Материалы крепёжных деталей

Материалы крепёжных деталей. Основные механические характеристики (предел прочности σв, предел текучести σТ и относительное остаточное удлинение δ) материалов болтов, шпилек, гаек и шайб нормированы соответствующим ГОСТом. Выбор материала определяется условиями работы, технологией изготовления деталей и др. В массовом производстве крепёжные детали изготовляют из углеродистых сталей обыкновенного качества (Ст3, Ст4, Ст5), качественных конструкционных сталей (сталь10…сталь45), автоматных сталей (А12, А20, А30), легированных конструкционных сталей (15Х, 35Х, 45Х), бронз, латуней, пластмасс и др. Для защиты крепёжных деталей из углеродистых сталей от коррозии на них наносят окисные плёнки или гальванические покрытия толщиной 6…12 мкм.

Критерии работоспособности и расчёты резьбовых соединений. Опыт эксплуатации машин и конструкций показал, что отказ соединений обычно происходит из-за разрушения резьбовых деталей и разгерметизации стыков.

Разрушение соединений происходит, как правило, из-за поломок болтов и шпилек по резьбовой части. Иногда встречаются поломки болтов под головкой и срез витков резьбы в гайке (корпусе) и на болте (шпильке).

Для предотвращения разрушения соединений вследствие среза резьбы и отрыва головок болтов стандартные гайки изготовляют высотой Н=0,8d, а высоту головок болтов (винтов) принимают h=(0,5…0,6)d.

Потеря плотности стыков происходит, как правило, из-за чрезмерной внешней нагрузки или недостаточной силы затяжки болтов.

Таким образом, прочность и плотность соединений являются основными критериями их работоспособности.

Расчёт на прочность элементов резьбы. Практически резьбы на прочность рассчитывают по напряжения среза и проверяют на смятие.

В общем случае условие прочности резьбы на срез и смятие имеют вид:

, (18)

, (19)

где F – осевая нагрузка, действующая на резьбовое соединение;

Аср, Асм – соответственно площадь среза и смятия.

Площадь среза ср= zs`πdp, где z – число витков в гайке; s`=pψ — высота среза; ψ – коэффициент полноты резьбы, зависящий от её типа; dр – расчётный диаметр, равный d1 при одинаковом материале ,болта и гайки или d – при менее прочном материале гайки. Площадь смятия

.

Высота гайки H определяется из условия равнопрочности стержня винта и резьбы и обычно принимается H≈0,8d. Число витков гайки, как правило, не превышает 10.

Основные случаи нагружения и расчёта резьбовых соединений. Расчёт незатянутых болтов при действии осевой нагрузки. Расчётная схема показана на рис. 19. Стержень болта работает на растяжение и под действием силы F может разрушиться по внутреннему диаметру d1. В качестве основной расчётной зависимости является условие прочности стержня на растяжение:

(20)

После подстановки значения площади поперечного сечения стержня болта находят значение внутреннего диаметра болта

(21)

Затем по найденному внутреннему диаметру резьбы подбирают стандартный болт.

Расчёт болтов при действии поперечной нагрузки. Рассмотрим два варианта: болты поставлены в отверстие с зазором (рис. 20 а) и без зазора (рис. 20 в). В обоих вариантах должен быть полностью исключён относительный сдвиг собранных деталей.

В первом случае (рис. 20а, б) относительный сдвиг соединяемых деталей исключается затяжкой болтов, в результате которой детали окажутся взаимно прижатыми силами N, вследствие чего на поверхностях относительного скольжения деталей возникнут силы трения

. (22)

Так как N=F, то усилие F затяжки болта при заданной поперечной нагрузке Q определяется из условия (23)

(23)

В общем случае, когда скрепляется в пакет n деталей несколькими болтами (z – число болтов), усилие затяжки одного болта определяют по формуле

(24)

где k ≥ 1,5 – коэффициент запаса сцепления;

i=n-1 – количество плоскостей относительного скольжения деталей.

Растягивающая болт сила F появляется при затяжке соединения. Болты, поставленные с зазором, одновременно испытывают растяжение и кручение. Такие болты можно рассчитывать по формуле (21), умножив усилие затяжки болта F на коэффициент β, учитывающий влияние касательных напряжений τ от кручения на прочность болта. При среднем диаметре d2 ≈ 1,2d1, угле подъёме винтовой линии λ=2,5º и коэффициенте трения f=0,15 коэффициент β≈1,3.

(25)

Болты без зазора (рис. 22 в) обычно ставят в отверстия на напряжённой посадке. Благодаря этому исключается относительное смещение деталей узла без затяжки гаек. Поперечная нагрузка Q может вызвать срез болтов по плоскости скольжения деталей узла и смятие на поверхностях контакта болтов со стенками отверстия. Поэтому болты без зазоров рассчитываю на срез стержней, определяя расчётный диаметр,

, (26)

а затем проверяют на смятие по наименьшим поверхностям контакта стержней с отверстиями

(27)

Расчёт болтов при эксцентричном приложении нагрузки. На рис. 21 показано крепление крышки резервуара болтами с эксцентричной головкой. Такие болты работают на растяжение от силы F и на изгиб от момента M=Fe. Их рассчитывают по эквивалентным напряжениям

(28)

где e ≤ d – эксцентриситет силы F.

Следует избегать применения болтов с эксцентричной головкой и не допускать появления подобных схем нагружения от случайных причин, так как при этом величина эквивалентного напряжения может достичь (8…10)σр в зависимости от е.

2.2.2. Шпоночные и шлицевые соединения

Шпоночным соединением называют соединение вала со ступицей колеса с помощью детали, называемой шпонкой. Шпонки делят на призматические (рис. 22 а), сегментные (рис. 22 б) и клиновые (рис. 22 в). Для основных типов шпонок в зависимости от номинального диаметра d вала стандартом установлены размеры сечений шпонок (h и b) и пазов для них.

Призматические шпонки создают ненапряжённые соединения. Они используются в конструкциях наиболее часто. К достоинствам этих шпонок следует отнести сравнительно небольшую глубину врезания в вал, они легко монтируются и демонтируются. Призматические шпонки имеют прямоугольное сечение с отношением высоты к ширине от h/b=1 (для валов диаметром до 22мм) до h/b=0,5 (для валов больших диаметров). Рабочими у призматических шпонок являются боковые узкие грани. В радиальном направлении предусмотрен зазор. Недостатками являются повышенные требования к точности изготовления и сборки, а также отсутствие фиксации деталей в осевом направлении.