72207

Виды соединений. Резьбовые соединения. Геометрические параметры резьбы. Материалы резьбовых деталей, допускаемые напряжения

Лекция

Производство и промышленные технологии

Детали, составляющие машину, связаны между собой. Связи могут быть подвижными (шарниры, подшипники, зацепления и др.) и неподвижными. Неподвижные связи называют соединениями. Соединения подразделяются на разъемные и неразъемные. Разъемные соединения позволяют разъединять детали без их повреждения.

Русский

2014-11-19

2.32 MB

11 чел.

PAGE  15

Лекция 14

Краткое содержание.

Виды соединений. Резьбовые соединения. Геометрические параметры резьбы. Материалы резьбовых деталей, допускаемые напряжения. Способы стопорения резьбовых соединений. Силовые соотношения в резьбовых соединениях. Расчет прочности стержня винта при различных случаях нагружения

Соединения деталей машин

Детали, составляющие машину, связаны между собой. Связи могут быть подвижными (шарниры, подшипники, зацепления и др.) и неподвижными. Неподвижные связи называют соединениями. Соединения подразделяются на разъемные и неразъемные.

Разъемные соединения позволяют разъединять детали без их повреждения. К ним относятся резьбовые, шпоночные, шлицевые, клеммовые и др. соединения.

Неразъемные соединения  не позволяют разъединять детали без  их повреждения (заклепочные, сварные).

Основной критерий  работоспособности соединений – прочность. Желательно, чтобы соединение было равнопрочным с соединяемыми деталями, а также не искажало форму изделия, не вносило дополнительных элементов в его конструкцию.

Резьбовые соединения

Резьбовыми соединениями называют соединения деталей с помощью резьбы. В качестве резьбовых элементов используют болты (винт с гайкой),

винты и шпильки (рис. 1).                                                       

                                                     

                                                                 

Рис.1

Широкое применение резьбовых соединений в технике определяется: 1) возможностью создания больших осевых сил сжатия деталей при небольшой силе, приложенной к ключу (выигрыш в силе для крепежных резьб составляет 70…100 раз); 2) удобными формами и малыми габаритами резьбовых деталей; 3) взаимозаменяемостью резьбовых деталей в связи со стандартизацией резьб; 4) технологичностью и возможностью точного изготовления.

Резьба (рис.2) представляет собой чередующиеся выступы и впадины на поверхности тела вращения, расположенные по винтовой линии. Резьба может выполняться на цилиндрической (цилиндрическая резьба) и конической (коническая резьба) поверхностях.

Рис.2

Профиль резьбы – контур (например,abc ) сечения резьбы в плоскости, проходящей через ось основной поверхности. По форме профиля различают треугольные (рис.3,а), прямоугольные (рис.3,б), трапецеидальные (рис. 3,в), упорные (рис.3,г), круглые резьбы. Виды резьб представлены на рис 3.  

 

а)                                    б)                                   в)                   г)

Рис. 3

По направлению винтовой линии различают правую и левую резьбы. Наиболее распространена правая резьба.

По числу заходов различают однозаходную и многозаходную резьбы. Многозаходная резьба применяется в основном в винтовых механизмах.

По назначению резьбы подразделяются на крепежные и ходовые. В качестве крепежной резьбы в основном применяется метрическая резьба. Стандарт предусматривает метрические резьбы с крупным и мелким шагом. Мелкие резьбы находят применение для динамически нагруженных соединений, а также полых тонкостенных  и мелких деталей. К крепежным резьбам относится также трубная резьба.  

Ходовые резьбы (резьбы винтовых механизмов): прямоугольная, трапецеидальная симметричная и трапецеидальная несимметричная (упорная).

Геометрические параметры резьбы  (рис.3,а): - наружный диаметр; - внутренний диаметр; - средний диаметр; - рабочая высота профиля; - шаг резьбы; - ход резьбы; - угол профиля; - угол подъема винтовой линии (рис.4)

                                           

Рис.4

Угол подъема винтовой линии определяют по формуле

.                                 (1)

Все геометрические параметры резьб и допуски на их размеры стандартизованы.

Материалы резьбовых деталей, допускаемые напряжения

Основной материал резьбовых деталей – конструкционные и легированные стали. Например, крепежные детали общего назначения изготовляют из углеродистых сталей типа сталь10…сталь35. Легированные стали (например, 35Х, 30ХГСА) применяют для изготовления высоконагруженных деталей, работающих при переменных и ударных нагрузках.

Стальные винты и шпильки в соответствии с ГОСТ 1759-82 изготовляют 12-ти классов прочности. Класс прочности обозначают двумя числами, например 5.6. Первое число, умноженное на 100, указывает минимальное значение предела прочности (МПа), а их произведение, умноженное на 10, соответствует приблизительно пределу текучести.

Допускаемые напряжения при действии на резьбовое соединение постоянной нагрузки выбирают в зависимости от предела текучести материала винта (болта):

,                                            (2)

где коэффициент запаса.

Способы стопорения резьбовых соединений

Самоотвинчивание разрушает соединения и может привести к аварии. Вибрации понижают трение и нарушают условие самоторможения в резьбе. На практике применяют следующие три принципа стопорения.

  1.  Повышают и стабилизируют трение в резьбе  путем постановки

контргайки 1 (рис.5,а), пружинной шайбы 2 (рис. 5,б) и т.п.

  1.  Гайку жестко соединяют со стержнем винта  с помощью шплинта

(рис.6) или прошивки группы винтов проволокой (рис.7).

  1.  Гайку жестко соединяют с деталью с помощью специальной шайбы

(рис.8,а) или планки (рис. 8,б).

     

            

                   а)               б)                         Рис.6

                Рис. 5                            а)                  б)       

                           

                       Рис.7                                            Рис.8

Силовые соотношения в резьбовых соединениях

            Затяжку резьбовых соединений осуществляют с помощью гаечных

ключей.

  Момент завинчивания , который создается гаечным ключом,

используется на преодоление момента в резьбе  и момента сил трения  на торце гайки  (головки винта) о неподвижную поверхность детали (рис.9)

          (                            (999(3)

Принимают приведенный радиус трения на опорном торце гайки равным среднему радиусу этого торца или  . При этом

                                                     (4)

где - осевая сила в винте; - коэффициент трения на торце гайки; - наружный диаметр опорного торца гайки;  -диаметр отверстия под винт.

Момент сил трения в резьбе определим, рассматривая гайку как ползун, поднимающийся по виткам резьбы, как по наклонной плоскости (рис. 10).    

           

            

                  Рис. 9                           Р                            аа)а                   

                                                                      б)

                                                                                  Рис.10

рррРР0114юьтти0000оррпппп     Р

Ползун будет находится в равновесии при условии, что равнодействующая  внешних сил отклонена от нормали n-n на угол трения . В нашем случае внешними силами являются осевая сила и окружная сила .

Из рис. 10 следует, или

                                    (5)

где - угол подъема резьбы; - угол трения в резьбе.

Подставляя значения моментов в формулу  (3), найдем

                   (6)

При отвинчивании гайки окружная сила  и силы трения меняют направление (рис. 10,б). При этом

                                    (7)

Самоторможение  и КПД винтовой пары. Условие самоторможения можно представить в виде . Рассматривая самоторможение только в резьбе, получим  или

                                                   (8)

Для крепежных деталей значение угла подъема находится в пределах 20301…30301, а угол трения изменяется от 60 до 160. Таким образом, все крепежные резьбы – самотормозящие.

КПД винтовой пары определяется по формуле

                               (9)

В самотормозящей паре, Так как большинство винтовых механизмов самотормозящие, то их КПД меньше 0,5.

Распределение осевой нагрузки по виткам резьбы

При действии осевой силы (рис.11) на винт  витки резьбы передают силу с винта на гайку. Как показывают расчеты и эксперимент, распределение осевой силы по виткам происходит неравномерно, причем сила, действующая на отдельные витки, прогрессивно снижается по мере удаления от опорной части.

                                       

Рис.11

Задача о распределении нагрузки по виткам резьбы является статически неопределимой и для ее решения рассматривают условие совместности деформаций тела винта и гайки. На рис. 11 представлен результат решения этой задачи проф. Н. Е. Жуковским для случая шестивитковой гайки. График показывает значительную перегрузку нижних витков и нецелесообразность увеличение числа витков гайки. Стандартом предусмотрена высота гайки  для нормальных гаек.

Для повышения динамической прочности применяют специальные гайки (рис.12)

                           

Рис.12

Расчет резьбы на прочность

Основные виды разрушения резьб: крепежных – срез витков, ходовых – износ витков. Поэтому, крепежные резьбы рассчитывают по напряженим среза, а ходовые – напряжениям смятия (рис.13)

                                             

Рис.13

Условия прочности резьбы по напряжениям среза

для винта,

для гайки,                       (10)

где - высота гайки или глубина завинчивания винта в деталь;

или - коэффициент полноты резьбы;  - коэффициент неравномерности нагрузки по виткам резьбы.

Условие износостойкости ходовой резьбы по напряжениям смятия

,                                    (11)

где - число рабочих витков.

Расчет прочности стержня винта при различных случаях нагружения

Стержень винта нагружен только внешней растягивающей силой

Примером является резьбовой участок крюка для подвешивания груза (рис.14).

                                                   

Рис.14

Условие прочности выглядит так:

                                 (12)

Болт затянут, внешняя нагрузка отсутствует

Это имеет место во всех затянутых резьбовых соединениях, например, крепление герметичных крышек (рис.15). Стержень болта в данном случае растягивается осевой силой  , возникающей от затяжки болта, и закручивается моментом сил трения в резьбе .

Напряжение растяжения

.                                (13)

Напряжения кручения

             (14)

В этом случае эквивалентное напряжение по энергетической теории прочности равно

                                   (15)

Для стандартных метрических резьб

Таким образом, условие прочности винта можно представить в виде

                           (16)

                                       

Рис.15

Болтовое соединение нагружено силами, сдвигающими детали в стыке

Болты в таком соединении могут быть установлены либо с зазором (рис.16) либо без зазора (рис. 17)

                       

Рис. 16

                 

Рис.17

При постановке болта с зазором внешняя нагрузка уравновешивается силами трения в стыке, которые образуются от затяжки болта. Условие отсутствия сдвига деталей

или

                                          (17)

где - число плоскостей стыка деталей; - коэффициент трения в стыке;  - коэффициент запаса (=при статической нагрузке; при переменной нагрузке).

Прочность болта оценивают по эквивалентному напряжению [формула (16)].

Во втором варианте (рис.17) болт повышенной точности ставят в развернутые отверстия соединяемых деталей без зазора и он работает на срез и смятие. Условие прочности такого болта по напряжениям среза

,                             (18)

где - число плоскостей среза.

Условие прочности для средней детали по напряжениям смятия

                                  (19)

для крайней детали

                                     (20)

Болт затянут, внешняя нагрузка раскрывает стык деталей

Примером служат болты для крепления крышек резервуаров, нагруженных давлением жидкости или газа (рис. 18)

                                             

рис.18

Затяжка болтов должна обеспечить герметичность соединения. Задача о распределении нагрузки между элементами данного соединения статически неопределима и решается с учетом деформаций этих элементов. Обозначим: - сила затяжки болта; - внешняя нагрузка соединения, приходящаяся на один болт (-число болтов).

Для упрощения принимаем, что только часть внешней нагрузки дополнительно нагружает болт, а другая часть идет на разгрузку стыка.

Дополнительная нагрузка болта равна , где - коэффициент внешней нагрузки, а уменьшение стыка - Величину коэффициента определяют по условию равенства деформаций болта и деталей, возникающих после приложения внешней нагрузки.

                                  (21)

где - податливость болта, равная его удлинению при единичной нагрузке;  - суммарная податливость соединяемых деталей.

Из равенства (21) имеем

                              (22)

Приращение нагрузки на болт

,                                       (23)

расчетная нагрузка болта

                                     (24)

а остаточную затяжку стыка от одного болта

                                   (25)

Достаточная предварительная затяжка  обеспечивающая нераскрытие стыка деталей, является необходимым условием надежности и герметичности соединения. Рекомендуется применять высокую затяжку соединений, особенно при переменных нагрузках. Рекомендуется принимать

=,

где  - коэффициент затяжки.  По условию нераскрытия стыка: при постоянной нагрузке =при переменной нагрузке =

Для приближенных расчетов соединений без мягких прокладок можно принять

                            (26)

Расчетная нагрузка болта определится по формуле

                                  (27)

При статических нагрузках прочность болта в соединении типа рис.18 определяют по формуле

.                               (28)

ТЬИИИ

ВААДЛЛОРППП22ТИИИИ

т

45452310000

р00оггнждорьжжжооо01боо10,14445612-*//44


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34676. Розподіл озону у просторі та часі 1006.5 KB
  Найбільш точно в атмосфері Землі визначається загальний вміст озону ЗВО. ЗВО Х як вже згадувалось вище це товщина шару озону приведеного до нормальних тиску і температури. Величина Х є сумарною або інтегральною кількісною характеристикою шару озону іноді замість неї використовують зведену товщину шару озону .
34677. Роль колообігу води в природі в процесах формування хімічного складу атмосфери 719.5 KB
  Нестача води у ґрунті призводить до погіршення живлення рослин і зниження врожаю сільськогосподарських культур. Тому для забезпечення у ґрунті води здійснюють цілий комплекс агрохімічних заходів. сказано що âвикористання води на нашій планеті постійно зростає і вже найближчим часом у багатьох її регіонах слід чекати дефіциту прісної водиâ.
34678. Парникові гази та їх роль у формуванні клімату 88 KB
  Сукупність цих газів створює в атмосфері парниковий ефект. Суть парникового ефекту полягає в наступному: Земля отримує енергію Сонця в основному у видимій частині спектра а сама випромінює в космічний простір головним чином інфрачервоні промені. Затримуючи тепло в атмосфері Землі ці гази створюють ефект який називається парниковим а гази парниковими. Практично будьякий вид діяльності людини супроводжується викидами парникових газів створюючи таким чином додатковий або антропогенний парниковий ефект.
34679. УТВОРЕННЯ ТА РУЙНУВАННЯ ОЗОНУ 221.5 KB
  1 Фотохімічна теорія утворення озону оксигенний цикл За Чепменом озон в атмосфері утворюється з молекулярного кисню [3]. В результаті дії цих двох протилежних процесів в атмосфері на деяких висотах встановлюється цілком визначена густина озону. Для формування озону в стратосфері перш за все необхідний атмосферний оксиген який утворюється внаслідок фотодисоціації молекули оксигену по реакції 1: Р.
34680. Фотохімічний смог 103.5 KB
  Незважаючи на формування в останні десятиліття загальної тенденції до покращення стану атмосферного повітря в м. Для утворення фотохімічного смогу необхідна наявність в повітрі таких первинних забруднювачів як оксид азоту NO та NO2 які у значній кількості надходять у повітря із відпрацьованими газами автомобільних двигунів; летких органічних сполук ЛОС таких як пропан нбутан етилен бензол формальдегід які в основному надходять через випаровування та згорання палива і розчинників; Метеорологічними передумовами утворення смогу є...
34681. Хімічний склад атмосфер інших планет 204 KB
  Початок формування атмосфери повязаний з еволюцією Сонця, з процесом його перетворення молодої зірки в дорослу. Цей процес характеризувався гравітаційним ущільненням до планет (космічного пилу) та газів сонячного туману.
34682. Хімічні процеси в стратосфері 99.5 KB
  У стратосфері на висотах менше 50 км відбувається утворення озону за реакцією O2 O → O3 Нестабільна молекула озону в збудженому стані O3 перетворюється в стабільну молекулу озону в результаті реакції з так званою третьою часткою в якості якої виступають молекули кисню і азоту що містяться в повітрі в найбільшій кількості: O3 M → O3 M 107 кДж Швидкість утворення озону пропорційна добутку концентрацій що беруть участь у реакціях частинок. Таким чином існує максимум швидкості утворення озону який припадає на...
34683. Аерозоль і клімат 311.5 KB
  Оцінка прямого впливу аерозолів на радіаційний баланс дає досить широкі Schätzungen der direkten Wirkung von erosolen uf den Strhlungshushlt zeigen eine reltiv große Bndbreite und beruhen weitgehend uf Modellstudien die nicht nur für die vorindustrielle Zeit sondern uch für die Gegenwrt schwer zu verifizieren sind. Die Unsicherheiten beruhen zum einen druf dss selbst der ktuelle tmosphärische Gehlt einzelner erosolrten nicht genu feststeht zum nderen druf dss die Größenverteilung die chemische Zusmmensetzung die Mischung und die...
34684. Водяной пар в атмосфере и гидрологический цикл 44.5 KB
  В отличие от большинства других присутствующих в атмосфере газов содержание водяного пара может очень сильно меняться. По мере того как молекулы воды переходят в воздух давление пара в воздухе увеличивается. Если температура воздуха продолжает увеличиваться то для поддержания насыщенного состояния пара число молекул поступающих в воздух также должно увеличиваться если конечно жидкость еще имеется. Давление пара служит мерой для другой величины также выражающей количество пара содержащегося в воздухе и называемой абсолютной влажностью.