Разъемные соединения. 
Техническая механика

Резьбовые изделия классифицируют по следующим признакам: форме поверхности — цилиндрические и конические; профилю резьбы — треугольные, прямоугольные, трапецеидальные, круглые; направлению винтовой линии — правая и левая резьбы; числу заходов — однои многозаходные. Резьбовые крепежные соединения состоят из болтов, винтов, шпилек, гаек и шайб; зачастую внутреннюю резьбу выполняют непосредственно в детали.

Болт — это стержень с резьбой для гайки на одном конце и головкой на другом. Болты общего назначения классифицируют: по точности изготовления; по форме головки — с шестигранной головкой, с шестигранной головкой и отверстиями в ней, с полукруглой, полупотайной и потайной головками и шлицами для отверстий, с полукруглой, полупотайной и потайной головками и квадратным подголовком или усом; по форме конца стержня — с плоским концом, с конической фаской, с отверстием иод шплинт. Специальные болты бывают конусные (призонные), откидные, фундаментные.

Винт представляет собой стержень с резьбой на одном конце для ввинчивания в одну из скрепляемых деталей и головкой на другом. Винты бывают общего назначения, установочные с резьбой по всей длине стержня, специальные — например, грузовые или для крепления колес автомобиля, для крепления тонких листов.

Шуруп — это разновидность винта со специальной резьбой для дерева.

Шпилька — стержень с резьбой на обоих концах. Различают шпильки повышенной и нормальной точности, а также специальные: приварные и автотракторные для крепления колес.

Гайка — это деталь с резьбовым отверстием для навинчивания на болт или шпильку.

Гайки бывают различной точности изготовления. По форме гайки делят на шестигранные с одной или двумя фасками, шестигранные прорезные, шестигранные корончатые, круглые с прорезями для специального ключа, барашковые открытые и закрытые. По размеру они бывают нормальные и облегченные. Последние при том же размере резьбы имеют меньший размер под ключ. По высоте различают гайки нормальной высоты, низкие, высокие и особо высокие.

Промышленность выпускает также специальные гайки для крепления колес автомобилей, тракторов и закрытые (для герметизации резьбового соединения или из эстетических соображений).

Шайба — это деталь с отверстием для болта, винта или шпильки.

Подкладные круглые шайбы, устанавливаемые под головку винта или гайки, уменьшают смятие детали, изготовленной из менее прочного материала (например, алюминиевой головки блока дизеля), уменьшают износ детали при частом отвинчивании-завинчивании. Для уменьшения износа резьбы при частом отвинчивании-завинчивании рекомендуют смазывать резьбу и опорную поверхность гайки и головки винта. Это несущественно влияет на самоотвинчивание, но значительно уменьшает износ, особенно при эксплуатации резьбовых деталей в загрязненных условиях.

Пружинные шайбы (ГОСТ 6402—70) предохраняют соединение от самоотвинчивания при вибрации. Стопорные шайбы с отгибными лапками или носками также предохраняют гайки и винты от самоотвинчивания. Косые шайбы устанавливают в том случае, если опорная поверхность неперпендикулярна оси болта, винта или шпильки.

В машиностроении широко применяют треугольную метрическую резьбу, у которой стандартизированы (ГОСТ 9150—2002) наружный диаметр и шаг.

Материалы резьбовых изделий и допустимые напряжения. Для изготовления болтов, винтов, шпилек и гаек общего назначения используют стали СтЗ, Ст5,10,15, 20,30,35,45,40 Г, 35Х, 140Х, 38ХА, ЗОХГСА, 16ХСН, 35ХГСА, 40ХНМА. Шайбы изготавливают из сталей СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, 08, 10, 15, 20, 25, а пружинные шайбы — из сталей 65, 70, 75, 65 Г.

Выбор марки стали зависит от условий работы резьбового соединения. В отдельных случаях применяют титановые сплавы, сплавы цветных металлов, а для стопорения и герметизации используют пластмассы.

Резьбовые соединения при сборке могут иметь неконтролируемую и контролируемую затяжку, что следует учитывать при расчете, так как при неконтролируемой затяжке возможно перенапряжение и даже разрушение резьбовых деталей, особенно малых диаметров. Контролируемая затяжка имеет важное значение для плотных соединений с мягкими прокладками. Из-за малой величины остаточной затяжки может разрушиться мягкая прокладка и нарушиться герметичность соединения (гидроцилиндры) или же наступить отказ в работе механизма (прокладка головки блока дизеля).

Расчет резьбовых соединений. Напряжения в резьбе и теория винтовой пары: нагружение резьбовой детали внешней силой F (рис. 24.26) вызывает напряжения смятия а_см на поверхности резьбы, среза т_ср в витке и растяжения о_р в поперечном сечении нарезанной части, т. е. по диаметру впадин резьбы.

Стандартную метрическую резьбу проектируют с таким расчетом, чтобы она была равнопрочной по всем видам напряжений, т. е. о_см, т_ср и, а. Поэтому достаточно рассчитать резьбу по одному виду напряжений. Наиболее простым является расчет по напряжениям растяжения а_р, при котором сначала определяют диаметр впадин d_v а затем подбирают наружный диаметр d резьбы.

Рис. 24.26. Напряжения в резьбе.

Другие типы силовых резьб (прямоугольные, трапецеидальные) рассчитывают подобным образом. Исключение составляют ходовые резьбы, которые рассчитывают на износ. Если одна из деталей резьбовой пары изготовлена из материала меньшей прочности, то расчет выполняют для нее.

Из рис. 24.26 (справа) видно, что.

где F — осевая сила в резьбовой паре; F_t — окружная сила в резьбовой паре; i — угол подъема резьбы; ср — угол трения (угол между нормалью п — п и результирующей силой F_n.

Угол подъема резьбы.

где п — число заходов (для однозаходной резьбы п = 1); р — шаг резьбы, d₂ — средний диаметр резьбы.

Определим основные расчетные параметры. Средний диаметр резьбы равен.

где d — наружный (номинальный) диаметр резьбы; г/, — диаметр впадин резьбы.

Угол трения.

Приведенный коэффициент трения (для треугольной и трапецеидальной резьб).

где /—действительный коэффициент трения.

Вращающий момент на ключе при завинчивании

где T_v — момент сил трения на опорном торце гайки (на опорной поверхности головки винта); Т_{, — момент сил трения в резьбе.

Учитывая, что шаг р по сравнению с длиной окружности nd достаточно мал, для упрощения расчетов принимаем F_r = fF. Тогда момент сил трения па опорном торце.

где D — средний диаметр опорного торца.

Момент сил трения в резьбе.

Момент на ключе при завинчивании находят по соотношению.

которое является основным в теории винтовой пары.

Расчет незатянутого резьбового соединения. Примерами незатянутого резьбового соединения могут служить резьба болта подвески блока грузоподъемного механизма, резьбовой конец грузового крюка и т. д.

На резьбовой стержень такого соединения действует растягивающая нагрузка /', и условие прочности имеет вид.

Для проектного расчета формулу преобразуют:

В этой формуле сила F, например, является силой тяжести подвешенной массы груза.

После определения <7, подбирают наружный диаметр резьбы.

Расчет резьбового соединения при поперечной нагрузке. Здесь может быть рассмотрено два случая установки болта в отверстие: без зазора и с зазором. Если болт поставлен в отверстие без зазора, диаметр болта определяют при расчете на срез, а толщину скрепляемых деталей — при расчете на смятие.

Условие прочности на срез.

где d — диаметр стержня, мм; i —число плоскостей среза (рис. 24.27, i = 2). Из этой формулы для проектного расчета получаем

Рис. 24.27. Схема для расчета болта, поставленного в отверстие без зазора.

Условие прочности па смятие.

где 1г₂ — толщина внутренней детали (при h₂ < 2/z,).

Когда болт поставлен в отверстие с зазором, то сила предварительной затяжки F._m. должна препятствовать сдвигу соединяемых деталей. 11оперечная сила F воспринимается силами трения F .

Условие отсутствия сдвига деталей в стыке.

где i — число плоскостей трения.

Болт при затяжке испытывает нормальное напряжение растяжения ст_р и касательное напряжение т_кр от закручивания гайки.

Эквивалентное напряжение.

Для стандартных метрических резьб Формула для проверочного расчета.

Формула для проектного расчета.

Шпоночные и шлицевые соединения служат для передачи вращающего момента от вала к ступице или от ступицы к валу в зависимости от того, какая деталь является ведущей. Различают следующие основные типы шпонок: призматические обыкновенные, высокие и направляющие, сегментные, клиновые, наиболее распространены призматические обыкновенные шпонки. Шпонки изготовляют из углеродистых сталей с пределом прочности не менее 600 МПа.

При нагружении вращающим моментом Т призматическая шпонка испытывает напряжения смятия ст_см по боковым граням и среза т_ср по среднему сечению. Расчеты по этим напряжениям — проверочные. У стандартных шпонок размеры b и h подобраны так, что нагрузку соединения ограничивают не, но напряжению среза, а, но напряжению смятия. Условие прочности на смятие (рис. 24.28).

где h — высота шпонки; / — рабочая длина шпонки; Т — вращающий момент; d — диаметр вала.

Рис. 24.28. Шпоночные соединения

Под рабочей длиной шпонки понимают ее длину за вычетом скругленных концов.