книги из ГПНТБ / Биргер И.А. Резьбовые соединения

7. ВЫНОСЛИВОСТЬ ШПИЛЕК

Выносливость шпилек при осевом растяжении обычно больше, чем у болтов, так как у них нагрузка на первый виток не столь велика. Однако в большинстве конструкций завинченный в корпус конец шпильки оказывается в более напря-

женном состоянии, чем гаечный конец, из-за изгиба. Последний может возникнуть в конструкции как после монтажа соединения, так и при работе.

Для сравнительного исследования выносливости испытывали соединения шпилек из сталей 38ХА и 1Х17Н2 с накатанной резьбой MJ2 X 1,5, завинченных

1У0

Для гаечного конца. Последнее объясняется уменьшением концентрации напря­ жений в резьбе из-за «стесненного изгиба» витков, а для корпусов из АЛ5 — дополнительно влиянием материала корпуса.

Наибольший натяг в соединении не должен превышать 60 мкм для стальных соединений и 100 мкм для соединений стальных шпилек с корпусами из алюми­ ниевых сплавов.

Рис. 210. Способы установки шпилек

Отметим, что эффект стесненного изгиба при посадке на сбеге неодинаково проявляется для стального и алюминиевого корпусов, что связано с разной длиной посадочного участка.

Выносливость соединений при посадке на клее и с упором в дно резьбового

Супором в фаску

191

В статье Клейна [501 рассмотрен вопрос о распределении нагрузки по виткам резьбы шпилек после монтажа и при нагружении рабочей нагрузкой.

Наряду с усталостным разрушением шпилек на практике встречаются случаи разрушения и корпусных деталей. Дело в том, что картеры некоторых двигателей внутреннего сгорания (например, двигателя «Москвич-412» и др.), а также дру­ гих машин изготовляют из легких сплавов, обладающих невысокими механи­ ческими характеристиками (ае — 15-н 20 кгс/мм2). Максимальные растягиваю­ щие усилия в материале картера возле шпильки возникают в сечении / — / (рис. 211), где, кроме того, имеется еще большая нагрузка на виток. На рис. 211, а и б показаны соответственно распределение нагрузки по виткам и усилий, воспри­ нимаемых материалом картера в сечении / — / . Именно в этом сечении часто появляются трещины. Необходимо учесть, что наиболее эффективная в таких конструкциях посадка шпилек с натягом по среднему диаметру (причем натяг бывает значительным) создает зону растягивающих напряжений, неблагоприят­ ных для прочности материала картера.

Напряжение в сечении / — / можно уменьшить:

1)увеличением длины свинчивания;

2)предварительным нагружением шпильки (например, упором в дно);

3)увеличением длины отверстия под шпильку;

4)применением шпилек с засверленной полостью (с переменным поперечным сечением, см. рис. 209, а). Шпильки такого типа применялись на авиационных двигателях фирмы Юнкере для крепления корпуса коренного подшипника к кар­ теру из алюминиевого сплава.

8.ПОСАДКА ШПИЛЕК В ГЛАДКИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ОТВЕРСТИЯ

В некоторых конструкциях исключительно эффективным оказывается способ посадки шпилек в гладкие цилиндрические отверстия [14]. Этот способ посадки

в корпус *.

На рис. 213 и 214 показано влияние различных факторов на момент первого завинчивания шпильки. В табл. 53 приведены значения рекомендуемых диаметров

* Т а к а я т е х н о л о г и я д о п у с к а е т г р у п п о в о й м о н т а ж ш п и л е к .

** Накатывание внутренней резьбы раскатниками широко применяется в машино­ строении.

192

Отверстий и фасок в корпусах для посадки шпилек, а также даны значения момен­ тов завинчивания шпилек в корпуса из сплава АЛ9 при частоте вращения инстру­ мента и ~ 120 обімин и моментов,

случае воздух из полости под шпилькой стравливается в процессе монтажа по естественным зазорам в образуемом соединении, и давление в полости под шпиль­ кой при ее завинчивании на глубину I = 2d не превышает 0,2 ати.

мз,.

Соединение может быть разобрано, и при повторной сборке та же шпилька завинчивается в полученное при первой сборке резьбовое гнездо как цри посадке на тугой резьбе (с натягом по среднему диаметру резьбы). В табл. 54 приведены минимальные значения моментов вывинчивания шпилек после 1-го и 2-го завин­ чивания. Анализ показывает, что даже при 2-м вывинчивании стопорящие свой­

отверстия от номинального значения усилие, разрушающее резьбу соединения, уменьшается вследствие уменьшения перекрытия витков.

Однако рекомендуемая для обычных резьбовых соединений длина свинчива­ ния / = (1,6 ч- 2,0) d оказывается достаточной и для соединений при посадке шпилек в гладкие отверстия. Дальнейшее увеличение длины свинчивания не при­ водит к повышению несущей способности соединений, которая ограничена либо прочностью стержня шпильки на разрыв, либо прочностью витков резьбы корпуса на срез из-за наступления предельного пластического состояния.

Предел выносливости соединений (см. табл. 51) при посадке в гладкие отвер­ стия несколько ниже, чем при посадке на сбеге или тугой резьбе. Однако его значение достаточно высоко и превышает предел выносливости гаечного конца шпильки.

9. ВЛИЯНИЕ ИЗГИБА НА ВЫНОСЛИВОСТЬ РАСТЯНУТЫХ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В некоторых случаях стержень болта нагружен как растягивающими, так и изгибающими усилиями. Изгиб возникает в результате непараллельности опор­ ных плоскостей болта и гайки, внецентренного приложения внешних сил, а также деформаций деталей в процессе работы и т. д.

Перекос обычно регламентирован в виде допуска на торцевое биение, которое не должно превышать 0,01 диаметра головки болта или гайки. Такое биение соответствует перекосу головки болта (гайки) на 30—35'.

Следует отметить, что выносливость соединений при наличии изгиба сущест­ венно зависит от характера посадки болта в отверстие (с зазором или без зазора). Однако этот вопрос не изучался до сих пор. В технической литературе рассмот­ рены лишь случаи посадки болтов в отверстия с зазором.

Влияние изгиба на выносливость резьбовых соединений исследовалось Иллгнером и Беелихом [46J. Результаты опытов приведены в табл. 55. Откуда видно, что с увеличением угла перекоса предельная амплитуда напряжений снижается в большей степени для соединений с большей прочностью. Причем

194

55. Влияние изгиба на выносливость резьбовых соединений [46]

шайбой

195

при наличии изгиба может быть достигнуто только с помощью самоустанавливаю­ щихся гаек (со сферической подкладной шайбой). Исследования показали, что такие гайки могут успешно компенсировать перекос до а = 8° (рис. 215). Их применение оказывается совершенно необходимым для динамически нагруженных соединений при а ;> 2°.

Применение болтов из вязких материалов может лишь несколько улучшить условия работы соединений при а ^ 2°.

10. ВЫНОСЛИВОСТЬ ГОЛОВОК БОЛТОВ и СТЕРЖНЯ

Ѣ>

Следует отметить также, что опасным сечением галтели (переходного участка) является сечение малого диаметра (у перехода галтели в цилиндрическую часть стержня). Это было установлено в эксперименте и при анализе поломки болтов на изделиях. В отечественных конструкциях поэтому применяют галтели, очер­ ченные дугами двух-трех радиусов, и эллиптические галтели. Причем больший радиус находится на участке, примыкающем к цилиндрической части стержня.

На рис. 217 показана форма перехода, очерченная дугами трех радиусов для головки болта с резьбой 1", цифрой / обозначена головка, 2 — тело болта .Сплош­ ной линией показан переход сложной формы, штриховой — обычный радиусный,

* Совместно с Ж- А . Ардеевым

1Уо

[

размеры даны в дюймах [57]. Испытания показали, что долговечность соединений с такой формой перехода увеличилась более чем в 2 раза по сравнению с обыч­ ным радиусным переходом. Опорная площадь головки болта при этом не изме­ нилась.

На практике применение увеличенных радиусов закругления не всегда допускается по соображениям конструктивного и технологического характера (необходимость применения больших фасок и т. д).

а болт подвержен действию переменных нагрузок, следует применять упрочняю­ щую обработку переходного участка (например, обкатку роликом, алмазное выглаживание и др.).

Исследования [57] показали, что долговечность соединений после упрочняю­ щей обработки существенно возрастает.

Следует отметить, что у болтов со шлицевой головкой или с головкой, имею­ щей внутреннее шестигранное отверстие под ключ, усталостные трещины могут распространяться от места перехода до отверстия.

На рис. 218 показаны формы сопряжения головки болта со стержнем.

В двигателестроении применяют болты с конической головкой (рнс. 219). Такая головка уменьшает влияние внецентренности нагрузки, а также концен­ трацию напряжений в месте перехода к стержню; угол <р = 30 и 45°. Выносли­ вость соединений с коническими головками, так же как и с головкой уменьшенной жесткости, достаточно велика и может быть рекомендована для ответственных соединений 131].

На рис. 220 приведены формы сопряжения резьбовой и гладкой части болта. Проточки, показанные на рис. 220, обеспечивают удобный выход инструмента

и увеличивают податливость стержня болта.

197

Опыт показал, что для резьб малого диаметра диаметр проточки можно при­ нимать равным

d„ = (0,85-b0,9) dù

для резьб большего диаметра

d„ = (0,9 -ь 0,95) d,.

В том случае, когда сопряжение выполнено в виде сбега резьбы, следует длину резьбовой части увеличивать так, чтобы она распространялась под опор

ную поверхность гайки на 4—5 витков (рис. 221) Влияние формы сопряжения резьбовой и глад кой части на выносливость болтовых соединениі

исследовалось А. И. Якушевым [34] и М. П. Map ковцем |20]. Результаты этих исследований, приве­ денные в табл. 57, указывают на благоприятное влияние проточки на выносливость соединений.

Отметим, что влияние проточки не проявляется при испытаниях на статическую выносливость [20].

Некоторые примеры применения проточек в конструкциях резьбовых соединений показаны на рис. 222. На рис. 222, а изображено соединение с длинными проточками, обеспечивающими высо­

кую податливость болта (желательно длину проточек брать как можно боль­ шую), центральный участок стержня имеет полный диаметр и служит для фик­ сации болта и передачи сдвигающих усилий. Болт на рис. 222, б выполнен с на­ правляющими выступами, используемыми для точной фиксации положения оси болта у гайки и головки болта. Назначение выступов — уменьшение изгиба стержня при монтаже и в эксплуатации. Во избежание появления на выступах усталостных трещин от коррозии и для обеспечения осевых сдвигов соединяе­ мых деталей эти выступы делают узкими и иногда покрывают антикоррозион­ ными покрытиями. Такие выступы могут применяться для предотвращения боковых колебаний болтов, тогда они размещаются на одной третьей или поло­ вине расстояния между опорными торцами гайки и головки болта (31],

R=0,2d

в)

Рис. 222. Болты с проточками в резьбовых соединениях

На рис. 222, в показано болтовое соединение, нечувствительное к угловым взаимным сдвигам, оно применяется часто для присоединения шатуна. На рис. 222, г показана модификация предыдущей конструкции с использованием сжато-растянутой гайки и кольцевой упругой шайбы. На стержне имеется поясок для фиксации положения болта и передачи усилий сдвига.

Примеры конструктивного выполнения соединений содержатся также в ра­ боте Клейна [50].

В табл. 58 приведено сопоставление несущей способности и стоимости болтов различных типов.

198

57. Выносливость соединений со сбегом резьбы и с проточкой

аиз стали 4 0 Х Н М А — А. И. Якушевым (h — длина проточки).

58.Сопоставление несущей способности и стоимости болтов

Тип болта

Параметры

199