Конструктивные мероприятия по выравниванию нагрузок между витками резьбы в затянутом болтовом соединении

УДК 621.01

Ю. А. КУЗЬМИН

КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ВЫРАВНИВАНИЮ НАГРУЗОК МЕЖДУ ВИТКАМИ РЕЗЬБЫ В ЗАТЯНУТОМ БОЛТОВОМ СОЕДИНЕНИИ

Приведен обзор конструктивных разработок по выравниванию нагрузок на витках резьбы и рассмотрены геометрические параметры витков.

Ключевые слова: нагрузки, болтовое соединение, витки резьбы.

В затянутых болтовых соединениях болт вытягивается, а гайка сжимается, что приводит к неравномерности нагрузок на витки. Детальные исследования болтовых соединений подтвердили положение Н. Е. Жуковского о том, что нагрузка на витки резьбы возрастает к опорному торцу гайки, причём на наиболее нагруженный виток приходится не менее одной трети общей нагрузки. Таким образом, неравномерность распределения нагрузки между витками в обыкновенных резьбовых соединениях всегда имеет место.

И. А. Биргер рассмотрел резьбовое соединение с идеально изготовленным болтом и гайкой, имеющей отклонения шага (шаг гайки был больше шага болта). Увеличение шага гайки разгружает нижние витки и «переносит» эту нагрузку на малонагруженные последующие витки [1]. Учитывая изложенное, заслуживает внимания применение резьбы с различными шагами болта и гайки. Поскольку витки резьбы болта и гайки подтверждены упругой деформации, шаг резьбы у гайки должен быть больше шага болта (шпильки). В таком резьбовом соединении при затяжке гайки сначала воспринимают всю нагрузку последние, наиболее удалённые витки, считая от опорной поверхности гайки. Дальнейшая затяжка, вытягивая стержень болта (шпильки), загружает последовательно остальные витки резьбы.

На рис. 1,а приведено резьбовое соединение с погрешностью в шаге. Максимальные напряжения во впадине первого витка больше, чем при идеальном исполнении резьбы, почти на 17%, хотя погрешность составляла всего 3,3 мкм на шаг резьбы. Далее на втором витке напряжения падают в 2,7 раза и на последнем, перед пятым витком, напряжение во впадине более чем в 2,3 раза, меньше номинального напряжения (ос = 450 МПа).

© Ю. А. Кузьмин, 2008

Как утверждает Г. Б. Иосилевич, напряжения во впадинах резьбы характеризуют нагрузку, приходящуюся на тот или иной виток резьбы, и являются косвенным показателем распределения нагрузки по её виткам [2].

На рис. 1,6 показано распределение нагрузки между витками резьбы резьбового соединения с погрешностью шага А = - 3,3 мкм, подвергнутого различным осевым нагрузкам. Например, кривая 1 соответствует номинальному напряжению о„ = 200 МПа; затем нагрузку увеличили до номинального напряжения он = 600 МПа, в результате чего улучшилось распределение нагрузки (кривая 2), - почти равномерное по всем пяти виткам резьбы. Кривая 3 отражает распределение нагрузки по виткам резьбы при номинальном напряжении ан = 600 МПа, но с положительной погрешностью А = 3,3 мкм, т. е. когда шаг резьбы болта больше шага гайки. Здесь резко перераспределились напряжения: на первый виток приходится половина всей осевой нагрузки, а последний пятый виток остался без нагрузки. Для сравнения приведено распределение нагрузки между витками резьбы в обыкновенных болтовых соединениях (кривая 4).

Для обеспечения равномерного распределения напряжений во впадинах резьбы под гайкой в любых болтовых соединениях необходимо подобрать значения погрешности шага для различных осевых усилий. Отсюда и снижение концентрации напряжений во впадинах первых двух-трёх витков резьбы.

В Германии и США широко используют болтовые соединения с различным шагом резьбы у болта и гайки [3]. Обычно у болта и гайки принимаемое соотношение определяется из соотношения (Р2 - Р1)/Р1 «0,001, где Р1 и Р2 - соответственно шаг болта и гайки.

Известны конструктивные мероприятия, способствующие более благоприятному распределению нагрузки по виткам болта и выравнивающие напряжения во впадинах резьбы.

Номер витка

R=Q, 108Р

? т т Т Т Т 7 т ? т I ? т í Í

0 9 б г. = ^50 МПа _

Jz "

Рис. I. Распределение нагрузки между витками: а - шаг резьбы гайки меньше, чем у

болта; б: 1 - шаг резьбы гайки больше, чем у болта (номинальное напряжение о„ = 200 МПа); 2 - то же соединение при ан = 600 МПа; 3 - шаг резьбы болта больше

шага гайки; 4 - обычная резьба

Сжато-растянутые гайки состоят как бы из двух гаек: обыкновенной гайки и гайки растяжения [3]. Участки растяжений у гаек, растягиваясь, снижают нагрузку на первых витках и «нагружают» последующие витки резьбы. Усталостная прочность сжато-растянутьгх гаек на 25...30% превышает прочность стандартных гаек.

А. М. Рубин предложил способ и конструктивное решение для регулирования контактных давлений на основе натяга [4]. Однако конструкция громоздкая, сложная и дорогостоящая: вместо одной гайки - пять деталей с наружной и внутренней резьбой.

В последние годы получает распространение «корригированная» резьба: нагрузка на первый виток снижается на 15... 18%, а усталостная прочность резьбового соединения возрастает на 15...20%.

В стандартной метрической резьбе угол профиля составляет 60°. Уменьшение этого угла влечёт за собой увеличение рабочей глубины витков, осевой податливости резьбы и, как следствие, способствует более благоприятному распределению нагрузки между витками и разгрузке первого витка, считая от опорной поверхности гайки. Пример - резьба Витворта, угол профиля которой составляет 54°.

Увеличение угла профиля свыше 60° также способствует улучшению распределения нагрузки между витками, но за счёт увеличения радиальной податливости гайки. Теоретические исследования показали, что нагрузка на первый

виток болта М10 с углом профиля а = 75° снижается на 17 % по сравнению со стандартной, а при а = 90° нагрузка снижается на 35%. При этом уменьшаются напряжения в основании витков, так как снижается или отсутствует изгибающий момент (рис. 2).

Исследования зарубежных учёных показывают [3], что увеличение угла профиля резьбы до а = 90° или уменьшение до 45° позволяет повысить предел выносливости резьбового соединения на 45...55% (рис. 3). При этом разрушение болта происходило на уровне или ниже опорного торца гайки. Следовательно, произошло значительное уменьшение максимальных напряжений на участке первого витка.

По результатам исследований Р. Б. Хейвуда, болты с углом профиля а = 90° имели в 10 раз большую долговечность, чем стандартные. Причём технология изготовления резьб с а = 90° значительно упрощается. Такая резьба может быть рекомендована в конструкциях, где требуется повышенная долговечность.

Перемещение нагрузки в сторону оси стержня происходит, когда у болта (шпильки) угол принят при симметричном профиле резьбы несколько большим (а = 62°...65°), чем у гайки. Здесь вершины витков резьбы гайки со стандартным профилем касаются основания витков болта, образуя зазор по среднему диаметру резьбы.

Рис. 2. Профили резьбы: а, б - угол при вершине

соответственно 60° и 90°

Рис. 4. Профиль асимметричной резьбы

В Великобритаии и США широко используются резьбовые соединения с асимметричным профилем (рис. 4), рекомендуется использовать асимметричный профиль только на болтах (шпильках) с навинчиванием гайки со стандартной резьбой. По исследованиям Хирониса [1] выносливость резьбы с асимметричным профилем (рис. 5) выше по сравнению с резьбой с симметричным профилем, в чем наши учёные сомневаются.

Анализ различных конструктивных решений, способствующих благоприятному распределению нагрузок, позволяет сделать вывод, что рациональные варианты конструкций резьбовых соединений далеко не исчерпаны. Необходимы дальнейшие разработки в области улучшения геометрии профиля витков резьбы, оптимизации контактных давлений на их поверхностях.

45 60 75 град 90

а

Рис. 3. Влияние угла профиля на усталостную

прочность соединения

Чцах< МП а

107

80,2

53,5

10

10

10

10"

Рис. 5. Долговечность болтовых соединений: 1 - резьба с симметричным профилем; 2 - резьба

с асимметричным профилем

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Биргер, И.А. Расчёт резьбовых соединений/ И. А. Биргер. - М.: Оборонгиз, 1959. - 252 с.

2. Иосилевич, Г. Б. Концентрация напряжений и деформаций в деталях машин/ Г. Б. Иосилевич. - М.: Машиностроение, 1981.- 224 с.

3. Кузьмин Ю. А. Повышение безотказности машин резервированием затяжки резьбовых соединений/ Ю. А. Кузьмин, К. У. Сафаров. - Ульяновск : УГСХА. 2007. - 167 с.

у

4. Рубин, А. Б. Регулирование контактных усилий по виткам резьбовых соединений/ А. Б. Рубин // Вестник машиностроения. - 2003. - №7. -С. 18-20.

Кузьмин Юрий Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и основы проектирования машин» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи и изобретения по надёлсности и затяжке резьбовых соединений, сосудам высокого давления, а также по сварке усталостных трещин в металлоконструкциях.