Резьбовое соединение

Резьбовое соединение — крепёжное соединение в виде резьбы. Используется метрическая и дюймовая резьба различных профилей в зависимости от технологических задач соединения.

Характеристики резьбовых соединений

Достоинства:

• технологичность;
• взаимозаменяемость;
• универсальность;
• надёжность;
• массовость.

Недостатки:

• раскручивание (самоотвинчивание) при переменных нагрузках и без применения специальных устройств (средств).
• отверстия под крепёжные детали, как резьбовые, так и гладкие, вызывают концентрацию напряжений.
• для уплотнения (герметизации) соединения необходимо использовать дополнительные технические решения.

Примечание: коническая резьба обладает свойством герметичности и самостопорения.

Краткая история

Схема «резьбового» сустава у жука тригоноптеруса

Долгое время считалось, что резьбовое соединение, наряду с колесом и зубчатой передачей, является великим изобретением человечества, не имеющим аналога в природе. Однако в 2011 г. группа ученых из Технологического института Карлсруэ опубликовала в журнале Science статью о строении суставов у жуков-долгоносиков вида Тригоноптерус облонгус (англ. Trigonopterus), обитающих на Новой Гвинее. Оказалось, что лапы этих жуков соединены с телом с помощью вертлуга, который ввинчивается в коксу (тазик) – аналог тазобедренного сустава у насекомых. На поверхности вертлуга расположены выступы, напоминающие конический винт. В свою очередь, поверхность коксы также снабжена резьбовой выемкой. Такое соединение обеспечивает более надежное крепление конечностей, чем шарнирное, и гарантирует ведущему древесный образ жизни насекомому большую устойчивость.

Первые крепёжные детали, имеющие резьбы, начали применяться в Древнем Риме в начале н. э. Однако из-за высокой стоимости они использовались только в ювелирных украшениях, медицинских инструментах и других дорогостоящих изделиях.

Широкое применение болты и гайки нашли в пятнадцатом столетии. Они соединяли подвижные сегменты брони доспехов и части часовых механизмов. Станок немецкого первопечатника Иоганна Гутенберга, созданный в период между 1448 и 1450 годами, имел резьбовые соединения, детали его скреплены винтами. Конгруэнтные винтам отдельные детали с резьбой на внутренней стенке цилиндра, специально служащие для крепления, то есть гайки возникли лишь полторы сотни лет спустя. В начале семнадцатого столетия появилось резьбовое соединение, сходное с современным. Первоначально шаг резьбы был дюймовым, и только в начале 19 века французы ввели в обиход метрическую резьбу. Гайки нашли широкое применение в различных сферах техники, и, подобно всякому часто используемому предмету, стали совершенствоваться и изменяться по своей форме, размеру, материалу и функциональному предназначению. Возникли гайки квадратные, восьми- и шестигранные, колпачковые (“глухие ”), прорезные (корончатые), барашковые. Переоценить пользу гаек и болтов трудно, пожалуй, столь же тяжело придумать технологическую сферу, где не использовались бы элементы резьбового соединения, в силу его простоты, надёжности и универсальности.

Классификация резьбовых соединений

• резьбовое соединение при непосредственном скручивании соединяемых деталей (резьба имеется на этих деталях);
• резьбовое соединение при помощи дополнительных соединительных деталей, например, болтов, шпилек, винтов, гаек и т.д;
  • болтовое соединение;
  • винтовое соединение;
  • шпилечное соединение.

Болтовое соединение

Винтовое соединение

Шпилечное соединение

Механические свойства резьбового соединения

Механические свойства болтов, крепёжных винтов и шпилек

Механические свойства болтов, крепёжных винтов и шпилек из углеродистых нелегированных и легированных сталей по ГОСТ Р 52627-2006 (ISO 898-1:1999) при нормальных условиях характеризуют 11 классов прочности: 3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9 . Первое число, умноженное на 100, определяет номинальное значение предела прочности на растяжение в ^Н/_мм², второе число (отделённое точкой от первого), разделенное на 10, — отношение предела текучести к номинальному пределу прочности на растяжение. Произведение этих чисел, умноженное на 10, определяет номинальный предел текучести в ^Н/_мм².

Механические свойства гаек

Гайки из углеродистых нелегированных и легированных сталей по ГОСТ Р 52628-2006 (ISO 898-2:1992, ISO 898-6:1994) разделяются по классу прочности (d — номинальный диаметр резьбы):

• 4; 5; 6; 8; 9; 10; 12 — для гаек с нормальной высотой, равной или более 0,8d, и крупной резьбой;
• 5; 6; 8; 10; 12 — для гаек с нормальной высотой, равной или более 0,8d, и мелкой резьбой;
• 04; 05 — для гаек с номинальной высотой от 0,5d до 0,8d.

Класс прочности для гаек с нормальной высотой указывает на наибольший класс прочности болтов, с которыми они могут создавать соединение, то есть на первую из цифр в обозначении класса прочности соответствующего болта.

Для гаек с номинальной высотой от 0,5d до 0,8d первая цифра «0» указывает на более низкую нагрузочную способность резьбового соединения с такой гайкой, а вторая цифра, умноженная на 100, соответствует номинальному напряжению от пробной нагрузки при испытаниях.

Таблица 1

Механические свойства и маркировка наиболее употребительного крепежа.

Класс прочности болта	Материал	Напряжение от пробной нагрузки	Предел текучести, не менее	Предел прочности на растяжение, не менее	Маркировка болта	Маркировка гайки	Класс гайки
По ГОСТ Р 52627-2006, ISO 898-1:1999
5.8	Низко или средне углеродистая сталь	380 МПa	420 МПа	520 МПа			5
8.8	Среднеуглеродистая сталь, закалённая и отпущенная	580 МПа	640 МПа, (условный предел текучести)	800 МПа			8
10.9	Углеродистая сталь с добавками. Легированная сталь	830 МПа	940 МПа, (условный предел текучести)	1040 МПа			10
По SAE J429
2	Низко или средне углеродистая сталь	55 ksi	57 ksi	74 ksi			2
5	Средне углеродистая сталь	85 ksi	92 ksi	120 ksi			5
8	Легированная сталь	120 ksi	130 ksi	150 ksi			8

Таблица 2

Механические свойства болтов, шпилек, винтов по ГОСТ Р 52627-2006

Болты		Применяемые гайки		Предел прочности на растяжение Rm, МПа		Предел текучести ReL, Rp0,2, МПа	Относительное удлинение после разрыва A, %	Ударная вязкость KU, Дж/cм2	Твердость по Бринеллю, НВ
Класс прочности	Марка стали	Класс прочности	Марка стали
				номин.	мин.				номин.	макс.
3.6	10, 10кп	4	Ст3кп, Ст3сп	300	330	180	25	-	90	238
4.6	20	5	10, 10кп, 20	400	420	240	22	55	114	238
4.8	10, 10кп					320	14	-	124
5.6	30, 35	6	Ст5, 15, 15кп, 35	500	520	300	20	50	147	238
5.8	10, 10кп, 20, 20кп					400	10	-	152
6.6	35, 45, 40Г	8	20, 20кп, 35, 45	600	600	360	16	40	181	238
6.8	20, 20кп					480	8	-
8.8	35, 35Х, 38ХА,45Г 40Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА, 16ХСН, 20Г2Р	9	35Х, 39ХА	800	830	640	12	60	238	318
9.8		10	40Х, 40ХГСА, 16ХСН	900	900	720	10	50	276	342
10.9		12	30ХГСА	1000	1040	900	9	40	304	361
12.9		12	30ХГСА, 40ХН2МА	1020	1200	1080	8	30	366	414

Стопорение резьбового соединения

Стопорение — предотвращение самоотвинчивания.

Несмотря на то, что резьба резьбового соединения имеет угол подъёма винтовой линии намного меньше, чем угол трения, вибрация, переменные нагрузки, нарушение технологии способствуют рассоединению (самоотвинчиванию) деталей резьбового соединения. Для предотвращения этого применяются специальные устройства (средства, методы), такие, как:

• контрование;
• шплинтование;
• вязка (обвязка) проволокой;
• установка пружинной шайбы;
• установка стопорной шайбы с лапкой или носком;
• приварка, пайка, расклёпывание, кернение;
• нанесение на резьбу клея, лаков, краски;
• использование вязких элементов;
• использование гаек с некруглой резьбой;
• использование анкерных гаек.

Контрование

Создание дополнительного трения в резьбовом соединении при помощи контргайки. Дополнительно встречается и сочетание с другими способами, т.е. контргайку шплинтуют, обвязывают проволокой, кернят и т.д. Самый простой способ стопорения, недостатком является двукратный расход гаек против положенного.

Шплинтование

Применение деформируемого элемента — шплинта. Шплинт — стальная проволока полукруглого сечения, сложенная вдвое, пропускаемая через радиальное отверстие в резьбе и фиксирующая прорезные и корончатые гайки относительно болта.

Вязка (обвязка) проволокой

Фиксация крепёжных элементов (болтов, гаек) при помощи обвязки проволокой относительно неподвижных элементов конструкции или расположенных рядом однотипных крепёжных элементов.

Установка пружинной шайбы

Установка пружинной шайбы (так называемая шайба Гровера) под гайку или головку болта с созданием дополнительного натяжения в резьбе и предотвращением вращения соединительных деталей. Стопорящее действие шайбы Гровера основано на врезке острых кромок шайбы в прилегающие к ней поверхности при попытке отворачивания вплоть до начала снятия стружки, что препятствует неконтролируемому прокручиванию гайки или болта после затяжки либо незначительного расслабления резьбового соединения.

Установка стопорной шайбы с лапкой или носком

Стопорение шестигранных болтов и гаек с помощью загибания специальных элементов шайбы.

Приварка, пайка, расклёпывание, кернение

Превращение резьбового соединения в условно разъёмное соединение, приваркой (пайкой) резьбы или гайки (головки болта) к конструкции или путём изменения профиля витка резьбы.

Нанесение на резьбу клея, лаков, краски

Фиксация происходит за счёт адгезии (прилипания, сцепления) при затвердении (полимеризации) клея, лаков, краски.

Этот метод имеет такие достоинства, как быстрый, надёжный, защищает резьбу от внешних воздействий атмосферы. Недостатки: требуется очистить резьбу от грязи и масел перед нанесением на неё связующего состава, низкая химическая стойкость против органических растворителей, кислот и щелочей, а также разрушение связующего элемента от воздействия температуры.

Использование гаек с некруглой резьбой

Это очень простой способ, заключающийся в том, что обычную шестигранную гайку слегка сминают ударом молотка, резьбовое отверстие становится эллиптическим и завинчивается со значительным усилием. При этом возможно повреждение антикоррозионного покрытия болта или шпильки.

Использование анкерных гаек

По сути метод похож на использование гаек с некруглой резьбой. Анкерные гайки имеют разрез с одной стороны вдоль оси. Отверстие в этом месте слегка сжато, разрезанные участки слегка пружинят и хорошо противостоят самопроизвольному отвинчиванию. Как правило, вторая сторона анкерных гаек имеет фланец, которым гайка крепится неразъёмным соединением (клёпкой или сваркой) с одной из соединяемых деталей.

Этот способ наиболее широко используется в авиации. Почти все лючки, съёмные панели на крыльях и фюзеляже привинчиваются винтами к анкерным гайкам. Винтовое соединение может использоваться многократно без ухудшения характеристик. Важным свойством является и то, что доступ к винтам возможен только с одной стороны, и другие способы стопорения резьбы неприменимы.

См. также

• Резьба.

Литература

1. Гулиа Н. В., Клоков В. Г., Юрков С. А. Детали машин. — М.: Издательский центр "Академия", 2004. — С. 416. — ISBN 5-7695-1384-5
2. Богданов В. Н., Малежик И. Ф., Верхола А. П. и др. Справочное руководство по черчению. — М.: Машиностроение, 1989. — С. 864. — ISBN 5-217-00403-7
3. Под ред. Ишлинский А. Ю. Новый политехнический словарь. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. — С. 671. — ISBN 5-7107-7316-6

Ссылки

• Исторические очерки - Болты и гайки