Условие прочности на срез:

, (3.21)

где i – число площадок среза.

Рис. 3.11. Схема двухсрезного заклепочного соединения

Необходимое число заклепок с одной стороны от стыка:

. (3.22)

Расчет заклепок и листов на смятие (см. рис. 3.10). Площадь смятия

А_см = d₃ δ_min, (3.23)

где δ_min – минимальная толщина листа (толщина наиболее тонкого листа).

Условие прочности на смятие:

, (3.24)

где [σ_см] – допускаемое напряжение смятия;

[σ_см] = (0,4…0,5)σ_в;

σ_в – временное сопротивление материала детали.

Необходимое число заклепок из расчета на смятие соединяемых деталей:

. (3.25)

Расчет соединяемых листов на растяжение. Расчет проводится в сечении I – I, ослабленном отверстиями под заклепки (см. рис. 3.10).

Условие прочности:

, (3.26)

где δ_min – меньшая из толщин листов;

b – ширина листа;

z' – число заклепок в ряду.

При расчетах необходимо использовать справочники и рекомендации по определению шага заклепок t_рз и расстояния от заклепки до края листа l_кр.

Контрольные вопросы

1. Как называют подвижные соединения деталей?

2. По какому признаку соединения разделяют на разъемные и неразъемные?

3. Основные виды сварных соединений?

4. Как рассчитывают сварные соединения на прочность?

5. В чем преимущества и недостатки паяных соединений по сравнению со сварными?

6. В чем преимущества и недостатки клееных соединений по сравнению со сварными и паяными?

7. Как определяется площадь нахлесточных паяного и клееного соединений при расчете на прочность?

8. В чем преимущества и недостатки соединений с натягом?

9. Почему соединение температурным деформированием более надежно, чем запрессовкой?

10. Как обеспечивается свободная сборка деталей при соединении их температурным деформированием?

11. Где и почему сохранили применение клепаные соединения?

12. Как рассчитывают клепаные соединения на прочность?

3.2. Разъемные соединения

3.2.1. Резьбовые соединения

Резьбовые соединения являются наиболее используемыми разъемными соединениями. Можно в качестве примера отметить, что в современных машинах деталей, имеющих резьбу, по количеству больше, чем не имеющих таковую. Основные типы резьбовых соединений представлены на рис. 3.12. Принципиальной разницы между резьбами крепежных элементов соединений и винтовых передач скольжения не существует. Для винтовых передач стремятся выполнить устройства с максимальным КПД, для чего резьбу используют прямоугольного или трапецеидального профиля, часто многозаходную; гайки делают из антифрикционных материалов. Крепежные резьбы чаще всего бывают однозаходными треугольного профиля. Такой профиль обеспечивает высокую прочность и повышенное трение (малый КПД) в резьбе, что препятствует самоотвинчиванию. То есть к трению в резьбе или к КПД винтовой пары в ходовых и крепежных резьбах требования разные.

Достоинства резьбовых соединений заключаются в их универсальности, доступности, удобстве сборки-разборки и регулировке взаимного положения деталей, высокой нагрузочной способности и надежности; из-за массовости и технологичности детали резьбовых соединений дешевы.

Рис. 3.12. Типы и геометрические параметры крепежной (а – е) и ходовой (ж – и) резьбы: а – метрическая; б – дюймовая; в – трубная; г – круглая; д – метрическая коническая; е – трубная коническая; ж – прямоугольная; з – трапецеидальная; и – упорная

Единственным отмечаемым недостатком резьбовых соединений является существенная концентрация напряжений, снижающая прочность деталей при переменных нагрузках.

Изготовление резьбы производится накаткой на резьбонакатных станках, выдавливанием на тонкостенных изделиях, резанием на токарно-винторезных, резьбонарезных, резьбошлифовальных, резьбофрезерных станках, вручную плашками и метчиками, иногда отливкой или прессованием (пластмасса, стекло, чугун).

Рассмотрим основные геометрические параметры резьбы на примере наиболее распространенной метрической резьбы (см. рис. 3.12, а)

Основные размерные параметры резьбы:

d – номинальный диаметр резьбы, равный наружному диаметру винта;

d₂ – средний диаметр резьбы, на котором ширины профилей винта и гайки совпадают;

d₁ – внутренний диаметр резьбы винта;

Р – шаг резьбы;

n – число заходов резьбы;

P_h – ход резьбы, для однозаходной резьбы P_h = Р, для многозаходной

P_h = nP (ход резьбы равен осевому перемещению гайки за один оборот винта);

α – угол профиля резьбы;

γ – угол наклона боковой стороны профиля;

ψ – угол подъема резьбы по винтовой линии:

,

H = 0,866 P; H₁ = 0,541P; r = 0,144P.

В качестве крепежных применяются следующие типы резьб:

– метрическая с треугольным профилем (см. рис. 3.12, а) – основная крепежная резьба;

– дюймовая (см. рис. 3.12, б) с углом α = 55°, размерами в дюймах и шагом, выражаемым через число витков на один дюйм длины; в России она используется лишь при ремонте импортной техники;

– трубная (см. рис. 3.12, в) с углом α = 55°, имеющая закругленные выступы и впадины, что делает ее герметичной;

• круглая (см. рис. 3.12, г), известная, например, по цоколям электроламп; применяется при частых завинчиваниях и отвинчиваниях, а также в загрязненной среде;

• резьба для шурупов (рис. 3.13), отличающаяся тем, что ширина впадины Р больше толщины витка Р'; это вызвано стремлением к равнопрочности профилей резьбы на шурупе (сталь) и на материале, куда шуруп завинчивается (дерево, пластмасса и др.), гораздо менее прочном.

Метрическая резьба (см. рис. 3.12) имеет профиль в виде равностороннего треугольника: α = 60°, γ = 30°. Получила свое название потому, что все ее размеры измеряются в долях метра (миллиметрах). Вершины витков и впадин притуплены или выполнены по дуге, что уменьшает концентрацию напряжений, предохраняет от повреждений резьбу и удовлетворяет требованиям техники безопасности.

Рис. 3.13. Резьба винтов для дерева (шурупов)

Стандарт предусматривает метрические резьбы с крупным и мелким шагом. Основной является резьба с крупным шагом, так как она менее чувствительна к изнашиванию и неточностям изготовления. Мелкие резьбы отличаются от крупной коэффициентом измельчения, т. е. отношением крупного шага к соответствующему мелкому. Например, для диаметра d = 14 мм предусмотрена крупная резьба с шагом 2 мм и пять мелких резьб с шагами 1,5; 1,25; 1; 0,75; 0,5 мм. При уменьшении шага уменьшается высота резьбы и угол подъема резьбы ψ, а внутренний диаметр увеличивается (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Изменение параметров резьбы при уменьшении шага

Увеличение диаметра d₁ повышает прочность винта, а уменьшение угла ψ повышает трение в резьбе и самоторможение в соединении. Мелкие резьбы применяются для динамически нагруженных соединений, склонных к самоотвинчиванию, в тонкостенных и мелких деталях (автомобилестроение, авиация, точная механика).

Обозначения резьб

За основную крепежную резьбу принята метрическая резьба с крупным шагом. Метрическую резьбу обозначают буквой М и наружным диаметром резьбы; в мелких резьбах дополнительно указывают шаг резьбы.

Например, М20 – метрическая резьба с крупным шагом и наружным диаметром 20 мм; М20х1,5 – метрическая резьба с мелким шагом, равным 1,5 мм, наружным (номинальным) диаметром 20 мм.

Трубная резьба: G1 – цилиндрическая трубная резьба, размер – 1 дюйм.

В винтовых механизмах трение вредно, так как снижает КПД машины. Профили ходовых резьб (используемых в передачах винт-гайка) обеспечивают минимальное трение в резьбе. Минимальное трение возникает в резьбе прямоугольного профиля (см. рис. 3.12, ж), но основной резьбой для передачи винт-гайка является трапецеидальная резьба (см. рис. 3.12, з), более удобная в изготовлении и более прочная, чем прямоугольная. Для механизмов с большой односторонней осевой нагрузкой (домкраты, нажимные устройства) используется упорная резьба (см. рис. 3.12, и)

Обозначение трапецеидальной резьбы: Тr З0х4 – наружный диаметр 30 мм, шаг 4 мм.

Обозначение упорной резьбы: S30x4 – наружный диаметр резьбы 30 мм, шаг 4 мм.

Основные типы крепежных резьбовых соединений – это болтовое, винтовое и шпилечное (рис. 3.15). Деталями этих соединений являются болты, гайки, винты, шпильки и шайбы.

Рис. 3.15. Резьбовые соединения:

а – болтом; б – винтом; в – шпилькой

Болтовые соединения (см. рис. 3.15, а) наиболее просты и дешевы; они не требуют нарезания резьбы в соединяемых деталях. Однако они требуют места для размещения гайки и головки винта, доступа к ним ключом для захвата головки болта и гайки. Болтовое соединение тяжелее, чем винтовое и шпилечное.

Винтовое соединение (см. рис. 3.15, б) применяется при значительной толщине одной из соединяемых деталей или при невозможности разместить или захватить ключом гайку.

Шпилечное соединение (см. рис. 3.15, в) используют тогда, когда требуется частая разборка соединения, а конфигурация деталей не позволяет применить болты. Например, в чугунный или алюминиевый блок цилиндров двигателя завинчивают шпильки, а головку блока крепят гайками. При этом непрочный материал, куда вворачивается шпилька, не подвергается частым отвинчиваниям и завинчиваниям в резьбе.

Глубина завинчивания винта или шпильки l₁, (см. рис. 3.15, б) в тело чугунной детали принимается равной (1,25 ... 1,5) d, а алюминиевой – (2 ... 2,5) d.

Болты и крепежные винты (рис. 3.16) в зависимости от формы головок бывают с шестигранными (а), полукруглыми (б, е), потайными (г, д), цилиндрическими (в, ж) головками. Болты с шестигранной головкой (рис. 3.16, а) и винт с внутренним шестигранником (рис. 3.16, ж) позволяют получить большую затяжку, чем другие.

Рис. 3.16. Формы головок болтов и винтов:

а – шестигранная; б – полукруглая с шлицем; в – цилиндрическая;

г – потайная с шлицем; д – потайная с крестовым шлицем;

е – полукруглая с крестовым шлицем; ж – цилиндрическая с внутренним шестигранником

В качестве специальных болтов можно упомянуть болты откидные (рис. 3.17, а) и рым-болты (рис. 3.17, б). Первые служат для быстрого зажима и освобождения деталей, вторые – для подъема и транспортировки тяжелых деталей.

Установочные винты (рис. 3.18) служат для фиксации положения деталей, например муфт на валах.

Рис. 3.17. Специальные болты: а – откидной; б – рым-болт

Рис. 3.18. Установочные винты

Гайки (рис. 3.19) в зависимости от формы бывают шестигранные (а), круглые (б), прорезные и корончатые (в), гайки-барашки (г) для завинчивания без ключа.

Рис 3.19. Основные типы гаек:

а – шестигранные; б – круглая; в – прорезная и корончатая; г – гайка-барашек

Шайбы подкладываются под гайки или головки болтов для увеличения опорной площади, уменьшения смятия и задиров поверхности детали, предотвращения самоотвинчивания. На рис. 3.20 представлены шайбы стальные без фаски (а) и с фаской (б), а также шайба пружинная (шайба Гровера) (в).

Рис. 3.20. Шайбы:

а – обычная без фаски; б – обычная с фаской; в – пружинная

Для резьбовых соединений важным является стопорение против самоотвинчивания. Несмотря на то, что все крепежные резьбы самотормозящие (углы подъема резьбы у в несколько раз меньше, чем приведенный угол трения φ_пр), переменные нагрузки и вибрации способствуют самоотвинчиванию гаек и винтов.

Для стопорения резьбовых соединений разработано большое количество средств и методов, основные из которых следующие:

– установка пружинной шайбы (см. рис. 3.20, в) под гайку или головку винта; при этом острые края шайбы врезаются в тело гайки и детали, препятствуя самоотвинчиванию (для правой и левой резьб применяют разные пружинные шайбы); кроме того, осевое усилие от сжатой шайбы также предотвращает самоотвинчивание; заметим, что по разным причинам это не очень надежное средство стопорения;

– установка контргайки (рис. 3.21, а), создающей дополнительное трение в резьбе;

– жесткое соединение болта и гайки с помощью фиксирующих элементов – шплинтов, стопорных шайб, проволоки (рис. 3.21, б, в, г) и множества других;

• превращение резьбового соединения в неразъемное или условно неразъемное путем приварки, пайки, расклепывания, кернения, а также стопорения, соединения клеем, лаком, краской.

Стандартные крепежные резьбовые детали изготовляются из сталей 10, 20, 35 и др. Ответственные болты, винты, шпильки и гайки изготовляются из легированных сталей 40Х, ЗОХГСА и аналогичных.

Стальные винты, болты и шпильки изготовляют 12 классов прочности. Например, класс прочности 4.6 рекомендуется для деталей общего назначения; 6.6 – для деталей средней и 12.9 – высокой нагруженности. Первое число обозначения класса прочности, умноженное на 100, дает значение σ_в, МПа; произведение двух чисел, умноженное на 10, – σ_т, МПа.

Рис. 3.21. Способы предотвращения самоотвинчивания с помощью:

а – контргайки; б – шплинта; в – стандартной стопорной шайбы с лапкой; г – проволоки: 1 – контргайка; 2 – шплинт; 3 – стандартная стопорная шайба; 4 – проволока

Причины выхода из строя и критерии работоспособности

крепежных деталей

Выход из строя винтов, болтов и шпилек происходит вследствие:

– разрыва стержня по резьбе или переходному сечению под головкой болта;

– смятия, износа, среза резьбы;

– разрушения головки.

Прочность является основным критерием работоспособности крепежных деталей.