Резьбовое соединение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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

Характеристики резьбовых соединений[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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, 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[править | править вики-текст]

  • резьбовое соединение деталей с резьбой, нарезанной непосредственно на этих деталях, детали вкручиваются одна в другую;
  • резьбовое соединение при помощи дополнительных соединительных деталей, например, болтов, шпилек, винтов, гаек и т.д;
Болтовое соединение
Винтовое соединение
Шпилечное соединение

Механические свойства резьбового соединения[править | править вики-текст]

Механические свойства болтов, крепёжных винтов и шпилек[править | править вики-текст]

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[1]. 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[править | править вики-текст]

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[2]
По ГОСТ Р 52627-2006, ISO 898-1:1999
5.8 Низко или средне
углеродистая сталь
380 МПa 420 МПа 520 МПа Bolt marking Metric 5 8.png Nut marking Metric Class 5 8.png 5
8.8 Среднеуглеродистая
сталь, закалённая и отпущенная
580 МПа 640 МПа,
(условный предел текучести)
800 МПа Bolt marking Metric 8 8.png Nut marking Metric Class 8 8.png 8
10.9 Углеродистая сталь
с добавками.
Легированная сталь
830 МПа 940 МПа,
(условный предел текучести)
1040 МПа Bolt marking Metric 10 9.png Nut marking Metric Class 10 9.png 10
По SAE J429[3]
2 Низко или средне
углеродистая сталь
55 ksi[4] 57 ksi 74 ksi Bolt marking SAE Grade 2.png Nut marking SAE Grade 2.png 2
5 Средне
углеродистая сталь
85 ksi 92 ksi 120 ksi Bolt marking SAE Grade 5.png Nut marking SAE Grade 5.png 5
8 Легированная сталь 120 ksi 130 ksi 150 ksi Bolt marking SAE Grade 8.png Nut marking SAE Grade 8.png 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/см2 Твердость по Бринеллю, НВ
Класс прочности Марка стали[5] Класс прочности Марка стали[6]
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[7] 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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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

Шплинтование[править | править вики-текст]

Применение деформируемого элемента — шплинта. Шплинт — стальная проволока полукруглого сечения, сложенная вдвое в форме иглы. Для такого метода крепления применяются специальные шлицевые "корончатые" гайки, а в теле болта на заранее рассчитанном расстоянии (под крепление конкретной детали) сверлится отверстие под толщину конкретного типоразмера шплинта. Гайка затягивается с требуемым усилием, а затем доворачивается до совпадения ближайших шлицов с отверстием в болте, после чего вставляется шплинт, который и фиксирует гайку от отворачивания. Для предотвращения выпадения шплинта его выступающие усы просто разгибаются в противоположные стороны, а на порядочной технике усы обрезаются под строго заданную длину, загибаются в виде буквы "П" и выступающие концы плотно фиксируются в в соседних свободных шлицах гайки.

При разборке резьбового соединения со шплинтом требуется специальный инструмент - шплинтодёр. Повторное использование шплинтов нежелательно, а в ряде случаев и категорически запрещено.

Также шплинты применяются не только для фиксации гаек, но и для малонагруженных безрезьбовых соединений типа ось-тяга, в которых свободно сочленённые детали шплинт удерживает от бокового перемещения (выпадания), обычно через шайбу.

Вязка (контровка) проволокой[править | править вики-текст]

Для резьбовых соединений, регулярно подвергающихся в процессе эксплуатации разборке, применяется способ фиксации от отворачивания контровочной проволокой (контровкой). В боковой грани гайки или шляпки болта (или иной подобной детали) просверливается отверстие, через которое пропускается контровочная проволока. Свободные концы проволоки свиваются "в косичку" и затем один конец пропускается в отверстие в неподвижной детали конструкции, предназначенного для контровки, либо до соседнего болта или гайки (парная контровка), и затем снова свивается. Такая свитая проволока туго в натяг и на заворачивание фиксирует резьбовое соединение.

Подобное крепление уже давно имеет самое широкое применение в мировой авиации. Отечественной промышленностью выпускаются стальные контровочные проволоки на 0,5, 0,8, 1,0 и 2,0 мм.

Установка пружинной шайбы[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Стопорение шестигранных болтов и гаек с помощью загибания специальных элементов шайбы, для чего в оси (болте) прорезается шпон-паз (иногда делается углубление в теле фиксируемой детали).

Приварка, пайка, расклёпывание, кернение[править | править вики-текст]

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

В случае, если разборка узла в эксплуатации не предусматривается, то для предотвращения отворачивания гаек иногда используют способ физического разрушения части резьбового соединения после затяжки, методом насечки специальным инструментом (керном).

Нанесение на резьбу клея, лаков, краски[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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 (самоконтрящихся) гаек[править | править вики-текст]

По сути метод похож на использование гаек с некруглой резьбой. Анкерные гайки имеют разную конструкцию, общий смысл крепления заключается в том, что при заворачивании гайки конечная часть резьбы заходит с значительным сопротивлением, вызванным подпружиненными элементами конструкции гайки либо юбкой в форме эллипса.

Этот способ широко используется в авиации. Все многочисленные люки и панели на крыльях и фюзеляже, а также другие съёмные элементы конструкции на обшивке, не требующие частого вскрытия в процессе эксплуатации, привинчиваются винтами к анкерным гайкам, которые в свою очередь жёстко фиксируются (разными способами) во внутренних полостях конструкции планера. Такое резьбовое соединение может использоваться достаточно многократно без существенного ухудшения характеристик. Важным свойством является и то, что доступ к винтам возможен только с одной стороны, и другие способы стопорения резьбы конструктивно неприменимы.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. В утратившем силу в РФ стандарте ГОСТ 1497.4-87 существовал также класс прочности 6.6.
  2. Минимальный класс прочности гайки для данного класса прочности болта при создании болтового соединения.
  3. Стандарт, применяемый в автомобилестроении.
  4. ksi = 1000 psi = 6,89475729 MPa.
  5. ГОСТ Р 52627-2006 не определяет конкретные марки стали, указывая только на химический состав и некоторые механические свойства. Приведённые в таблице марки стали являются наиболее употребительными в технике для данных классов прочности.
  6. ГОСТ Р 52628-2006 не определяет конкретные марки стали, указывая только на химический состав и некоторые механические свойства. Приведённые в таблице марки стали являются наиболее употребительными в технике для данных классов прочности.
  7. В настоящее время данный класс прочности не применяется, см. Примечание 1.

Литература[править | править вики-текст]

  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[править | править вики-текст]