ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РЕЗЬБОВЫМ СОЕДИНЕНИЯМ Крепежные детали, снабженные нарезкой, по отношению к общему количеству крепежных деталей, применяемых в различных машинах, составляют в автомобилях до 60%, в тракторах до 35%, в комбайнах и молотилках до 70%, в двигателях внутреннего сгорания до 80%. Широкое распространение резьбовых соединений в машинах и механизмах объясняется их высокими конструктивными и технологическими достоинствами с точки зрения простоты и надежности крепления. Применение резьбовых соединений позволяет производить неоднократную сборку и разборку узлов и машин без порчи и замены деталей. Основной вид резьбового соединения представляет собой пару болт (шпилька) — гайка. Широко применяются в машинах и механизмах также винты, штуцеры, резьбовые пробки, ниппели и т. п. детали. С точки зрения сборки и эксплуатации машин к качеству резьбовых соединений предъявляются требования прочности, взаимозаменяемости и стабильности, в сочетании с надежной и долговечной работой соединений. В одних соединениях не должно быть взаимного сдвига деталей во избежание их сильных ударов и поломок (жесткость стыка), в других требуется плотное прилегание сопрягаемых поверхностей (герметичность стыка), предохраняющее от просачивания и утечки масла, воды, воздуха, пара, газа и пр. Важнейшими факторами качества сборки резьбовых соединений являются правильная затяжка болтов и гаек, достижение необходимых посадок, отсутствие перекосов в соединениях и искривлений болтов и шпилек, надежность стопорных устройств.По данным М. П. Новикова из четырех факторов, влияющих на прочность резьбового соединения, наибольшее влияние оказывает качество сборки (фиг. 61). В эксплуатации механизмов и приборов с винтами и гайками малых размеров, подвергающихся многократному завинчиванию и отвинчиванию, для долговечности резьбовых соединений имеет большое значение бережное и внимательное отношение к сборке; очень важно предохранять от повреждений грани гаек и головок болтов и шлицы винтов. Одним из способов повышения прочности особо ответственных соединений является применение специальной метрической резьбы, у которой рабочая глубина нарезки несколько меньше нормальной. Это не только увеличивает сечение болта (шпильки), но и позволяет увеличить радиус закругления по внутреннему диаметру, т. е. радиус впадины профиля, что положительно влияет на прочность резьбовых соединений. Взаимозаменяемость резьбовых крепежных деталей обеспечивается комплексной проверкой их резьбовыми калибрами по всей длине свинчивания. Под стабильностью резьбового соединения понимают сохранение в процессе работы усилия затягивания в стыке, приданного при сборке соединения. Стабильность — чрезвычайно важное свойство резьбовых соединений, особенно в сложных условиях динамических нагрузок, когда одновременно действуют разнохарактерные факторы, стремящиеся ослабить соединение. Ослабление резьбовых соединений нарушает нормальную работу машины, расшатывает узлы механизмов, в результате этого появляются течи в соединениях, иногда происходят аварии и несчастные случаи. Практика показывает, что разрушение резьбовых соединений возникает как в случае чрезмерной затяжки болтов, так и при слабой затяжке, когда плотность стыка недостаточна. Ослабление затяжки может также вызываться остаточными деформациями микрогеометрического характера. Под воздействием переменной нагрузки гребешки на стыковых поверхностях подвергаются пластической деформации. В результате смятия гребешков осевое усилие затяжки в резьбовом соединении уменьшается, что приводит к нарушению стабильности. Чем больше скрепляемых деталей, тем больше стыков и тем больше суммарная величина смятия гребешков всех поверхностей. На фиг. 62 приведены графики результатов испытаний резьбовых соединений, имеющих 1, 5 и 10 стыков. Вследствие макро- и микронеровностей действительная площадь соприкосновения поверхностей составляет небольшую часть номинальной площади. Это указывает на возможность возникновения больших контактных напряжений. Исследованиями контактных напряжений установлено (фиг. 63),
Угол а изменяется в зависимости от характера обработки поверхности в пределах от 0 до . соответственно чему давление аг меняется в пределах от os < az до < 2,57 as. Таким образом, напряжение, при котором наступает пластическая деформация выступов поверхности (гребешков) при контакте их с плоскостью, зависит от формы их поверхности и от чистоты ее обработки. Приведенная выше зависимость показывает, что а2 изменяется в 2,5 раза при изменении формы гребешков 1. Исследования советских ученых показали, что удельное давление на поверхности, помимо прочих факторов, зависит от формы
Уравнение дает наиболее простую линейную деформацию. По расчетам на контактную жесткость имеется еще очень мало материалов. Недостаточно подробно разработаны значения коэффициентов k*, нормативы для контактной жесткости, законы распределения давлений на контактных поверхностях и др. На фиг. 64 показано изменение усилия затяжки Р0 в резьбовом соединении, находящемся под растягивающей пульсирующей нагрузкой, в зависимости от числа циклов нагрузки п. Резкое падение усилия затяжки в начале испытаний объясняется остаточными деформациями гребешков стыковых поверхностей, затем падение замедляется и, после определенного числа циклов, усилие затяжки остается постоянным, но меньше первоначального. Поэтому в процессе эксплуатации машин рекомендуется периодически проверять состояние ответственных резьбовых соединений и по мере необходимости подтягивать гайки. Остаточные деформации, вызывающие уменьшение усилия затяжки в резьбовом соединении, могут быть и макрогеометрического характера. Сюда относятся деформации стержня болта, смятие ниток резьбы и другие факторы, возникающие в результате превышения предела выносливости при динамических нагрузках или при чрезмерной затяжке болтов в процессе сборки соединений, в особенности, если их детали выполнены из мягких сплавов. Кроме того, ослабление затяжки и нарушение стабильности резьбовых соединений при динамических нагрузках могут вызываться явлением самоотвинчивания, возникающим вследствие импульсивных тангенциальных и поперечных нагрузок. Проф. П. К. Худяков и А. И. Сидоров еще в 1907 г. указали на возможность самопроизвольного отвинчивания при условии непрерывного перехода нагружения болта к разгружению его. Позднейшие исследования показали, что резьбовые соединения, подвергавшиеся переменной циклической растягивающей нагрузке, систематически самоотвинчивались, причем величина самоотвинчивания прогрессировала в соответствии с числом циклов нагрузки. Явление самоотвинчивания объясняется следующим образом. При растягивании резьбового соединения поперечное сечение болта уменьшается, а поперечное сечение гайки увеличивается. В результате возникновения радиально направленных сил витки болта смещаются относительно витков гайки в радиальном направлении в сторону отвинчивания. При статической нагрузке эти силы весьма малы и нейтрализуются трением в резьбе и между опорными поверхностями гайки и соединяемой детали; при динамической нагрузке возникают радиальные силы, преодолевающие трение в резьбовом соединении и между опорными поверхностями, что приводит к отвинчиниванию резьбы. Фиг. 64. Изменение величины усилия затяжки в резьбовом соединении в зависимости от числа циклов пульсирующей растягивающей нагрузки.
Самоотвинчивание может быть вызвано также импульсивной (вибрационной) нагрузкой, направленной поперек резьбы. Поперечная нагрузка вызывает в гайке крутящий момент, который действует в направлении самоотвинчивания. Если трение в резьбовом соединении в момент приложения поперечной нагрузки относительно мало, то гайка повертывается, вызывая ослабление затяжки, в особенности при небольшой величине усилия затяжки. В ответственных резьбовых соединениях гайки необходимо стопорить относительно болта или корпуса детали при помощи контргаек, замков, разводных шплинтов, штифтов и других стопорных устройств.
