Детали машин

Детали машин

Соединение деталей с помощью резьбы является одним из старейших и наиболее распространенных видов разъемного соединения. Легко и просто обеспечивает сборку и разборку. Резьбовое соединение образуют две детали. У одной из них на наружной, а у другой на внутренней поверхности выполнены расположенные по винтовой поверхности выступы – соответственно наружная и внутренняя резьбы.
Резьбы формируют на цилиндрических или конических поверхностях. Наибольшее распространение имеют цилиндрические резьбы.

Резьбы классифицируют по различным признакам:

По направлению винтовой линии : правая, левая.
По форме профиля : треугольная, трапецеидальная, прямоугольная, круглая, упорная, метрическая, дюймовая.
По расположению на детали : внешняя, внутренняя.
По характеру поверхности : цилиндрическая, коническая.
По назначению : крепежная, крепежно-уплотняющая, ходовая (для передачи движения) , специальная (в т. ч.: часовая, на пластмассовых деталях, окулярная, круглая для объективов микроскопов, круглая для светотехники).
По числу заходов : однозаходная, многозаходная.

Характеристика основных видов резьбы

Метрическая резьба

Метрическая резьба (рис. 1, а) является основным типом крепежной резьбы.
Профиль резьбы установлен ГОСТ 9150–81 и представляет собой равносторонний треугольник с углом профиля α = 60° .
Профиль резьбы на стержне отличается от профиля резьбы в отверстии величиной притупления его вершин и впадин.
Основными параметрами метрической резьбы являются: номинальный диаметр – d (D) и шаг резьбы – Р , устанавливаемые ГОСТ 8724–81 в миллиметрах.

Метрические резьбы бывают с крупным и мелким шагом.
Для каждого размера (диаметра) резьбы стандартом установлен номинальный шаг. Если резьба на изделии имеет шаг меньше номинального, то такая резьба считается мелкой, если шаг больше номинального — резьба крупная.
По ГОСТ 8724–81 каждому номинальному размеру резьбы с крупным шагом соответствует несколько мелких шагов.
Резьбы с мелким шагом применяются в тонкостенных соединениях для увеличения их герметичности, для осуществления регулировки в приборах точной механики и оптики, с целью увеличения сопротивляемости деталей самоотвинчиванию.

В случае, если диаметры и шаги резьб не могут удовлетворить функциональным и конструктивным требованиям, введен СТ СЭВ 183–75 «Резьба метрическая для приборостроения» .
Если одному диаметру соответствует несколько значений шагов, то в первую очередь применяются большие шаги. Диаметры и шаги резьб, указанные в скобках, по возможности не применяются.

В случае применения конической метрической резьбы (рис. 1, ж) с конусностью 1:16 профиль резьбы, диаметры, шаги и основные размеры установлены ГОСТ 25229–82.
При соединении наружной конической резьбы с внутренней цилиндрической по ГОСТ 9150–81 должно обеспечиваться ввинчивание наружной конической резьбы на глубину не менее 0,8d.

Дюймовая резьба

Дюймовая резьба (рис. 1, б) относится к крепежной резьбе.
В настоящее время не существует стандарт, регламентирующий основные размеры дюймовой резьбы. Ранее существовавший ОСТ НКТП 1260 отменен, и применение дюймовой резьбы в новых разработках не допускается.
В СНГ ее применяют только для резьбовых деталей старых, а также импортных машин (Китай, США и др.) .

Дюймовая резьба характеризуется тем, что имеет треугольный профиль с углом α = 55°, а диаметр измеряется в дюймах, шаг — числом ниток резьбы на длине в 1”. Эта резьба была стандартизована для наружных диаметров d = 3/16” — 4” и числом ниток на 1” от 28 до 3.
При обозначении дюймовой резьбы наружный диаметр указывают в дюймах.

Трубная цилиндрическая резьба

Трубную цилиндрическую резьбу (рис. 1, в) используют как крепежно-уплотняющую. В соответствии с ГОСТ 6367–81 трубная цилиндрическая резьба имеет профиль дюймовой резьбы, т.е. равнобедренный треугольник с углом α при вершине, равным 55°.
Для лучшего уплотнения резьбу выполняют с закругленным треугольным профилем без зазоров по выступам и впадинам. Условное обозначение резьбы дается по внутреннему диаметру (в дюймах) трубы, на которой она нарезана.

Резьба стандартизована для диаметров от 1/16” до 6” при числе шагов z от 28 до 11.
Номинальный размер резьбы условно отнесен к внутреннему диаметру трубы (к величине условного прохода) . Так, резьба с номинальным диаметром 1 мм имеет диаметр условного прохода 25 мм, а наружный диаметр 33,249 мм.

Трубную резьбу применяют для соединения труб, а также тонкостенных деталей цилиндрической формы. Такого рода профиль (α = 55°) рекомендуют при повышенных требованиях к плотности (непроницаемости) трубных соединений.
Применяют трубную резьбу при соединении цилиндрической резьбы муфты с конической резьбой труб, так как в этом случае отпадает необходимость в различных уплотнениях.

Трубная коническая резьба

Трубную коническую резьбу (рис. 1, з) используют как крепежно-уплотняющую.
Параметры и размеры трубной конической резьбы определены ГОСТ 6211–81, в соответствии с которым профиль резьбы соответствует профилю дюймовой резьбы.
Резьба стандартизована для диаметров от 1/16” до 6” (в основной плоскости размеры резьбы соответствуют размерам трубной цилиндрической резьбы) .

Нарезаются резьбы на конусе с углом конусности φ/2 = 1°47’24” (как и для метрической конической резьбы) , что соответствует конусности 1:16.

Конические резьбы обеспечивают герметичность соединения резьбовых деталей без специальных уплотнений.
Применение конической резьбы позволяет резко уменьшить время (угол относительного поворота винта и гайки) завинчивания и отвинчивания, что часто имеет решающее значение для быстроразборных соединений.
Применяется резьба для резьбовых соединений топливных, масляных, водяных и воздушных трубопроводов машин и станков. Для возможности свертывания конических резьб с цилиндрическими, биссектриса угла профиля конусной резьбы по ГОСТ должна быть перпендикулярна оси.

Прямоугольная резьба

Прямоугольная резьба (рис. 1, д) относится к резьбам для передачи движений под нагрузкой. Она имеет прямоугольный или квадратный профиль, диаметр и шаг прямоугольной резьбы измеряют в миллиметрах.

Прямоугольная резьба не стандартизована и применяется сравнительно редко, так как наряду с преимуществами, заключающимися в более высоком коэффициенте полезного действия, чем у трапецеидальной резьбы, она менее прочна и сложнее в производстве. Ее заменяют трапецеидальной — более удобной в изготовлении.
Применяется при изготовлении винтов, домкратов и ходовых винтов.

Трапецеидальная резьба

Трапецеидальную резьбу (рис. 1, е) широко применяют в передачах винт-гайка. Она имеет симметричный трапецеидальный профиль с углом профиля α = 30°.
Для червяков червячных передач угол профиля α = 40°.

Основные размеры диаметров и шагов трапецеидальной однозаходной резьбы для диаметров от 10 до 640 мм устанавливают ГОСТ 9481–81. По сравнению с прямоугольной трапецеидальная резьба при одних и тех же габаритах имеет большую прочность, более технологична в изготовлении.
Трапецеидальная резьба применяется для преобразования вращательного движения в поступательное при значительных нагрузках и может быть одно- и многозаходной (ГОСТ 24738–81 и 24739–81) , а также правой и левой.

Трапецеидальная резьба при использовании гайки, разъемной по осевой плоскости (например, у ходовых винтов станков) , позволяет выбирать зазоры путем радиального сближения половин гайки при ее изнашивании.

Упорная резьба

Упорную резьбу (рис. 1, и) применяют в нажимных винтах с большой односторонней осевой нагрузкой.
Упорная резьба, стандартизованная ГОСТ 24737–81, имеет профиль неравнобокой трапеции, одна из сторон которой наклонена к вертикали под углом 3°, т.е. рабочая сторона профиля, а другая – под углом 30°.

Форма профиля и значение диаметров шагов для упорной однозаходной резьбы устанавливает ГОСТ 10177–82 . Резьба стандартизована для диаметров от 10 до 600 мм с шагом от 2 до 24 мм и применяется при больших односторонних усилиях, действующих в осевом направлении.

Закругление (см. размер е, рис. 1, и) повышает прочность винта.
Условное обозначение упорной резьбы для наружного диаметра 80 мм и шага 16 мм — S 80×16, т. е. аналогично обозначению трапецеидальной резьбы.

Круглая резьба

Круглая резьба (рис. 1, г) стандартизована. Профиль круглой резьбы образован дугами, связанными между собой участками прямой линии. Угол между сторонами профиля α = 30°.

Резьба применяется ограниченно: для водопроводной арматуры, в отдельных случаях для крюков подъемных кранов, а также в условиях воздействия агрессивной среды.

Многозаходная резьба

У однозаходной резьбы (рис. 3, а) шаг и ход резьбы одинаковые, при этом за один оборот винта гайка перемещается на величину шага. Если перемещение гайки за один оборот должно быть большим, то ход, а следовательно, и шаг однозаходного винта должны быть большими.
Чем больше шаг, тем глубже получается резьба (высота резьбы зависит от шага) и тем меньше будет внутренний диаметр винта. Винт с малым внутренним диаметром недостаточно прочен и не может передавать больших усилий.

Для усиления прочности винта, одновременно с увеличением хода, применяют многозаходную резьбу. В этом случае шаг, высота резьбы и ее внутренний диаметр соответствуют однозаходной, а ход резьбы во столько раз больше шага, сколько имеется заходов, например, у двухзаходной резьбы (рис. 3, б) ход вдвое больше ее шага, у трехзаходной (рис. 2, в) — втрое больше и т. д.

Пример удобства многозаходной резьбы – крышки на банках с консервированными овощами или соками. Легкий поворот руки на небольшой угол — и банка открыта. Следует, также, отметить, что на цилиндрах большого диаметра попасть в заход однозаходной резьбы очень сложно, и в этом случае проблему можно уменьшить при помощи многозаходной резьбы.

Чтобы проще было понять, что такое многозаходная резьба и для чего она нужна, следует вспомнить о таких параметрах резьбы, как ее шаг и ход.
Шаг резьбы (P) — это расстояние между соседними одноименными точками профиля в направлении, параллельном оси резьбы той же винтовой поверхности.
Ход резьбы (P_h) — расстояние, на которое переместится вдоль оси винт при одном полном его обороте в неподвижной гайке, т. е. шаг одной и той же винтовой линии резьбы.

Очевидно, что если резьба однозаходная, то ее шаг и ход равны между собой, поскольку за один оборот винта его стержень переместится вдоль оси на величину шага.

При конструировании каких-либо узлов или механизмов иногда возникает необходимость в увеличении хода винта. При однозаходной резьбе этого можно достичь увеличением ее шага, но здесь предел творчеству ограничивается внутренним диаметром резьбы, поскольку приходится увеличивать глубину нарезания. А с уменьшением диаметра уменьшается и прочность стержня винта (болта, шпильки).

Можно увеличить угол подъема резьбы, но при этом теряются многие ценные качества резьбового соединения. К тому же угол подъема резьбы увеличивать можно лишь в определенных пределах, иначе завернуть винт в гайку будет невозможно.

В таких случаях лучшее решение проблемы — многозаходная резьба, ход которой (по сравнению с однозаходной резьбой) кратен числу заходов, т. е. ход многозаходной резьбы равен произведению числа заходов на шаг резьбы. При этом диаметр резьбы и стержня болта не уменьшается.

Чтобы нагляднее понять принцип изготовления многозаходной резьбы, представьте, что на стержне винта резьба нарезается одновременно несколькими резцами, закрепленными в суппорте в один ряд вдоль оси винта. Каждый резец прорезает отдельную канавку, не соединяющуюся с соседними. Очевидно, что шаг винтовой линии, нарезаемой каждым резцом должен быть таким, чтобы он не пересек винтовую линию соседнего резца, т. е. увеличенным.
В результате получим многозаходную резьбу, количество ходов которой зависит от количества резцов.

Визуально многозаходную резьбу можно определить, если посмотреть на торец винта (болта, шпильки, гайки). В этом случае хорошо видно, сколько ниток резьбы берет свое начало с торца. У однозаходной резьбы (рис. 3, д) на торце винта или гайки виден только один конец витка, а у многозаходной (рис. 3, г) – два, три и больше.
Если продвигаться по спирали вдоль какого-нибудь витка многозаходной резьбы острым кончиком иглы или другого предмета, то вы никогда не попадете в канавку соседнего витка.
Технологически многозаходные резьбы существенно сложнее и, соответственно, дороже.

Достоинства и недостатки резьбовых соединений

Достоинства резьбовых соединений

Резьбовые соединения имеют ряд существенных достоинств, благодаря которым они занимают ведущее место среди всех других соединений деталей в современном машиностроении. К таким достоинствам можно отнести:

• возможность многократной сборки-разборки;
• удобство сборки-разборки;
• высокая надёжность;
• простота конструкции;
• дешевизна (вследствие стандартизации);
• технологичность;
• возможность регулировки силы сжатия;
• при небольшой силе на ключе создают значительные силы затяжки вследствие клинового действия резьбы и большого отношения длины L гаечного ключа к радиусу r резьбы (L/r ≈ 28) . Так, сила затяжки винта М12 может составлять 20000 Н (около 2 тонн) ;
• позволяют производить сборку деталей при различном взаимном их расположении.

Недостатки резьбовых соединений:

• концентрация напряжений во впадинах резьбы;
• низкая вибрационная стойкость (самоотвинчивание при вибрации) .

Область применения резьбовых соединений

Резьбовые детали в виде винтов, болтов и шпилек с гайками применяют для крепежа – соединения нескольких деталей в одно целое. Роль гайки может выполнять корпусная деталь.

Примеры соединений с помощью резьбовых деталей:

• соединение в одно целое отдельных секций мостов, подъемных кранов;
• соединение нескольких сборочных единиц (редуктора и фланцевого электродвигателя; картера, блока цилиндров и головки блока в двигателе внутреннего сгорания; колеса с полуосью автомобиля) ;
• соединение деталей (крышки и основания корпуса редуктора; крышек подшипников с корпусом коробки передач) ; крепление узлов и деталей на основании (редуктора на плите; плиты к полу цеха; резца в суппорте токарного станка) .

Конические резьбы (рис. 1, ж, з) обеспечивают требуемую плотность (непроницаемость) соединения без каких-либо уплотнений — за счет радиального натяга. Их применяют для соединительной трубной арматуры, пробок, заглушек, штуцеров гидравлических систем, пресс-масленок.

Наряду с соединениями резьбовые детали применяют:

• в передачах винт-гайка, служащих для преобразования вращательного движения в поступательное;
• для регулирования осевых зазоров в подшипниках качения, регулирования конического зубчатого и червячного зацепления и др.

Основные геометрические параметры метрической резьбы

На рис.4 приведены основные геометрические параметры метрической резьбы – основной для крепежных изделий:

• d – наружный диаметр наружной резьбы (номинальный диаметр резьбы);
• d₁ – внутренний диаметр наружной резьбы;
• d₂ – средний диаметр (ширина впадины равна ширине выступа);
• d₃ – внутренний диаметр наружной резьбы по впадине;
• α – угол профиля;
• Р – шаг;
• Н – высота исходного треугольника: H = 0,5Р√3 ;
• Н₁ – рабочая высота профиля: Н₁ = 5Н/8 = 0,541 Р ;
• D, D₁ и D₂ – соответственно наружный, внутренний и средний диаметры внутренней резьбы.

Поскольку угол подъема винтовой линии зависит от диаметра цилиндра (причем угол подъема больше на меньшем диаметре), то принято угол ψ подъема резьбы определять на среднем диаметре d₂ :

Резьба одного номинального диаметра может иметь разные шаги. Так, для резьбы М64 крупный шаг – 6мм, мелкие шаги – 4; 3; 2; 1,5; 1мм. Меньшему шагу соответствует больший внутренний диаметр d₃ . Для крепежных деталей желательно применять резьбы с крупным шагом.
Резьбы с мелким шагом меньше ослабляют деталь, их отличает повышенное самоторможение, так как при малом шаге угол подъема винтовой линии мал. Мелкие резьбы применяют в резьбовых соединениях, подверженных действию переменных нагрузок (крепление колеса автомобиля, свечи зажигания ДВС) , а также в тонкостенных и мелких деталях, регулировочных устройствах (точная механика, приборы) .

Обычно применяют предварительно затянутые резьбовые соединения. Первоначальной затяжкой создают давление на стыке соединяемых деталей, что обеспечивает необходимую жесткость соединения и плотность стыка.

Момент сопротивления в резьбе

Выявим соотношение между силой T_зат затяжки и моментом T_р сопротивления в резьбе:

Из полученной зависимости следует, что момент сопротивления в резьбе тем больше, чем больше приведенный угол трения φ₁= φ/cosγn т.е. Т_р зависит от материала резьбовой пары и от угла γ наклона рабочей стороны профиля.
В метрической резьбе угол наклона профиля наибольший (γ = 30°) , поэтому и момент сопротивления в резьбе – наибольший. Для крепежных резьб это не является недостатком, поскольку момент сопротивления в резьбе препятствует самоотвинчиванию.

Момент Т_р сопротивления в резьбе скручивает стержень винта (создает касательные напряжения) .

Момент трения на торце гайки

Контакт гайки с плоской опорной поверхностью корпуса ограничен кольцом с внутренним диаметром, равным диаметру d₀ отверстия в корпусе под стержень винта, и наружным диаметром D , соответствующим границе фаски на опорной поверхности гайки.
Приближенно момент T_т трения на торце гайки определяют как произведение силы трения F_тр = F_затf_т на средний радиус R_ср=(d₀+D)/4 кольцевой поверхности:

здесь f_т – коэффициент трения на поверхности контакта.

В большинстве резьбовых соединений должна быть обеспечена стабильная работа без самоотвинчивания.

Условие самоторможения резьбы без учета трения на торце гайки по аналогии с наклонной плоскостью можно записать в виде: ψ < φ₁ ,
где: ψ – угол подъема резьбы (1,5. 3°);
φ₁ – приведенный угол трения (при f = 0,1. 0,3 φ₁=6. 16°).

Отсюда следует, что все крепежные резьбы — самотормозящие. Но это только при статическом действии нагрузок. При вибрациях φ₁ уменьшается вследствие микроперемещений поверхностей трения, сминания микронеровностей на рабочих поверхностях резьбы, и резьбовая пара отвинчивается.
Поэтому на практике широко применяют различные способы стопорения, в которых используют:

• дополнительное трение в резьбе или на торце гайки (пружинные шайбы, контргайки, фрикционные вставки в винты или гайки) ;
• фиксирующие детали (шплинты, проволоку, стопорные шайбы с лапками) ;
• приварку или пластическое деформирование (расклепывание, кернение) ;
• пасты, лаки, краски, герметики и клеи.

Способы изготовления резьбы

Резьбы могут быть изготовлены:

• нарезанием слесарным инструментом — метчиками, плашками (как вручную, так и на станках) . Для нарезания наружной резьбы используют различные резцы, плашки, резьбовые гребенки и фрезы, а для внутренней резьбы – метчики. Этот метод применяют в индивидуальном производстве и при ремонтных работах;
• нарезанием резцом на токарно-винторезном станке или на специальных болтонарезных станках;
• фрезерованием на специальных резьбофрезерных станках. Применяют для нарезки винтов больших диаметров с повышенными требованиями к точности резьбы (ходовые и грузовые винты, резьбы на валах и т. д.) ;
• накаткой на специальных резьбонакатных станках. Этим высокопроизводительным и дешевым способом изготовляют большинство резьб стандартных крепежных деталей (болты, винты и т. д.) . Накатка существенно упрочняет резьбовые детали;
• отливкой чугунных, пластмассовых, стеклянных деталей и деталей из цветных сплавов;
• выдавливанием для тонкостенных деталей (например, из латуни) .

Нарезание многозаходной резьбы любого профиля начинают так, как если бы требовалось нарезать однозаходную резьбу с шагом, равным длине хода. Нарезав первый виток на полный профиль, отводят резец поперечной подачей на себя и, давая ходовому винту обратный ход, возвращают суппорт в начальное положение.
Затем при неподвижном ходовом винте поворачивают деталь при двухзаходной резьбе — на половину оборота, при трехзаходной — на треть оборота и только после этого нарезают второй виток и т. д.

Обозначение многозаходных резьб на чертежах

В обозначение метрической многозаходной цилиндрической резьбы должны входить : буква «М», номинальный диаметр резьбы, знак «×», буквы «Рh», значение хода резьбы, буква «Р» и значение шага.

Примеры обозначения многозаходной метрической резьбы :
М16×Рh 3 Р1,5–6g, где 16 – номинальный диаметр резьбы, 3 – ход, Р – обозначение шага, 1,5 – шаг, 6g – поле допуска резьбы;
М16×Рh 3 Р1,5–LH –6g, – та же резьба, но левая.

Условное обозначение трапецеидальной многозаходной резьбы состоит из букв «Tr», значения номинального диаметра резьбы, числового значения хода и в скобках буквы «Р» и числового значения шага. Поле допуска и длину свинчивания обозначают так же, как и для однозаходной резьбы.

Примеры обозначения наружной резьбы (на стержне ):
Tr20×8 (Р4) – 8е – трапецеидальная двухзаходная резьба диаметром 20 мм с ходом 8 мм и шагом 4 мм;
Tr20×8 (Р4) – 8е – 110 – та же резьба при длине свинчивания L = 110 мм;
Tr20×8 (Р4) LH – 8е – 110 – та же резьба, но левая.

Пример обозначения внутренней резьбы (для отверстия) :
Tr20×8 (Р4) – 8Н.

В условное обозначение упорной многозаходной резьбы входят буква «S», номинальный диаметр резьбы, ход и в скобках буква «Р» и значение шага.

Примеры обозначения упорной многозаходной резьбы :
S80×20 (Р10) – двухзаходная резьба диаметром 80 мм с шагом 10 мм и значением хода 20 мм;
S80×20 (Р10)LH – та же резьба, но левая.

Прямоугольная резьба не стандартизована и применяется в соединениях, где не должно быть самоотвинчивания под действием приложенной нагрузки. Так как профиль этой резьбы не стандартизован, то на чертежах прямоугольную резьбу задают в соответствии с конструктивными размерами: наружным и внутренним диаметрами, шагом, шириной зуба.
В обозначении резьбы указывают словами ее вид, число заходов (если она не однозаходная) и направление (если она левая).
Квадратная резьба является частным случаем прямоугольной.

http://www.k-a-t.ru/detali_mashin/9-dm_pezba/