Винт (деталь)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Винт 6-32 (UTS) с шестигранной головкой для крестовой отвёртки, применяемый в персональных компьютерах
Винтовое соединение

Винт (от нем. Gewinde — нарезка, резьба, через польск. gwint) — крепёжное изделие для соединения деталей, с внутренней резьбой или без неё. Имеет вид стержня с наружной резьбой на одном конце и конструктивным элементом для передачи крутящего момента на другом[1]. Передающим усилие элементом могут являться различного рода головки, шлицы в торце стержня и тому подобное. Шуруп — это разновидность винта, отличается тем, что имеет коническое сужение на конце и более редкую резьбу. Шуруп, создающий резьбу при вкручивании, называется самонарезающим винтом — в просторечии «саморезом». Винт предназначен для образования резьбового соединения или фиксации[1]. Кроме соединения деталей, винты наряду с болтами могут выполнять функцию оси вращающихся деталей, служить направляющей для прямолинейного или вращательного движения и прочих целей[2].

История появления[править | править вики-текст]

Винтовой механизм был известен ещё в Древней Греции (как Архимедов винт). Позднее винт был описан греческим математиком Архитом Тарентским. В I веке до н. э. деревянные винтовые передачи уже широко применялись в странах Средиземноморья в составе масляных и винных прессов. В Европе XV века металлические винты в качестве крепёжных изделий были очень редки, если вообще были известны[3]. Ручные отвёртки (в оригинале — фр. tournevis[4]) появились не позднее 1580 года, хотя широкое распространение они получили только с началом XIX века[5]. Первоначально винты были одной из многочисленных разновидностей крепежа в строительстве, и применялись в плотницком и кузнецком ремёслах.

Широкое распространение металлических винтов началось после появления в 1760—1770 годах машин для их массового поточного изготовления[6]. Развитие этих машин поначалу шло двумя путями: промышленное изготовление винтов по дереву на одноцелевой машине, и мелкосерийная штамповка нужных винтов мастерами на полуручной машинке со сменной оснасткой.

Классификация[править | править вики-текст]

В зависимости от назначения существуют:

  • крепёжные винты (для разъёмного соединения деталей);
  • установочные винты (для взаимной фиксации деталей).

Крепёжные винты[править | править вики-текст]

Наиболее распространённым типом винта в технике является крепёжный винт. Такой винт является главной деталью разъёмного винтового соединения и представляет собой стержень с резьбой на одном конце и головкой на другом.

Головка винта служит для прижатия соединяемых деталей и захвата винта отвёрткой, гаечным ключом, инбусовым ключом или другим инструментом. Получили распространение крепёжные винты с круглой, шестигранной, квадратной и другими головками. Разновидность головки винта — секретка — применяется для затруднения откручивания винта посторонними. Например, винт с одним или двумя отверстиями на головке (вместо шлица), винты под Y-образную отвёртку и так далее. В СССР на железных дорогах (крепление путевых устройств) часто применялись 5-гранные болты. Для автолюбителей продаются «секретки» для крепления колёс автомобиля — все они, как правило, требуют своего уникального нестандартного ключа.

В России механические свойства болтов, крепёжных винтов и шпилек из углеродистых нелегированных и легированных сталей по ГОСТ 1759.4-87[7] (ISO 898/1-78) при нормальных условиях характеризуют 11 классов прочности: 3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9. Первое число, умноженное на 100, определяет номинальное временное сопротивление в Н/мм², второе число (отделённое точкой от первого), умноженное на 10, — отношение предела текучести к временному сопротивлению в процентах. Произведение чисел, умноженное на 10, определяет номинальный предел текучести в Н/мм². Наиболее распространены винты и болты с классом прочности 8.8 (нормальной прочности).

Соединение деталей с помощью винта и гайки называются болтовыми, а предназначенные для них винты, соответственно, болтами. Болты, как правило, имеют шестигранную головку «под ключ».

При соединении деталей, имеющих неплоскую поверхность, в местах расположения винтов делают приливы или делают местную обработку участка поверхности, чтобы опорные площадки для головки винта и гайки были плоскими. В противном случае возможен перекос соединения, что приведёт к возникновению дополнительных напряжений и может вызвать разрушение винта. В деталях из мягких материалов для винтовых соединений предусматривают прочные втулки. В тонких деталях желательно произвести местное утолщение под резьбу. При соединении материалов с различными электрическими потенциалами могут быть использованы втулки из изоляционных материалов или неметаллические винты[8].

Установочные винты[править | править вики-текст]

Установочные винты

Установочные винты применяются при необходимости зафиксировать взаимное расположение деталей относительно друг друга. Для этого на концах имеют различные выступы или углубления для лучшей фиксации деталей, а также, если имеется необходимость или возможность, изготавливают специальные отверстия под концы установочных винтов.

Примеры концов установочных винтов:

  • по ГОСТ 12414-94 Концы болтов, винтов и шпилек. Размеры. (ISO 4753:1999):
    • конический конец;
    • плоский конец;
    • цилиндрический конец;
    • засверлённый конец;
    • ступенчатый конец;
    • ступенчатый конец со сферой;
    • ступенчатый конец с конусом;
  • по другим стандартам:
    • рифлёный конец;
    • шариковый конец;
    • симметричные установочные винты со шлицами с обеих сторон (применяются при автоматической сборке).

Элементы винта[править | править вики-текст]

Винт с подголовником

Тремя основными элементами винта являются[1]:

  • Цилиндрический стержень — часть винта, непосредственно входящая в отверстие или вворачивающаяся в материал. Стержень частично или полностью покрыт резьбой. Длина нарезной части и глубина нарезки определяются в зависимости от материала, из которого изготовлен винт и материала соединяемых деталей, а также от диаметра резьбы[8].
  • Головка — часть винта, служащая для передачи на него крутящего момента. Имеет фаски под гаечный ключ или шлиц для отвёртки. Формы головки и шлица могут быть очень разнообразны.
  • Подголовник — необязательная часть винта, непосредственно примыкающая к головке и служащая для центрирования винта или предотвращения его проворачивания. Может иметь цилиндрическое, овальное, квадратное сечение.

Формы головок[править | править вики-текст]

Виды формы головок: (a) плоская, (b) выпуклая, (c) круглая, (d) грибовидная, (e) потайная, (f) полупотайная

В зависимости от предназначения различают следующие основные формы головок:

  • Плоская;
  • Выпуклая;
  • Круглая — обычно, в декоративных целях;[10]
  • Грибовидная — низкая головка сферической формы;
  • Потайная: коническая головка с плоской внешней поверхностью, предназначенная для утапливания в материал заподлицо, широко используется для шурупов;
  • Полупотайная: нижняя часть — как у потайной, но верх — не плоский, а закруглённый[10].

Виды шлицев[править | править вики-текст]

Screw Head - Slotted.svg

Прямой (плоский) шлиц
Screw Head - Phillips.svg

Крестообразный шлиц
Филлипс[11] (PH)
Screw Head - Pozidrive.svg

Крестообразный шлиц
Pozidriv/SupaDriv (PZ)
Screw Head - Square External.svg

Квадратная головка
Screw Head - Robertson.svg

Шлиц Робертсона
Screw Head - Hex External.svg

Шестигранная головка
Screw Head - Hex Socket.svg

Шестигранный шлиц (Аллен)
Pin-in-hex socket screw drive 003.png

Защищённый шестигранник
(pin-in-hex)
Screw Head - Torx.svg

Шлиц типа Torx (T, TX)
Screw Head - Torx Tamperproof.svg

Защищённый Torx (TR)
Screw Head - Tri-wing.svg

Шлиц Tri-Wing
Screw Head - Torq-set.svg

Шлиц Torq-set
Screw Head - Spanner.svg

Головка под вилочный ключ
(Snake-eye)
Screw Head - Triple Square.svg

Шлиц Triple square
XZN
Screw Head - Polydrive.svg

Шлиц Polydrive
Screw Head - One-way Clutch.svg

Шлиц One-way
Screw Head - Spline.svg

Звёздчатый 12-гранник
Screw Head - Double Hex.svg

Звёздчатый восьмигранник
Screw Head - Bristol.svg

Бристольский шлиц
Pentalobular.svg

Шлиц Pentalobe
(используется в Apple)

Предохранение винтовых соединений от самоотвинчивания[править | править вики-текст]

Пружинная шайба
Пружинная шайба
Предохранение от самоотвинчивания с помощью шплинта

Несмотря на то, что крепёжные резьбы изготавливаются таким образом, чтобы угол подъёма винтовой линии был меньше, чем угол трения, винтовые соединения всё же имеют склонность к самоотвинчиванию. Причиной этого служит работа таких соединений под действием динамических нагрузок. Вибрация, тряска, удары приводят к тому, что трение по резьбе между винтом и деталью резко уменьшается. Самоотвинчивание является важной проблемой, которая может привести к серьёзным последствиям. Было разработано большое количество самых разнообразных способов, предотвращающих самоотвинчивание. Их можно разбить на следующие группы[12]:

  • Предохранение путём создания повышенного трения у посаженного винта. Добиваются повышения трения либо по резьбе, либо между головкой винта и деталью. Этих целей достигают созданием дополнительного давления на винт. К подобным способам можно отнести использование контргаек (когда на основную гайку сверху сажают ещё одну, чаще меньшей высоты), использование разрезных гаек (гайка состоит из двух частей с отдельными резьбами, отдельные части иногда могут дополнительно стягиваться между собой винтом), использование гаек с упругим уплотнением (в гайках проложено кольцо упругого материала, которое после установки давит на винт), использование резиновых шайб (увеличивается трение под головкой винта), использование поджима соединяемых деталей пружинами (внизу отверстия, куда сажается винт, может быть установлена пружина, которая сжимается при завинчивании винта и затем давит на него, повышая трение по резьбе). Следует отменить, что использование контргаек является не самым эффективным способом, как по эксплуатационным характеристиками, так и вследствие того, что это приводит к перерасходу материала — требуется не только дополнительное количество гаек и более длинные винты, но зачастую и увеличение габаритов конструкции.
  • Применение пружинящих шайб, устанавливаемых под головки винтов. Прижатая в ходе завинчивания, такая шайба стремится вернуть прежний объём, создавая дополнительное давление на резьбу в продольном направлении. В качестве подобных шайб используются разрезные шайбы, фасонные шайбы с упругими звеньями, специальные шайбы упругого профиля. При применении пружинящих шайб следует иметь в виду, что их толщина не должна быть слишком большой. В противном случае существует вероятность появления эксцентриситета в направлении удерживающего усилия в винте, что может привести к отрыву головки. Также к этой группе можно отнести самостопорящиеся гайки, которые имеют на нижней поверхности острые края. Врезаясь в материал детали, такие гайки обеспечивают более прочную фиксацию. Однако, это справедливо только для небольших нагрузок.
  • Использование шплинтов, штифтов, винтов и пластинчатых пружин.
  • Применение деформируемых деталей. Подобные детали и шайбы имеют отгибаемые части, с помощью которых можно создавать упор, препятствующий самоотвинчиванию.
  • Изменение формы головки или конца винта, а также изменение формы соединяемых деталей. В этом случае концы винта могут быть расклёпаны, раскернованы или разогнуты в случае специальных винтов. Недостатком подобного рода защиты является плохая разбираемость соединения и чаще всего невозможность вторичного использования винтов.
  • Применение проволочных замков. Несколько винтов, установленные на место, могут быть скреплены между собой с помощью проволоки, пропущенной через отверстия в их головках. Крепко закрученная, проволока будет препятствовать самораскрутке.
  • Применение лаков или красок. В этом случае у головки винта или гайки наносятся капли лака или краски, которые сцепляют винт с деталью. Также может быть применена заливка краской утопленной головки винта.

Расчёт винтовых соединений[править | править вики-текст]

Величина крутящего момента, требуемого для вращения гайки по винту находится из уравнения[13]:

 M = P\cdot\mathrm{tg}\,(\alpha\pm\varrho')\frac{d_{cp}}{2} \!\,,

где

  • ~ P  — осевая нагрузка, действующая на гайку;
  • ~ d_{cp}  — средний диаметр винта;
  • ~ \alpha  — угол подъёма резьбы;
  • ~ \varrho' = \frac{\mu}{{\cos \beta}}  — угол трения;
  • ~ \mu  — коэффициент трения между материалами винта и гайки;
  • ~ \beta  — половина угла профиля резьбы (для метрической резьбы ~ \beta = 30^\circ , для дюймовой ~ \beta = 27^\circ30' ).

При затягивании винта или гайки в расчёт также следует принять трение между ними и поверхностью детали.

Расчёт на прочность винтовых соединений производится следующим образом[13]:

1. Случай, когда на детали, соединяемые винтом, действует сила, приложенная вдоль оси винта. В этом случае винт работает на растяжение, и уравнение прочности имеет вид:

 d_1 = \sqrt{\frac{4P}{\pi[\sigma]_p}} \!\,,

где

  • ~ d_1  — внутренний диаметр резьбы;
  • ~ [\sigma]_p  — допустимое напряжение на растяжение для материала винта.

По найденному ~ d_1 подбирают соответствующий винт, а затем гайку.


2. В случае, когда приходится осуществлять подтягивание болта под действием осевой нагрузки, в сечениях стержня возникают дополнительные напряжения от растяжения и кручения. Их учитывают в общем случае с помощью коэффициента запаса. Внутренний диаметр болта в этом случае находится по формуле:

 d_1 = \sqrt{\frac{\beta\cdot 4P}{\pi[\sigma]_p}} \!\,,

где

  • ~ \beta = (1,2\div1,3)  — коэффициент, учитывающий скручивание стрежня.


3. Если помимо прочности соединения требуется обеспечить его плотность, величина усилия, действующего на болт, будет находится в зависимости не только от приложенной силы, но и от упругости соединяемых элементов, а также в учёт следует брать величину необходимого предварительного затяга, определяющего плотность соединения.

Можно рассмотреть два случая.

а) Если болт соединяет жёсткие детали, то расчётное усилие ~ P_p = 2,6P

б) Если соединяемые детали упругие, то расчётное усилие ~ P_p = 2,3P .

Внутренний диаметр нарезанной части в обоих случаях определяется по формуле:

 d_1 = \sqrt{\frac{\beta\cdot 4P_p}{\pi[\sigma]_p}} \!\,z


4. Соединение деталей, находящихся под действием поперечных нагрузок. Возможны два случая:

а) Винт (болт) поставлен в соединение без зазора (зазор между стенками отверстия и стержнем). В этом случае он рассчитывается на срез и смятие по следующим формулам:

 \tau_{cp} = \frac{4P}{\pi d^2}\le[\tau]_{cp}\!\,,
 \sigma_{cm} = \frac{P}{ld}\le[\sigma]_{cm}\!\,,

где

  • ~ [\tau]_{cp}, [\sigma]_{cm}  — допускаемые напряжения на срез и смятие материала винта.


б) Болт поставлен в соединение с зазором. В этом случае затяжка должна быть значительно сильнее, иначе произойдёт сдвиг и случится перекос болта. Необходимо с помощью затяжки создать достаточные силы трения между стягиваемыми деталями. Расчёт ведётся на деформацию растяжения и кручения:

 d_1 = \sqrt{\frac{4\beta N}{\pi[\sigma]_p}} \!\,z
,

где

  • ~ N = \frac{P}{\mu}  — сила растяжения (~ P  — приложенное усилие, ~ \mu  — коэффициент трения между деталями).

Во многих случаях резьбу в винтах назначают конструктивно. В этом случае её проверяют на изгиб по следующим формулам[14]:

 \sigma_{i} = \frac{M_i}{W} = \frac{P\frac{t_2}{2}\cdot6}{2\pi d_1b^2}\le[\sigma]_{i}\!\,,

где

  • ~ t_2  — высота профиля резьбы;
  • ~ b  — толщина витка резьбы;
  • ~ z  — число витков.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 ГОСТ 27017-86. Изделия крепежные. Термины и определения
  2. Справочник конструктора точного приборостроения, с.279
  3. Am_Wood_Screws. Проверено 30 апреля 2010. Архивировано из первоисточника 31 мая 2012.
  4. Rybczynski 2000, pp. 32–36, 44.
  5. Rybczynski 2000, pp. 34, 66, 90
  6. Rybczynski 2000, pp. 75–99
  7. ГОСТ 1759.4-87
  8. 1 2 Справочник конструктора точного приборостроения, с.311
  9. Справочник конструктора точного приборостроения, с.282
  10. 1 2 George Mitchell. Carpentry and Joinery. Cengage Learning (1995).
  11. Филлипс на сайте Phillips Screw Company. (англ.)
  12. Справочник конструктора точного приборостроения, с.316
  13. 1 2 Справочник конструктора точного приборостроения, с.321
  14. Справочник конструктора точного приборостроения, с.322

Литература[править | править вики-текст]

  • ГОСТ 27017-86 Изделия крепёжные. Термины и определения.
  • Справочник конструктора точного приборостроения. Под ред. Ф. Л. Литвина. М.-Л., Изд. «Машиностроение», 1964. 944 с. с илл.

Ссылки[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «винт»