Моменты в резьбовых соединениях и их стопорение

При стягивании деталей усилием затяжки F_3aT с помощью резьбовых крепежных деталей в резьбовой паре возникает осевая сила F_a * F_3fir под действием приложенной силы завинчивания F_{t зав}. Зависимость между силами F_{t зав} и F_a определяется формулой (19.1).

Если считать окружную силу F_{t зав}, приложенной на среднем радиусе резьбы d₂, момент в резьбе, необходимый для получения осевой силы F_a (см. рис. 19.1).

При отвинчивании зависимость между необходимой окружной силой F_torB и усилием F_a определяется формулой (19.2), тогда.

Осевая сила F_a прижимает гайку к поверхности соединяемой детали, поэтому при завинчивании и отвинчивании гайки на ее торце возникает трение, для преодоления которого требуется приложить момент.

где f — коэффициент трения скольжения торца гайки по поверхности соединяемой детали; R_r — приведенный радиус сил трения на торце гайки. В приближенных расчетах можно принимать Rj. = (D_t + d)/4, где D_x — наружный диаметр опорной поверхности гайки (см. рис. 19.5, м).

При завинчивании резьбового соединения момент Т_зав, передаваемый со стороны инструмента на гайку, преодолевает моменты сил трения в резьбе Т_{р зав} и на торце гайки Т_т:

При отвинчивании соединения момент на инструменте.

При статическом нагружении развинчивание соединения исключено благодаря свойству самоторможения резьбы. Однако при вибрациях, приводящих к взаимному смещению деталей, коэффициенты трения в резьбе и на торце гайки существенно уменьшаются, нарушаются условия самоторможения и происходит отвинчивание резьбового соединения. Отвинчивание возможно и при действии переменных внешних сил в плоскости стыка, создающих момент, передаваемый на гайку или головку болта и приводящий к их отвинчиванию. Поэтому в ЛА, в автомобилях и в других ответственных механизмах резьбовые соединения могут надежно работать только в застопоренном состоянии.

Существуют различные методы стопорения резьбовых соединений:

• ? создание дополнительных сил трения путем радиального или осевого давления;
• ? фиксация резьбовой детали специальными запирающими устройствами;
• ? стопорение сваркой, пайкой и местными пластическими деформациями.

Элементы, стопорящее действие которых основано на создании дополнительных сил трения (рис. 19.6, а—е), применяются для менее ответственных соединений. Эти элементы наиболее эффективны при действии на соединение только осевых нагрузок.

При использовании контргайки (рис. 19.6, а) создается дополнительная сила трения даже при отсутствии затяжки соединения. Контргайку затягивают, удерживая от вращения основную гайку. При этом стержень болта между гайками упруго деформируется, сжимая их и создавая большую силу трения. Следует отметить, что в конструкции с контргайкой увеличиваются габариты и масса соединения. Для снижения массы применяются гайки уменьшенной высоты. Стопорение контргайкой в конструкциях ЛА не используется.

Для соединений большого диаметра применяются разрезные кольцевые гайки со стягивающими или распорными винтами (рис. 19.6, б).

Пружинные шайбы (рис. 19.6, в) за счет своей упругости обеспечивают при колебаниях нагрузки сохранение сил трения в резьбе. По аналогичному принципу работают храповые шайбы с наружными или внутренними зубьями (рис. 19.6, г), применяемые как для гаек и болтов, так и для винтов, в том числе с потайной головкой. В отличие от шайб по рис. 19.6, в эти шайбы при затяжке соединения не приводят к появлению.

Рис. 19.6.

напряжений изгиба в стержне болта и к снижению его прочности. Шайбы с наружными зубьями предпочтительнее, так как создают больший момент трения. Все виды пружинных шайб при действии осевой нагрузки оказывают благоприятное влияние на стабильность затяжки и усталостную прочность соединения.

Высокие стопорящие свойства имеют самоконтрящиеся гайки различных модификаций по ОСТ1. Дополнительное трение в соединении создается натягом в верхней части гайки (рис. 19.6, д), сдеформированной на эллипс (неразрезная коронка) или по окружности (коронка с прорезями) после выполнения в ней резьбы. Некруглая или коническая часть гайки становится цилиндрической при навинчивании. Фиксирование обеспечивается, даже если соединение не затянуто. Их применение целесообразно в труднодоступных местах. Разновидностью самоконтрящихся гаек являются гайки с гладкими кольцами из капрона, деформируемыми при завинчивании (рис. 19.6, е)_у за счет чего повышается трение.

Формозапирающие устройства (рис. 19.6, ж—л) используются при динамических нагрузках и в ответственных соединениях. Повторная деформация запирающих элементов (шплинтов, шайб, проволоки) не рекомендуется во избежание их поломки.

Стопорение шплинтами применяется в соединениях с прорезными или корончатыми гайками (рис. 19.6, ж). При затяжке гайки одна из ее прорезей должна совместиться с отверстием в болте. Основным недостатком такого соединения является ступенчатость регулировки затяжки, что при коротких болтах может привести к существенным перетяжкам или недотяжкам.

Стопорные шайбы для гаек, болтов и винтов имеют различные конструкции (рис. 19.6, з—к). Лапки одинарных шайб (рис. 19.6, з) фиксируются на краю детали или заводятся в отверстие или паз. При большом расстоянии от края или уступа соединяемой детали применяются шайбы для попарного стопорения (рис. 19.6, и). Для стопорения круглых гаек, закрепляющих на валах подшипники и детали, используются многолапчатые стопорные шайбы (рис. 19.6, к).

Для стопорения групповых резьбовых соединений, регулировочных и установочных винтов применяется обвязка мягкой проволокой из отожженной стали (рис. 19.6, л). При этом используются стандартные гайки, болты и винты с отверстиями. При большом числе резьбовых соединений для повышения надежности их рекомендуется стопорить попарно. Стопорение проволокой позволяет осуществлять «бесступенчатую» затяжку, поэтому широко находит применение в соединениях с короткими болтами, особенно при тарированной затяжке.

В некоторых болтах для исключения их проворачивания выполняются специальные элементы в виде срезов головки (рис. 19.6, м). Применение этих болтов предусматривает наличие паза или уступа на скрепляемых деталях. Срезы располагаются с двух сторон головки во избежание несоосного нагружения стержня, приводящего к изгибу.

Стопорение сваркой, пайкой и пластическим деформированием практически превращает соединение в неразъемное. Приваривание и припаивание осуществляется в двух точках (рис. 19.6, и). Накернивание является наиболее простым и надежным способом стопорения соединений с потайными или утопленными головками (рис. 19.6, о). При высокой твердости соединяемых деталей в зазор между головкой болта или винта и соединяемой деталью закладывается и раскернивается деталь из пластичного материала (рис. 19.6, л).

В механизмах малой мощности используется стопорение соединений с потайными или утопленными головками путем нанесения покрытий краской или эмалью, которые должны затекать в зазор (рис. 19.6, р).

Стопорение шпилек в соединяемой детали осуществляется различными способами. Наиболее простой способ стопорения — деформация резьбы в соединяемой детали на участке сбега резьбы шпильки (рис. 19.6, с). При этом возникает радиальный натяг, благоприятно влияющий на усталостную прочность шпильки. Эффективность стопорения возрастает с уменьшением «угла» сбега. При посадке шпильки в соединяемую деталь с натягом по среднему диаметру резьбы обеспечивается стабильность затяжки и высокая усталостная прочность шпильки. Иногда посадка с натягом заменяется посадкой с помощью клея, при другом способе стандартная шпилька завинчивается в гладкое отверстие корпуса, особенно если корпус из алюминиевого или магниевого сплава.