Стяжные ненагруженные соединения

Стяжные ненагруженные соединения

В ненагруженных стяжных соединениях (стыки крышек, ненесущих частей корпусов и др.) сила затяжки болтов (или шпилек) определяется условием плотного соединения стыков и нерасхождения их при возможных деформациях системы и ослаблении затяжки в результате происходящего с течением времени сминания витков резьбы и опорных поверхностей гайки и головки болта. Такие соединения в большинстве случаев не рассчитывают. Материал, диаметр и шаг болтов выбирают на основе существующей практики, а силу затяжки устанавливают такой, чтобы создать в болте напряжения, равные (0,5—0,6)σ0,2.

В механизированных сборочных цехах для затяжки используют гайковерты и болтоверты электрического или пневматического действия с регулируемым и автоматически выдерживаемым моментом затяжки.

Момент затяжки, затрачиваемый на создание силы растягивающей болт

Момент затяжки, затрачиваемый на создание силы растягивающей болт (рис. 447):

Nenagruj soed 2

на преодоление трения по опорной поверхности гайки

Nenagruj soed 3

на преодоление трения в резьбе

Nenagruj soed 4

где dср — средний диаметр резьбы, мм; D — средний диаметр опорной поверхности, мм; f — коэффициент трения на опорной поверхности; f1 — приведенный коэффициент трения в резьбе (f1 = f/cos α), где α — половица профильного угла у вершины витка; ϕ — угол наклона витков по среднему диаметру резьбы (tg ϕ = s/πdср, где s — шаг резьбы, мм).

Полный момент затяжки (Н м)

Nenagruj soed 5

или

Nenagruj soed 6

где d — номинальный диаметр резьбы, мм.

Доля момента, затрачиваемая на создание осевой силы,

Доля момента, затрачиваемая на создание осевой силы

Средний диаметр резьбы dср = d – h, где h — рабочая высота профиля резьбы, равная

Nenagruj soed 8

где Rб, и Rг — радиусы галтелей в резьбе соответственно болта и гайки.

Для метрических резьб (α = 30°; Rб = 0,144s; Rг = 0,072s) h = 0,54s и

Nenagruj soed 9

Величина D/d для крепежных гаек равна 1,3—1,5, для кольцевых гаек 1,2—1,3.

Величины f и f1 зависят от состояния поверхностей, а величина f1, кроме того, от посадки в резьбе. При посадке с небольшим натягом можно принимать f1 = 1,5f.

Подставляя в формулу (42) значение dср/d из выражения (44) и принимая среднее значение D/d = 1,3 и f/f1 = 1,5, получаем

Nenagruj soed 10

Подсчитанные по формуле (45) значения β в процентах приведены на рис. 448, а в функции s/d для f = 0,05—0,30.

Параметры резьбовых соединений

Доля Mзат, используемая для создания осевой силы, при самом большом s/d и малом f не превышает 25% и резко падает с уменьшением s/d и увеличением f. При f = 0,1 и s/d = 0,12 (среднее значение для крепежных болтов) β ≈ 10%, а при s/d = 0,02—0,03 (кольцевые гайки) снижается до 2—3%. Преобладающая часть момента затяжки затрачивается на преодоление трения. Сила растяжения болта согласно формулам (41) и (42)

Nenagruj soed 12

Значения Р показаны на рис. 448, б в функции s/d для f = 0,05—0,30 (принято Мзат/d = 1). Сила Р при заданном Мзат определяется преимущественно коэффициентом трения f и слабо зависит от s/d, слегка снижаясь при s/d > 0,1. Сила Р вызывает в резьбе напряжение растяжения

Nenagruj soed 13

где kэ — эффективный коэффициент концентрации напряжения; dвн — внутренний диаметр резьбы, равный из тригонометрических соотношений

Nenagruj soed 14

Для метрической резьбы (h = 0,54s; Rб = 0,144s)

Nenagruj soed 15

Следовательно,            

Nenagruj soed 16

Момент в резьбе, равный 0,5Рdсрf, вызывает в стержне болта напряжения кручения

Nenagruj soed 17

где k'э — эффективный коэффициент концентрации напряжений; Wкp = 0,2d3вн — полярный момент сопротивления сечения стержня.

Подставляя значения dсp из формулы (44) и dвн из формулы (48), находим

Nenagruj soed 18

Эквивалентное напряжение по 3-й теории прочности

Эквивалентное напряжение по 3-й теории прочности

Подставляя значение τ из формулы (51) и σр из формулы (49) и принимая kэ =k'э получаем

Nenagruj soed 20

На рис. 448, в представлено подсчитанное по этой формуле отношение σ/σр в функции s/d для различных коэффициентов трения f1. Эквивалентное напряжение существенно превышает σр только при высоких значениях f1, слабо возрастая с увеличением s/d. При обычном значении f1 = 0,15 и при s/d = 0,12 эквивалентное напряжение превышает σр только на 20%.

Напряжения кручения возникают только при затяжке и в дальнейшем исчезают в результате упругой отдачи болта. Поэтому при расчете стяжных соединений на длительную прочность напряжения кручения обычно не учитывают, ограничиваясь расчетом болта на растяжение силой Р [формула (46)], за исключением специальных случаев, например, при посадке с натягом, когда при затяжке возникают значительные касательные напряжения.

Предупреждение скручивания болтов при затяжке

Скручивание болта можно устранить, если при затяжке придерживать конец болта за специальные элементы (рис. 449, а) или зафиксировать его относительно корпуса (рис. 449, б).

Подставляя и формулу (49) величину Р из формулы (46), получаем

Nenagruj soed 22

Принимая для крепежных болтов средние значения s/d = 0,12; β = 0,1 (f = 0,1) и полагая kэ = 1,5, находим

Nenagruj soed 23

Эта формула может служить для ориентировочного определения напряжений растяжения, возникающих в болтах при различных Мзат. Для частных случаев напряжение следует определять по формуле (53).

Момент затяжки, необходимый для создания в болте заданного номинального напряжения растяжения (без учета концентрации напряжений, т. е. при kэ = 1), согласно формуле (54)

Nenagruj soed 24

Согласно формуле (46) момент затяжки, необходимый для создания заданной силы Р,

Nenagruj soed 25

Полагая по-прежнему β = 0,1 и s/d = 0,12, находим

Nenagruj soed 26

Обратная кубическая зависимость напряжения от диаметра болта [формула (54)] обусловливает резкое возрастание напряжений, возникающих при затяжке, с уменьшением диаметра болта. При затяжке вручную можно создать в болтах малого диаметра чрезмерные напряжения, вытянуть и даже разорвать болты.

Ниже приведены подсчитанные по формуле (54) напряжения растяжения при затяжке стандартными ключами (сила, приложенная к ключу, принята 150Н). В рамку заключены напряжения, превосходящие предел текучести конструкционных углеродистых сталей.

Напряжения на болтах при затяжке стандартными ключами

При ручной затяжке можно легко разорвать болты диаметром менее M8, а при пониженном трении и болты М10. Разрушение болтов более М12 при пользовании стандартными ключами практически исключено. Если по конструктивным условиям приходится применять мелкие болты, то нужно ограничивать Мзат или выполнять болты из сталей повышенной прочности.

Сопротивление самоотвинчиванию гаек. Самоотвинчивание обусловливается действием осевой силы Р (суммы рабочей силы и силы предварительной затяжки), создающей отвинчивающий момент, равный согласно формуле (37)

Nenagruj soed 28

Отвинчиванию препятствует тормозящий момент трения на опорной поверхности гайки и в резьбе:

Nenagruj soed 29

Сопротивление самоотвинчиванию характеризует коэффициент самоторможения γ = Мтормотв. При γ > 1 соединение защищено от самоотвинчивания, а при у < 1 наступает режим самоотвинчивания.

Разделив уравнение (58) на (57), получим

Nenagruj soed 30

т. е. согласно формуле (42)

Nenagruj soed 31

Значения γ приведены на рис. 448, г в функции s/d и f. Как видно, коэффициент самоторможения возрастает при увеличении f и снижается с увеличением s/d. Для f = 0,05 и s/d = 0,10—0,15 (крепежные гайки) γ = 2—8, а для s/d < 0,05 (кольцевые гайки) γ = 10—50. Таким образом, соединения работают в режиме самоторможения даже при наиболее низких, встречающихся в статических условиях, значениях f.

Все меры, способствующие увеличению трения (введение натяга в резьбе, покрытие резьб полимерными пленками, введение пластмассовых вставок), повышают сопротивление самоотвинчиванию. Смазывание резьбы жидкими или твердыми (MoS2) смазками, кадмирование, цинкование и сульфидирование резьбы уменьшают сопротивление самоотвинчиванию.

Картина меняется, если соединение подвергается динамическим нагрузкам, которые резко снижают трение. Уменьшение трения обусловливается главным образом возникающими при периодических колебаниях нагрузки микросмещениями несущих поверхностей относительно друг друга в результате упругой радиальной деформации (дыхания) гайки. Трение покоя заменяется трением движения; наступает известное явление «исчезновения» трения под действием вибрации.

Степень падения трения зависит от динамичности нагрузки (скорости нарастания и спада нагрузки), амплитуды и частоты колебаний нагрузки. При пульсирующей нагрузке с частотой более 1000—1500 колебаний в минуту коэффициент трения, согласно опытным данным, снижается в 4—5 раз, достигая значений f = 0,02—0,01 (штриховые линии на рис. 448, г). При f = 0,01 коэффициент самоторможения для резьб с s/d > 0,08 становится меньше 1, т. е. наступает режим самоотвинчивания. Ввиду приближенности расчетов можно считать предельным значение коэффициента самоторможения γ = 2. Тогда опасными по самоотвинчиванию являются все резьбы с s/d > 0,04.

Соединения, работающие при циклических нагрузках, нужно предохранять от самоотвинчивания методами позитивного стопорения (шплинты, отгибные шайбы). Для кольцевых гаек с s/d < 0,04 допустимо упругое стопорение (контргайки, пружинные шайбы).

Режим самоотвинчивания наступает и тогда, когда сила Р снижается до нуля, что происходит чаще всего в результате пластической вытяжки болта под длительным воздействием нагрузки (релаксация). Хотя действующее начало самоотвинчивания (сила Р) здесь отсутствует, отвертывание гайки может произойти от любых случайных причин. Стопорение гаек в данном случае не помогает. Хотя гайка и остается связанной с болтом, соединение теряет работоспособность вследствие ослабления предварительной затяжки.