Резьбовые соединения. 
Детали машин и основы конструирования

Общие сведения

Резьбовыми называются разъемные соединения деталей с помощью резьбы. Резьба образуется выполнением на поверхности детали винтовой канавки определенного профиля. В зависимости от формы базовой поверхности различают цилиндрические и конические резьбы, последние применяют редко, например в трубопроводной арматуре для обеспечения плотности соединения. По форме профиля винтовой канавки резьбы бывают треугольные, трапецеидальные, прямоугольные и круглые.

По назначению резьбы делятся на крепежные, служащие для соединения деталей, и ходовые, используемые для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот. При этом определяющими являются величина КПД пары винт—гайка и обеспечение самоторможения.

Рассмотрим силовые соотношения в паре винт—гайка при преобразовании вращательного движения в поступательное. Пусть элемент гайки, загруженный осевой силой F_a (рис. 19.1, а), движется под действием окружной силы F_t относительно винта с прямоугольной резьбой. Это движение аналогично движению тела вверх по наклонной плоскости. Соотношение между движущей силой F_t и силой сопротивления F_u для наклонной плоскости (рис. 19.1, в) с углом наклона |/ и коэффициентом трения f имеет вид F_t = F_a tg (у + ф), где ф — угол трения, ф = arctg (/).

Для винтовой пары КПД, аналогично КПД наклонной плоскости при движении тела вверх,.

В винтовой паре с треугольной резьбой (рис. 19.1, б) F_n > F_at поэтому сила трения больше и соответственно угол трения больше, чем в случае прямоугольной резьбы.

Рис. 19.1.

По аналогии с резьбой прямоугольного профиля можно записать для резьбы с углом профиля резьбы а.

где ср' = arctg (f) — приведенный угол трения; f = //cos (а/2) — приведенный коэффициент трения, учитывающий наклон профиля резьбы; / = 0,1…0,3 — коэффициент трения скольжения винтовой пары в зависимости от покрытия; а — угол профиля резьбы (для метрической резьбы, а = 60°).

Для винтовой пары возможным является и преобразование поступательного движения во вращательное. В этом случае сила F_a является движущей силой, а окружная сила F_t — силой сопротивления. По аналогии с движением тела по наклонной плоскости вниз получим.

При ф < ф' реализуется явление самоторможения, т. е. невозможность движения при наличии только осевой силы.

С увеличением угла, а растет ф', а следовательно, возрастает эффект самоторможения, при этом уменьшается вероятность отвинчивания под действием осевых сил. Вследствие этого в качестве крепежных применяются резьбы с большим углом, а — резьбы треугольного профиля (рис. 19.2, а, б), у которых угол подъема винтовой линии ф значительно меньше приведенного угла трения ф' даже при наличии в резьбе смазочного материала.

Основной крепежной резьбой является метрическая (рис. 19.2, а). Параметры резьбы стандартизированы. Номинальным диаметром считается наружный диаметр винта d. Для каждого диаметра стандартом предусматриваются резьбы с крупным и мелким шагом, например резьба с d = 6 мм может иметь крупный шаг и два мелких (рис. 19.3). Резьба с крупным шагом менее чувствительна к точности изготовления и износу. Мелкие резьбы имеют меньшую глубину нарезки, что увеличивает прочность тела винта, а меньший угол подъема винтовой линии повышает эффект самоторможения и уменьшает вероятность отвинчивания. Вследствие этого мелкие резьбы применяются для полых деталей, для динамически нагруженных деталей, для регулировки осевого положения, т. е. для получения минимального перемещения при определенном угле поворота.

б).

Рис. 19.2.

Трубная крепежная резьба (рис. 19.2, б) применяется в соединениях трубопроводов, она выполняется с мелким шагом, с плавными округлениями профиля и без радиальных зазоров для уменьшения утечек. Параметры трубной резьбы измеряются в дюймах; за основной размер принимается внутренний диаметр трубы. Коническая трубная резьба с.

конусностью базовой поверхности 1:16 обеспечивает высокую плотность соединения за счет деформации вершин резьбы при затяжке.

Резьбовые соединения являются самыми распространенными соединениями в ЛА благодаря технологичности и высокой надежности при передаче нагрузок разного характера. Например, в самолетах тяжелого класса число болтовых соединений достигает 200 тысяч на изделие.

Широкое применение резьбовых соединений привело к многообразию их конструктивных решений. Основные типы соединений с использованием резьбовых крепежных деталей показаны на рис. 19.4.

При использовании болта с гайкой (рис. 19.4, а) не требуется нарезание резьбы в соединяемых деталях, поэтому болтовое соединение применяется при частых сборках во избежание повреждения резьбы в соединяемых деталях, а также при соединении листовых деталей. Однако при такой конструкции необходимо обеспечить место для гайки и возможность подхода инструмента с двух сторон соединения.

Если нельзя поставить гайку со стороны соединяемой детали, в ней выполняется резьба и соединение деталей осуществляется с помощью винта (рис. 19.4, б). Винт отличается от болта тем, что исполнение резьбовой части винта позволяет ввинчивать его в резьбу детали по самую головку. В общем случае масса соединения винтом меньше массы болтового. Однако соединение винтом не может быть применено при малой прочности материала нижней детали и при малой длине резьбового участка в ней (при малой толщине).

Рис. 19.4.

При больших перегрузках и при повышенных температурах применяются в основном соединения при помощи шпилек (рис. 19.4, в). Соединения шпильками заменяют болтовые при частых сборках и при невозможности подхода инструмента для удержания гайки со стороны нижней детали, а также винтовые соединения при частых сборках, если нижняя деталь изготовлена из легкого сплава или пластмассы. Для повышения стойкости резьбовых отверстий в этих материалах, особенно при частых сборках, используются стальные резьбовые втулки (рис. 19.4, г).