Материалы винтовой пары

Стальные болты, винты и шпильки изготавливают 12 классов прочности, которые обозначаются двумя числами:

3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 и т. д.

Первое число, умноженное на 100, указывает минимальное значение σв в МПа, а произведение чисел, умноженное на 10, определяет значение σт в МПа.

При выборе класса прочности учитывают значение и характер нагрузки, условие работы, способ изготовления.

Стандартные крепежные детали общего назначения изготавливают из низко и среднеуглеродистых сталей ВСт3сп4, Сталей 10, 20, 35, 35Х, 30ХГСА.


Крепежные резьбовые соединения и их детали

 

Основными резьбовыми соединениями являются соединения винтами с гайками (болтовые) и без гаек и соединения шпильками.

Болтовые соединения наиболее простые и дешевые, поскольку не требуют нарезания резьбы на соединяемых деталях, но требуют места для размещения гаек.

Винт ввинчивают в резьбовое отверстие детали.

Соединения шпилькой применяют там, где требуется частая разборка. Болты, винты, шайбы и гайки стандартизованы, конструкции их разнообразны.

В зависимости от характера нагружения и способа сборки деталей резьбовых соединений их делят на соединения без предварительной затяжки и с предварительной затяжкой.

Материалы

 

Стандартные крепежные детали общего назначения изготовляют из низко- и среднеуглеродистых сталей обыкновенного качества ВСтЗ, качественных сталей — сталь 10, 20, 35 и др.

Стальные винты, болты и шпильки изготовляют из материалов 12 классов прочности, которые обозначаются двумя числами (3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 и т. д.): первое число, умноженное на 100, равно пределу прочности материала; если первое число умножить на второе и на 10, получим предел текучести материала.

Например – 4.6: σв = 400 МПа, σт = 240 МПа.

Для ответственных деталей используют легированные стали 40Х, ЗОХГСА.

Для повышения коррозионной стойкости резьбовые детали оксидируют, омедняют, оцинковывают.

 

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.

Стандартные крепежные детали рассчитывают по главному критерию работоспособности — прочности стержня на растяжение.

 

Шплинты применяют для предупреждения самоотвинчивания прорезных или корончатых гаек при вибрации изделия, а также для контровки в случаях, показанных на рисунке.

Изготавливают их по ГОСТ 397—79* (СТ СЭВ 220—75) с условным диаметром 0,6...20 мм и длиной 4...280 мм из низкоуглеродистой (в обозначение не входит) или коррозионностойкой стали - 12X18Н1ОТ (2), латуни марки Л63 (3), сплава АМЦ (4). Примеры обозначения:

Шплинт 5X 45.3.036 ГОСТ 397—79, где 5 — условный диаметр шплинта, т. е. диаметр отверстия в крепежной детали, в которое будет вставляться шплинт (действительный диаметр шплинта в данном примере равен 4,4...4,6 мм), 45— длина, 3 — условное обозначение материала (Л63), 036 — никелевое покрытие толщиной 6 мкм;

 


Допускаемые напряжения.

Обычно болты, винты и шпильки изготовляют из пластичных материалов, поэтому допускаемые напряжения при статической нагрузке определяют в зависимости от предела текучести материала, а именно:

· при расчете на растяжение

;

· при расчете на срез

[τср] = 0,4 σт ;

· при расчете на смятие

[σсм] = 0,8 σт

 

Значения допускаемого коэффициента запаса прочности [s] зависят от характера нагрузки (статическая или динамическая), качества монтажа соединения (контролируемая или неконтролируемая затяжка), материала крепежных деталей (углеродистая или легированная сталь) и их номинальных диаметров.

Ориентировочно при статической нагрузке крепежных деталей из углеродистых сталей:

· для незатянутых соединений [s] = 1,5... 2 (в общем машиностроении);

· [s] = 3...4 (для грузоподъемного оборудования);

· для затянутых соединений [s] = 1,3... 2 (при контролируемой затяжке);

· [s] = 2,5... 3 (при неконтролируемой затяжке крепежных деталей диаметром более 16 мм).

Для крепежных деталей с номинальным диаметром менее 16 мм верхние пределы значений коэффициентов запаса прочности увеличивают в два и более раз ввиду возможности обрыва стержня из-за перетяжки.

 

Для крепежных деталей из легированных сталей (применяемых для более ответственных соединений) значения допускаемых коэффициентов запаса прочности берут примерно на 25 % больше, чем для углеродистых сталей.

 

При переменной нагрузке значения допускаемых коэффициентов запаса прочности рекомендуются в пределах [s] = 2,5 ... 4, причем за предельное напряжение принимают предел выносливости материала крепежной детали.

 

В расчетах на срез при переменной нагрузке значения допускаемых напряжений берут в пределах [τср] = (0,2 ... 0,3)σт (меньшие значения для легированных сталей).

 


Расчет одиночных болтов при постоянной нагрузке

 

Опасное сечение — сечение по резьбе; диаметр опасного сечения — внутренний диаметр резьбы (см. табл.2 Приложения).

 

1. Расчет незатянутого болта при действии осевой силы. Стержень болта работает только на растяжение (рис. 2). Проектировочный расчет болта выполняют по формуле:   где dр — минимальный расчетный диаметр болта; F — внешняя осевая сила.     Рис.2  

2. Расчет затянутого болта, без внешней осевой нагрузки.

Затянутый болт без внешней осевой нагрузки – это болты для крепления герметичных крышек, люков корпусов машин и др.

Стержень болта испытывает совместное действие растяжения и кручения, т.е. растягивается осевой силой F0 от затяжки болта и скручивается моментом, равным моменту трения в резьбе М1.

Формула проверочного расчета для стандартных метрических резьб

 

где:

σр - рабочее напряжение;

F0 – осевая сила;

dр – внутренний диаметр резьбы;

[σр] – допускаемое напряжение.

 

Формула проэктного расчета для стандартных метрических резьб

 


3. Расчет затянутого болта, нагруженного внешней растягивающей силой.

Для обеспечения плотности стыка и жесткости соединения болты (винты, шпильки) затягивают. В затянутом резьбовом соединении полная нагрузка на болт составляет Fδ = F0 + χ F  

Рис.3

 

Где Fδ - полная нагрузка на болт;

F0 - сила предварительной затяжки;

χ - коэффициент внешней нагрузки; учитывающий, какая часть внешней нагрузки при совместной деформации болта и деталей стыка приходится на болт; χ = 0,2 - 0,3 при соединении деталей без прокладки, χ = 0,4 - 0,5 при соединении деталей с упругой прокладкой (резина, картон и др.).

return false">ссылка скрыта

Формула проверочного расчета для стандартных метрических резьб

 

Формула проэктного расчета для стандартных метрических резьб

 

  1. Расчет болтов для крепления крышек цилиндров, находящихся после затяжки под давлением (рис. 3).

Используя формулу для определения полной нагрузки на болт, можно записать окончательную расчетную формулу с учетом кручения:

Fp = 1.3 F0 + χ F

 

где F0 - сипа предварительной затяжки болта, рассчитывается из условия нераскрытия стыка;

F - часть внешней силы в расчете на один болт F = FΣ / z, где z – число болтов.

Расчетный диаметр болта определяют по формуле:

dp ≥ ;


  1. Расчет болта под действием поперечной силы, болт установлен без зазора (рис. 4а).

Болт установлен в отверстие из-под развертки, затяжка болта не требуется, работает на срез и смятие.

Рис. 4.

Схема к расчету затянутого болта под действием поперечной силы:

а — без зазора; 6 — с зазором

Условие прочности на срез (проверочный расчет):

где

Fr – внешняя сила;

dc – диаметр стержня болта, д.б. больше нарезаемой части на 1-1,5 мм, это предохраняет резьбу от смятия;

i – число плоскостей среза (на рис.4а – i=1);

z – число болтов;

Проектный расчет на срез

 

Проверочный расчет на смятие:

δ – наименьшая толщина соединяемых деталей.

 

6. Расчет болта под действием поперечной силы, болт установлен в отверстие с зазором (рис. 4б).

Необходимая затяжка создает силу трения, препятствующую сдвигу деталей под действием внешней силы. Затянутый болт работает на растяжение и скручен за счет трения в резьбе.

Потребная затяжка

где i — число плоскостей трения; f – коэффициент трения в стыке;

К — коэффициент запаса сцепления, К= 1,2...1,5.

На рис. 4 б число плоскостей трения i = 2.

Влияние скручивания болта при затяжке учитывают, увеличивая расчетную нагрузку на 30 %:

Проверочный расчет

Расчетный диаметр болта

Примеры расчетов:

Пример1.Рассчитать номинальный диаметр метрической резьбы хвостовика крюка грузоподъемного крана (рис. 5), если нагрузка F = 40кН, а крюк изготовлен из стали СтЗ. Решение. По таблицам справочника находим предел текучести для материала крюка σт=240 МПа. Принимая значение допускаемого коэффициента запаса прочности для незатянутого резьбового соединения [S] = 3, определяем допускаемое напряжение [σp] = σт /[S] = 240/3 = 80 МПа. Из расчета на прочность определим расчетный диаметр резьбы dp≥ = = 25.2 мм Принимая для нарезанной части крюка метрическую резьбу с крупным шагом р = 3,5 мм, определяем номинальный диаметр резьбы d = dр + 0,9р= 25,2 + 0,9 × 3,5 = 28,3 мм. По таблицам стандарта принимаем для хвостовика крюка резьбу: МЗО, крупный шаг - р = 3,5 мм.   Рис.5
Пример 2. Проверить на прочность резьбовую часть грузовой скобы (рис.6), рассчитанной на подъем 450 кН груза, если резьба метрическая М48×5, расчетный диаметр резьбы d1 = 42,58 мм; допускаемое напряжение [σp] = 85 МПа. Решение. Из расчета на прочность определим рабочее напряжение в резьбе σp = 17,78 МПа < [σp] = 85 МПа Рис.6
Пример 3. Определить потребную затяжку болта, крепящего два листа, если сила, сдвигающая листы Fr = 5 кН, коэффициент трения в стыке f =0.15; К — коэффициент запаса сцепления, К= 1,2; Решение: В примере число плоскостей трения i= 1, потребная затяжка находится по формуле: Fзат = = 40000 Н.  
Пример 4. Из расчета на срез определить диаметр болта d, поставленного без зазора, если: нагрузка F = 44 кН и допускаемое напряжение – 100 МПа. Решение: Расчет ведется по касательным напряжениям, число плоскостей среза -2. Определяем диаметр болта из условия прочности на срез: dср = = 16,75 мм По таблице 2 подбираем резьбу d1=17,65 - М20×2,5
Пример 5. Из расчета на растяжение определить допускаемую осевую силу Fр незатянутого болтового соединения с резьбой М16 с крупным шагом. Допускаемое напряжение на растяжение - [σp] = 120 МПа. Решение: По таблице 2 подбираем расчетный диаметр резьбы d1=14,12 мм. Из расчета на прочность определим допускаемую осевую силу: d1 = , отсюда Fр = = = 18781 Н
Пример 6. Рассчитать на прочность болт, установленный без зазора, если d0=20 мм, F=55 кН, [τср] = 95 МПа, δ = 18 мм, [σсм] = 280 МПа. Решение: т.к. болт повышенной точности установлен без зазора, проверку выполняем из расчета на срез и на смятие. При проверке на срез учитываем число плоскостей среза i=2. 1. Из условия прочности на срез, определяем рабочее напряжение τраб = = =87,58МПа < [τср] = 95 МПа; 2. Из условия прочности на смятие, определяем рабочее напряжение σсм = МПа < [σсм] = 280 МПа. Вывод: болт d0=20 мм нагрузку F=55 кН выдержит.

 


Приложение I. К расчету резьбовых соединений:

Таблица 1. Условные обозначения резьб

Тип резьбы и номер стандарта (ГОСТ или СТ СЭВ)   Условное обозначение типа   Указываемые на чертеже размеры   Примеры обозначений резьбы  
Метрическая с крупным шагом ГОСТ 8724-81     М   Наружный диаметр, мм     М10; М36; М10LН  
Метрическая с мелким шагом ГОСТ 8724-81   м Наружный диаметр и шаг, мм   М64х2
Метрическая для диаметров менее 1 мм (часовая)   М Наружный диаметр, мм   М0,6
Трапецеидальная однозаходная ГОСТ 24738-81     Тr   Наружный диаметр и шаг, мм, ГОСТ     ТгЗб×б ГОСТ 24738-81  
Упорная ГОСТ 10177-81     S   Наружный диаметр и шаг, мм     S80x16  
Трубная цилиндрическая ГОСТ 6357-81     G   Условное обозначение, размеры резьбы в дюймах     G2 /2  
Трубная коническая ГОСТ 62 11 -69     R   Условное обозначение, размеры резьбы в дюймах, ГОСТ R33/4 ГОСТ 6211 -81 (наружный) Rc3/4 (внутр.)
Коническая дюймовая с углом профиля 60° ГОСТ 6111 -52   К Обозначение резьбы в дюймах, ГОСТ   К 3/4 ГОСТ 6111-52

Приложение II. Таблица 2. Резьба метрическая (выборка). Размеры, мм

Таблица 2.

 

Номинальный диаметр резьбы d   Резьба с крупным шагом   Резьба с мелким шагом  
Шаг p   Средний диаметр d2   Расчетный диаметр d1   Шаг p   Средний диаметр d2   Расчетный диаметр d1  
  1,5   9,026   8,59   1,25   9,188   8,83  
  1,75   10,863   10,36   1,5   11,026   10,59  
    14,701   14,12   1,5   15,026   14,59  
  2,5   18,376   17,65     18,701   18,12  
    22,051   21,18     22,701   22,12  
  3,5   27,727   26,211     28,701   27,835  
    33,492   31,670     34,051   32,752  
  4,5   39,077   37,129     40,051   38,752  
    44,752   42,587     46,051   44,752  
  5,5   52,428   50,046     54,051   52,752  

Приложение III.

Ориентировочные значения пределов прочности некоторых материалов

Таблица 3.

Материал Пределы прочности при растяжении σв, МПа
Сталь: углеродистая горячекатаная углеродистая конструкционная легированная конструкционная в отливках Чугун: серый ковкий Латунь Бронза: оловянная безоловянная Алюминий Дюралюминий Титановый сплав ВТ4   310-600 330-750 430-780 420-600   150-440 300-630 320-600   300-900 400-1500 150-300 180-500 800-900  

 

 

Ориентировочные значения основных допускаемых напряжений

Таблица 4.

  Материал Допускаемое напряжение при растяжении σв МПа
Сталь углеродистая горячекатаная Сталь углеродистая конструкционная Сталь легированная конструкционная Сталь в отливках Чугун в отливках серый Чугун в отливках ковкий Медь Латунь Бронза 115-195 110-240 140-260 90-160 33-100 85-110 30-110 60-130 50-110