьшается.

Чтобы нагляднее понять принцип изготовления многозаходной резьбы, представьте, что на стержне винта резьба нарезается одновременно несколькими резцами, закрепленными в суппорте в один ряд вдоль оси винта. Каждый резец прорезает отдельную канавку, не соединяющуюся с соседними. Очевидно, что шаг винтовой линии, нарезаемой каждым резцом должен быть таким, чтобы он не пересек винтовую линию соседнего резца, т. е. увеличенным.
В результате получим многозаходную резьбу, количество ходов которой зависит от количества резцов.

Визуально многозаходную резьбу можно определить, если посмотреть на торец винта (болта, шпильки, гайки). В этом случае хорошо видно, сколько ниток резьбы берет свое начало с торца. У однозаходной резьбы (рис. 2, д) на торце винта или гайки виден только один конец витка, а у многозаходной (рис. 2, г) – два, три и больше.
Если продвигаться по спирали вдоль какого-нибудь витка многозаходной резьбы острым кончиком иглы или другого предмета, то вы никогда не попадете в канавку соседнего витка.
Технологически многозаходные резьбы существенно сложнее и, соответственно, дороже.

***



Достоинства и недостатки резьбовых соединений

Достоинства резьбовых соединений

Резьбовые соединения имеют ряд существенных достоинств, благодаря которым они занимают ведущее место среди всех других соединений деталей в современном машиностроении. К таким достоинствам можно отнести:

  • возможность многократной сборки-разборки;
  • удобство сборки-разборки;
  • высокая надёжность;
  • простота конструкции;
  • дешевизна (вследствие стандартизации);
  • технологичность;
  • возможность регулировки силы сжатия;
  • при небольшой силе на ключе создают значительные силы затяжки вследствие клинового действия резьбы и большого отношения длины L гаечного ключа к радиусу r резьбы (L/r ≈ 28). Так, сила затяжки винта М12 может составлять 20000 Н (около 2 тонн);
  • позволяют производить сборку деталей при различном взаимном их расположении.
Недостатки резьбовых соединений:
  • концентрация напряжений во впадинах резьбы;
  • низкая вибрационная стойкость (самоотвинчивание при вибрации).

***

Область применения резьбовых соединений

Резьбовые детали в виде винтов, болтов и шпилек с гайками применяют для крепежа – соединения нескольких деталей в одно целое. Роль гайки может выполнять корпусная деталь.

Примеры соединений с помощью резьбовых деталей:

  • соединение в одно целое отдельных секций мостов, подъемных кранов;
  • соединение нескольких сборочных единиц (редуктора и фланцевого электродвигателя; картера, блока цилиндров и головки блока в двигателе внутреннего сгорания; колеса с полуосью автомобиля);
  • соединение деталей (крышки и основания корпуса редуктора; крышек подшипников с корпусом коробки передач); крепление узлов и деталей на основании (редуктора на плите; плиты к полу цеха; резца в суппорте токарного станка).

Конические резьбы (рис. 1, ж, з) обеспечивают требуемую плотность (непроницаемость) соединения без каких-либо уплотнений - за счет радиального натяга. Их применяют для соединительной трубной арматуры, пробок, заглушек, штуцеров гидравлических систем, пресс-масленок.

Наряду с соединениями резьбовые детали применяют:

  • в передачах винт-гайка, служащих для преобразования вращательного движения в поступательное;
  • для регулирования осевых зазоров в подшипниках качения, регулирования конического зубчатого и червячного зацепления и др.

***

Основные геометрические параметры метрической резьбы

На рис.3 приведены основные геометрические параметры метрической резьбы – основной для крепежных изделий:

  • d – наружный диаметр наружной резьбы (номинальный диаметр резьбы);
  • d1 – внутренний диаметр наружной резьбы;
  • d2 – средний диаметр (ширина впадины равна ширине выступа);
  • d3 – внутренний диаметр наружной резьбы по впадине;
  • α – угол профиля;
  • Р – шаг;
  • Н – высота исходного треугольника:    H = 0,5Р√3;
  • Н1 – рабочая высота профиля:    Н1 = 5Н/8 = 0,541 Р;
  • D, D1 и D2 – соответственно наружный, внутренний и средний диаметры внутренней резьбы.
геометрические параметры резьбы

Поскольку угол подъема винтовой линии зависит от диаметра цилиндра (причем угол подъема больше на меньшем диаметре), то принято угол ψ подъема резьбы определять на среднем диаметре d2:

tgψ = nP/(πd2)

Резьба одного номинального диаметра может иметь разные шаги. Так, для резьбы М64 крупный шаг – 6мм, мелкие шаги – 4; 3; 2; 1,5; 1мм. Меньшему шагу соответствует больший внутренний диаметр d3. Для крепежных деталей желательно применять резьбы с крупным шагом.
Резьбы с мелким шагом меньше ослабляют деталь, их отличает повышенное самоторможение, так как при малом шаге угол подъема винтовой линии мал. Мелкие резьбы применяют в резьбовых соединениях, подверженных действию переменных нагрузок (крепление колеса автомобиля, свечи зажигания ДВС), а также в тонкостенных и мелких деталях, регулировочных устройствах (точная механика, приборы).

Обычно применяют предварительно затянутые резьбовые соединения. Первоначальной затяжкой создают давление на стыке соединяемых деталей, что обеспечивает необходимую жесткость соединения и плотность стыка.

***

Момент сопротивления в резьбе

Выявим соотношение между силой Tзат затяжки и моментом Tр сопротивления в резьбе:

Tр = 0,5Fзатd2 tg(ψ + φ1)

Из полученной зависимости следует, что момент сопротивления в резьбе тем больше, чем больше приведенный угол трения φ1= φ/cosγn т.е. Тр зависит от материала резьбовой пары и от угла γ наклона рабочей стороны профиля.
В метрической резьбе угол наклона профиля наибольший (γ = 30°), поэтому и момент сопротивления в резьбе – наибольший. Для крепежных резьб это не является недостатком, поскольку момент сопротивления в резьбе препятствует самоотвинчиванию.

Момент Тр сопротивления в резьбе скручивает стержень винта (создает касательные напряжения).

***

Момент трения на торце гайки

Контакт гайки с плоской опорной поверхностью корпуса ограничен кольцом с внутренним диаметром, равным диаметру d0 отверстия в корпусе под стержень винта, и наружным диаметром D, соответствующим границе фаски на опорной поверхности гайки.
Приближенно момент Tт трения на торце гайки определяют как произведение силы трения Fтр = Fзатfт на средний радиус Rср=(d0+D)/4 кольцевой поверхности:

Tm = FтрR = Fзатfm(d0 + D)/4,

здесь   fт – коэффициент трения на поверхности контакта.

В большинстве резьбовых соединений должна быть обеспечена стабильная работа без самоотвинчивания.

Условие самоторможения резьбы без учета трения на торце гайки по аналогии с наклонной плоскостью можно записать в виде:    ψ < φ1,
где:   ψ – угол подъема резьбы (1,5...3°);
φ1 – приведенный угол трения (при f = 0,1...0,3    φ1=6...16°).

Отсюда следует, что все крепежные резьбы - самотормозящие. Но это только при статическом действии нагрузок. При вибрациях φ1 уменьшается вследствие микроперемещений поверхностей трения, сминания микронеровностей на рабочих поверхностях резьбы, и резьбовая пара отвинчивается.
Поэтому на практике широко применяют различные способы стопорения, в которых используют:

  • дополнительное трение в резьбе или на торце гайки (пружинные шайбы, контргайки, фрикционные вставки в винты или гайки);
  • фиксирующие детали (шплинты, проволоку, стопорные шайбы с лапками);
  • приварку или пластическое деформирование (расклепывание, кернение);
  • пасты, лаки, краски, герметики и клеи.

***

Способы изготовления резьбы

Резьбы могут быть изготовлены:

  • нарезанием слесарным инструментом - метчиками, плашками (как вручную, так и на станках). Для нарезания наружной резьбы используют различные резцы, плашки, резьбовые гребенки и фрезы, а для внутренней резьбы – метчики. Этот метод применяют в индивидуальном производстве и при ремонтных работах;
  • нарезанием резцом на токарно-винторезном станке или на специальных болтонарезных станках;
  • фрезерованием на специальных резьбофрезерных станках. Применяют для нарезки винтов больших диаметров с повышенными требованиями к точности резьбы (ходовые и грузовые винты, резьбы на валах и т. д.);
  • накаткой на специальных резьбонакатных станках. Этим высокопроизводительным и дешевым способом изготовляют большинство резьб стандартных крепежных деталей (болты, винты и т. д.). Накатка существенно упрочняет резьбовые детали;
  • отливкой чугунных, пластмассовых, стеклянных деталей и деталей из цветных сплавов;
  • выдавливанием для тонкостенных деталей (например, из латуни).

Нарезание многозаходной резьбы любого профиля начинают так, как если бы требовалось нарезать однозаходную резьбу с шагом, равным длине хода. Нарезав первый виток на полный профиль, отводят резец поперечной подачей на себя и, давая ходовому винту обратный ход, возвращают суппорт в начальное положение.
Затем при неподвижном ходовом винте поворачивают деталь при двухзаходной резьбе - на половину оборота, при трехзаходной - на треть оборота и только после этого нарезают второй виток и т. д.

***

Расчет крепежных резьбовых соединений на прочность