Расчет крепежных резьбовых соединений на прочность

Основным критерием работоспособности крепежных резьбовых соединений является прочность. Стандартные крепежные детали сконструированы равнопрочными по следующим параметрам: по напряжениям среза и смятия в резьбе, напряжениям растяжения в нарезанной части стержня и в месте перехода стержня в головку. Поэтому для стандартных крепежных деталей в качестве главного критерия работоспособности принята прочность стержня на растяжение, и по ней ведут расчет болтов, винтов и шпилек. Расчет резьбы на прочность выполняют в качестве проверочного лишь для нестандартных деталей.

.Как показали исследования, проведенные Н.Е. Жуковским, силы взаимодействия между витками винта и гайки распределены в значительной степени неравномерно, однако действительный характер распределения нагрузки по виткам зависит от многих факторов, трудно поддающихся учету (неточности изготовления, степени износа резьбы, материала и конструкции гайки и болта и т.д.). Поэтому при расчете резьбы условно считают, что все витки нагружены одинаково, а неточность в расчете компенсируют значением допускаемого напряжения.

Из рисунка 2,1 видно, что если на сопрягаемые резьбой детали (болт и гайку и пр.) действует осевая сила , то витки резьбы каждой детали работают на срез, смятие и изгиб.

Расчет крепежной детали рассчитывают на срез и смятие, так как расчет ее на изгиб по формулам сопротивления материалов весьма условен.

При одинаковых материалах сопрягаемых резьбовых деталей расчет резьбы на прочность производят по охватываемой детали по формулам: на срез витков

на смятие витков

где расчетное напряжение на срез резьбы, расчетное напряжение на смятие между витками резьбы, число витков резьбы, воспринимающих нагрузку, коэффициент полноты резьбы, показывающий отношение высоты витка в опасном сечении к шагу резьбы, допускаемое напряжение на срез резьбы, допускаемое напряжение на смятие резьбы.

Коэффициент полноты резьбы для метрической резьбы болтов, винтов и шпилек , гаек , трапецеидальной резьбы

Расчет винта на срез

,

- сила среза, Н;

- диаметр винта, мм.

Диаметр винта рассчитывается по формуле:

.

Расчет на разрыв тела винта

,

- сила разрыва, Н;

- диаметр винта, мм.

Диаметр винта рассчитывается по формуле:

.

Штифтовые соединения

Штифты в основном предназначены для точного взаимного фиксирования деталей, а также для передачи относительно небольших нагрузок. Применяются также специальные срезающиеся штифты, служащие предохранительным элементом.

По формештифты можно разделить на:

· цилиндрические (рисунок 2.18, а, б);

· конические (рисунок 2.18, в, г, д);

· цилиндрические пружинные разрезные (рисунок 2.18, е)

· просеченные цилиндрические и другие (рисунок 2.18, ж, з)

Гладкие штифты изготовляют из стали 45 и А12, штифты с канавками и пружинные – из пружинной стали.

Цилиндрические штифты в отверстия ставят с натягом и они удерживаются от выпадания силами трения (рисунок 2.18, а), а иногда концы штифтов расклепывают (рисунок 2.18, б). Для постоянного прочного соединения обе детали сверлят и развертывают под один размер. Для возможности разборки без выколачивания штифтов соединениях на плоскости дополнительно развертываются отверстия в одной детали.

Рисунок 2.18 – Основные типы штифтов

Для постоянного прочного соединения обе детали сверлят и развертывают совместно под один размер. В соединениях по плоскости, подлежащих система­тической разборке, в которых штифты предназначены для взаим­ного фиксирования деталей, отверстия в одной детали дополни­тельно развертывают, что позволяет производить разборку без выколачивания штифтов.

Наибольшее распространение имеют конические гладкие штифты. Конические штифты выполняют с конусностью 1:50, обеспе­чивающей надежное самоторможение и центрирование деталей.

Гладкие цилиндрические штифты изготавливают с полями допусков на основную поверхность , на длину штифта – по , на диаметр глухого отверстия – по , на его глубину – по . Поля допусков резьбовых отверстий штифтов – по .

Основные типы конических штифтов:

а) простые, забиваемые в отверстия (рисунок 2.19, а и б), применяемые в сквозных отверстиях при возможности выбивания с противоположной стороны;

б) с резьбой для извлечения при разборке (рисунок 2.19, в, г), применяемые при установке в глухие отверстия;

в) в соединениях, подверженных толчкам и ударам, и в соединениях быстровращающихся деталей конические штифты необходимо специально предохранять от ослабления натяга и выпадания. Для этого их выполняют с прорезью и разведением концов или в виде пригонных болтов (рисунок 2.19, д):

Рисунок 2.19 – Гладкие штифты

Конические штифты в основном применяют:

а) в соединениях деталей по плоскостям, стягиваемых крепежными винтами;

б) в соединениях по цилиндрическим и коническим поверхностям вал – ступица.

В соединениях деталей по плоскостям при­меняют обычно по два штифта и осущест­вляют фиксацию, тогда как основная нагрузка воспринимается силами трения в стыке, создаваемыми начальной затяжкой винтов. В соединениях деталей по цилиндрическим и коническим поверх­ностям при небольших нагрузках штифты заменяют шпонки.

Пружинные штифты (рисунок 2.18, е) вальцуют из ленты и закаливают. Ввиду их податливости их можно устанавливать в отверстия с большими допусками, обеспечивая надежное сцепление даже при ударной нагрузке и сохранение силы сцепления после многократной сборки и разборки.

Штифты с канавками (рисунок 2.14 ж-к) применяют преимущественно для передачи нагрузки, а так же в качестве шпонок, обычных штифтов мелких осей. При забивании штифтов в отверстия выдавленный ранее из канавок материал упруго деформируется в обратном направлении. Таким образом, создаются повышенные местные давления что повышает прочность сцепления.

При ориентировании деталей относительно друг друга (соединение крышки и корпуса) обычно используют два штифта, но для фиксации углового положения деталей, ориентирование которых обеспечивается цилиндрическим сопряжением (например, соединение круглой крышки с корпусом) достаточно одного фиксирующего штифта.

Штифтовое соединение крышки и корпуса (рисунок 2.20) образует две посадки: штифт-отверстие корпуса и штифт-отверстие крышки, а в штифтовом соединении вала с зубчатым колесом следует различать центрирующее сопряжение вал-отверстие зубчатого колеса и две собственно штифтовые посадки: штифт-отверстия (два) во втулке зубчатого колеса и штифт-отверстие вала.

Рисунок 2.20 ‒ Пример применения штифтовых соединений

Точность центрирования деталей в штифтовом соединении вала с зубчатым колесом (шкивом, ступицей рычага и др.) обеспечивается посадкой колеса на вал. Это обычное центрирующее гладкое цилиндрическое сопряжение, для которого можно выбрать посадку с очень малыми зазорами или натягами, следовательно, предпочтительны переходные посадки.

Поскольку поле допуска на диаметр штифта одинаково по всей длине, штифтовые посадки являются посадками в системе вала. Если выбрано основное отклонение поля допуска штифта (например, ), посадки реализуются в системе основного вала. А если выбрать иное стандартное основное отклонение поля допуска штифта (например, m), штифтовые посадки реализуются в системе неосновного вала, например, и

Условное обозначение штифта включает:

· слово "Штифт";

· обозначение типа (тип 1 не указывают, не указывают и другие, если тип однозначно определяется стандартом);

· размеры (диаметр и длину штифта, при необходимости с указанием поля допуска диаметра);

· обозначение стандарта.

Примеры обозначений штифтов:

Штифт 10 m6 × 60 ГОСТ 3128-70 – штифт диаметр 10 мм, длина 60 мм.

Штифт 8 h11 × 45 Хим. Окс. прм. ГОСТ 10773-93 – штифт диаметр 8 мм и длина 45 мм, с покрытием Хим. Окс. прм..

Штифтовые соединения крышки и корпуса (рисунок 2.21) представляют достаточно сложную задачу, связанную с составлением и решением взаимосвязанных размерных цепей. Каждое штифтовое сопряжение включает в себя две простейшие размерные цепи (посадка штифта в отверстие корпуса и посадка штифта в отверстие крышки). Образовавшиеся замыкающие звенья-зазоры (натяги) – будут входить как составляющие звенья в размерные цепи, определяющие межосевые размеры штифтового соединения, а также их замыкающие звенья-зазоры (натяги) – между образующими штифтов и отверстием корпусной детали (крышки).

Рисунок 2.21 ‒ Эскиз соединения крышка-корпус (ориентирование по двум штифтам)

Кроме намеченных линейных размерных цепей, следует также составить и рассчитать еще и угловые размерные цепи, поскольку отклонения осей штифтовых отверстий от перпендикулярности также существенно влияет на собираемость изделия.

В связи с тем, что обеспечить точность замыкающих звеньев таких размерных цепей методами полной взаимозаменяемости бывает затруднительно, достаточно часто прибегают к «технологической компенсации» – применяют совместную окончательную обработку штифтовых отверстий в сборе. Корпус и крышку с предварительно просверленными отверстиями собирают без штифтов и крепят друг к другу, затем «совпадающие» отверстия обрабатывают разверткой, чем обеспечивается их соосное расположение при фиксированном межосевом расстоянии. Такой технологический процесс можно рассматривать как применение технологии индивидуального производства, поскольку каждая крышка подходит только к своему корпусу.