СТОПОРНАЯ ГАЙКА

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к крепежным резьбовым изделиям, и может использоваться во всех отраслях машиностроения.
Элементы резьбовых соединений в условиях вибрации подвергаются знакопеременным нагрузкам, ослабляющими соединение, в связи с чем нужна защита соединений от раскручивания. Известны различные приемы стопорения гаек на резьбовом стержне и конструкции самостопорящихся гаек (дальше стопорные гайки). Наиболее распространено использование пружинных шайб типа стандартной пружинной шайбы "Гровера". Однако пружинные шайбы эффективно работают только при нагрузке соединения усилиями до 600 кг. Для ряда конструкций, например рельсовых стыков, усилия значительно превышают указанное, и резьбовые соединения со временем ослабляются.
Широко известны резьбовые соединения с конструктивными особенностями, обеспечивающими упругие свойства гайке, позволяющие плотно обжимать резьбу болта и тем самым повысить эффект стопорения резьбового соединения.
7
Так, известна стопорная гайка, включающая корпус с боковыми гранями и ребрами. Корпус имеет центральное отверстие с резьбой и канавками, выполненными на резьбовом участке напротив вершин ребер по всей высоте гайки и расположенные вдоль ее оси. На боковых гранях корпуса по всей длине граней вдоль оси гайки выполнены углубления, глубина которых выбрана из условия равномерности толщины стенки корпуса по его периметру в поперечном разрезе. Для создания условий повышенного сопротивления самоотвинчиванию стопорной гайки используются упругие свойства корпуса гайки. Повышение упругости стопорной гайки обеспечивается за счет снижения жесткости корпуса путем выполнения канавок на поверхности стенок центрального отверстия, как описано выше. При этом средний диаметр резьбы стопорной гайки выбирается меньшим среднего диаметра резьбы крепежного элемента, с которым соединяется гайка. В процессе затягивания стопорной гайки корпус упруго деформируется, так что средний диаметр резьбы стопорной гайки становится равным среднему диаметру крепежного элемента. Такое соединение, за счет упругих сил, обеспечивает плотный контакт резьбы гайки с резьбой крепежного элемента, повышает момент трения в резьбовом соединении и создает улучшенные условия стопорения (патент Украины №55972 А, МПК F16B 39/284, дата подачи заявки 06.08.2002).
Известны также резьбовые соединения, в которых роль резьбы выполняет витая проволока с сомкнутыми или разомкнутыми витками. Витая проволока может работать как самостоятельный элемент, так и как заключенная в корпус резьбовая вставка.
7
Так, известна пружинная гайка по патенту Российской Федерации №2031261 С1, МПК F16B 37/12, дата подачи заявки 1990.11.11. Детали соединяются посредством резьбового соединения, в котором примененная гайка, содержащая как корпус винтовую пружину растяжения, на неопорном торце которой выполнены выступы, а на опорном торце - фасонная коническая пружина, а также резьбовой стержень, представляющий собой стандартный болт. Анализ конструктивно-технологических возможностей пружинной гайки показывает, что пара «резьбовой стержень - гайка пружинная», кроме свойства самоторможения, характерного резьбовым соединениям, обладает одновременно и свойством стопорения за счет осевой силы давления, образующейся при сжатии витой фасонной конической пружины, материал которой обладает упругими свойствами. Возможность получения стопорения в паре «пружинная гайка - резьбовой стержень» за счет создания осевой силы давления обеспечивает получение положительного эффекта.
6
Аналогичная пружинная гайка известна по патенту Российской Федерации №2034180 С1, МПК F16B 37/12, дата подачи заявки 1990.05.25. Пружинная гайка выполнена из концентрично расположенных (от оси гайки к периферии) винтовой пружины сжатия, которая закрыта винтовой пружиной растяжения с утолщением в средней по высоте части гайки, что позволяет использовать ключ при завинчивании и отвинчивании гайки. Винтовая пружина растяжения заканчивается витой фасонной пружиной, обеспечивающей стопорение гайки в сжатом состоянии. Винтовая пружина растяжения играет роль направляющей для резьбового стержня, роль которого выполняет винтовая пружина сжатия, имеющая внешний диаметр и шаг навивки, равный внешнему диаметру и шагу навивки винтовой пружины сжатия.
Недостатком пружинных гаек является низкая жесткость резьбового соединения, что уменьшает нагрузочную способность резьбового соединения.
Особый класс стопорных гаек представляют гайки, корпус которых выполнен в виде витой спирали с центральным продольным отверстием с нарезанной резьбой. При том направление резьбы является противоположным направлению витков спирали.
7
Так, известна гайка по патенту Украины №40711 А, МПК F16B 37/08, дата подачи заявки 11.06.2001. Гайка включает спиральный цилиндрический корпус из навитого прямоугольного профиля. В центральном отверстии корпуса нарезана внутренняя резьба со стандартным профилем. Резьба выполнена со средним диаметром, меньшим среднего диаметра резьбы болта на величину, обеспечивающую минимальный гарантированный натяг в пределах закона Гука. На корпусе выполнены выступы под ключ и зубчатый ободок. Для создания условий самозатягивания навивку спирали выполняют левой при правой резьбе и наоборот, а для удобства закручивания и откручивания концы первого и последнего витков спирали выполнены с выступающими поводками. Для передачи крутильного момента в условиях вибрации, обеспечивающего эффект самозатягивания, на торце гайки выполнен зубчатый ободок, максимально отдаленный от оси гайки.
7
Известна также гайка по патенту Украины №59898 С2, МПК F16B 37/08, дата подачи заявки 29.12.2002. Гайка, включает корпус, выполненный с торцевыми опорными поверхностями, центральное отверстие с резьбой в указанном корпусе, при этом корпус выполнен в виде спирального элемента, витки которого противоположны направлению витков резьбы в центральном отверстии корпуса. Концы спирального элемента выполнены с заостренными радиально расположенными кромками, выступающими за пределы опорных поверхностей корпуса. Диаметр центрального отверстия корпуса с витками резьбы выполнен меньше среднего диаметра резьбы болта.
Гайка работает следующим образом. Корпус навинчивают на болт посредством специального ключа и затягивают. При стыковке опорной поверхности гайки с поверхностью соединяемой детали заостренная радиально расположенная кромка, выступающая за торцевую опорную поверхность, вклинивается в поверхность детали. В условиях вибрации при знакопеременном проворачивании поверхности детали, взаимодействующая с ней кромка передает крутящие моменты на корпус, ослабляя резьбовое соединение при действии момента в сторону закручивания гайки, и, зажимая резьбовое соединение при действии момента в сторону откручивания гайки, обеспечивая тем самим эффект самозатягивания. Это возможно при условии, когда корпус гайки выполнен в виде спирального элемента, витки которого направленные противоположно виткам резьбы.
7
В качестве прототипа выбранная гайка самозатягивающаяся по патенту Украины №81232 С2, МПК F16B 37/08, дата подачи заявки 05.04.2004. Гайка включает корпус, выполненный в виде цилиндрической спирали, витки которой образованы из прямоугольного линейного профиля. Торцевые опорные поверхности корпуса выполнены коническими, с ориентацией вершин конусов внутрь гайки. В центральном отверстии корпуса на боковой поверхности выполненная резьба, витки которой направлены противоположно направлению витков цилиндрической спирали.
Гайка работает следующим образом. Гайку навинчивают на болт с помощью специального ключа, прикладывая крутящий момент к переднему торцу верхнего витка цилиндрической спирали, и затягивают. При стыковке опорной торцевой поверхности корпуса гайки с поверхностью соединяемой детали и затягивании гайки, коническая кромка нижней торцевой поверхности корпуса гайки внедряется в поверхность соединяемой детали, что позволяет предотвратить смещение переднего витка гайки в радиальном направлении и максимально увеличить радиус действия сил трения на торце гайки, что улучшает условия стопорения гайки в вибрационном режиме работы. Стопорение происходит в результате плотного обжима гайкой резьбы болта при вращении ее силами трения в сторону отвинчивания и послабления резьбового соединения при вращении гайки в сторону затягивания за счет противоположного направления витков резьбы и витков цилиндрической спирали. Для отвинчивания гайки крутящий момент прикладывают к торцу нижнего витка цилиндрической спирали.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: стопорная гайка, включающая корпус с центральным отверстием, выполненный в виде цилиндрической спирали, витки которой образованы прямоугольным линейным профилем, резьбу в центральном отверстии корпуса, витки которой направлены противоположно направлению витков цилиндрической спирали.
В стопорных гайках, корпус которых выполнен в виде витой спирали с центральным продольным отверстием с резьбой, направление которой противоположно направлению витков спирали, объективно существует техническое противоречие, выражающееся в следующем. При увеличении высоты прямоугольного линейного профиля в цилиндрической спирали жесткость корпуса увеличивается, что уменьшает способность самостопорения, но при этом увеличивается нагрузочная способность соединения. И, наоборот, при уменьшении высоты прямоугольного линейного профиля в цилиндрической спирали жесткость корпуса уменьшается, что увеличивает способность самостопорения, но при этом уменьшается нагрузочная способность соединения из-за уменьшения количества полных витков резьбы на одном витке спирали. Для обеспечения высокой нагрузочной способности и, одновременно, возможности эффективного самостопорения резьбового соединения необходимо оптимальное соотношение геометрических размеров линейного профиля в цилиндрической спирали и параметров резьбы.
В основу полезной модели поставленная задача усовершенствования стопорной гайки, в которой за счет конструктивных особенностей обеспечивается повышение эксплуатационных свойств, в частности нагрузочной способности и эффекта самостопорения.
Поставленная задача решается тем, что в стопорной гайке, включающей корпус с центральным отверстием, выполненный в виде цилиндрической спирали, витки которой образованы прямоугольным линейным профилем, резьбу в центральном отверстии корпуса, витки которой направлены противоположно направлению витков цилиндрической спирали, в соответствии с полезной моделью, геометрические размеры прямоугольного линейного профиля и параметры резьбы выбраны из соотношения: h=2-7 t, где: h - высота прямоугольного линейного профиля в цилиндрической спирали; t - шаг резьбы.
Указанные признаки являются существенными признаками полезной модели.
Существенные признаки полезной модели находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.
Так, отличительные признаки полезной модели (размер прямоугольного линейного профиля и параметры резьбы выбраны из соотношения: h=3-5 t, где: h - высота прямоугольного линейного профиля в цилиндрической спирали; t - шаг резьбы) совместно с существенными признаками, общими с прототипом обеспечивают повышение эксплуатационных свойств резьбового соединения, в частности нагрузочной способности и эффекта самостопорения.
Объясняется это следующим. Как отмечалось выше, в стопорных гайках данного типа, при увеличении высоты прямоугольного линейного профиля в цилиндрической спирали жесткость корпуса увеличивается, что уменьшает способность самостопорения, но при этом увеличивается нагрузочная способность соединения. И, наоборот, при уменьшении высоты прямоугольного линейного профиля в цилиндрической спирали жесткость корпуса уменьшается, что увеличивает способность самостопорения, но при этом уменьшается нагрузочная способность соединения из-за уменьшения количества полных витков резьбы на одном витке спирали.
Известно, что основная нагрузка в резьбовом соединении падает на первые витки. В частности, на первый виток приходится 50% полной нагрузки. Особенностью стопорных гаек, корпус которых выполнен в виде витой спирали с резьбой, направление которой противоположно направлению витков спирали, является то, что часть витков резьбы гайки, включая первые витки резьбы, разорвана - витки резьбы переходят на соседние витки спирали, так как направления спирали и резьбы противоположны.
Для сохранения нагрузочной способности необходимо обеспечить наличие в гайке участков со сплошной резьбой, то есть определенное количество полных витков резьбы в пределах одного витка спирали, без избыточного увеличения высоты линейного профиля, образующего спираль, которое приводит к уменьшению эффекта самостопорения.
Экспериментально доказано, что в стопорных гайках, корпус которых выполнен в виде цилиндрической спирали, витки которой образованы прямоугольным линейным профилем, а резьба в центральном отверстии корпуса выполнена в направлении, противоположном направлению витков цилиндрической спирали, для обеспечения высокой нагрузочной способности и, одновременно, высокой эффективности самостопорения резьбового соединения, геометрические размеры прямоугольного линейного профиля и параметры резьбы должны быть выбраны из соотношения: h=3-5 t, где: h - высота прямоугольного линейного профиля в цилиндрической спирали; t - шаг резьбы.
При этом минимальное количество полных витков резьбы в одном витке спирали будет не менее двух, что обеспечивает нагрузочную способность, а жесткость корпуса гайки, которая определяется высотой прямоугольного линейного профиля в цилиндрической спирали, будет обеспечивать эффективность самостопорения.
Ниже приводится описание заявляемой стопорной гайки и пример ее практической реализации со ссылками на чертежи, на которых показано:
Фиг.1 - Стопорная гайка, общий вид.
Фиг.2 - Стопорная гайка, разрез А-А на фиг.1.
Фиг.3 - Стопорная гайка, фрагмент I на фиг.2 в увеличенном виде.
Стопорная гайка включает корпус 1 с центральным отверстием 2. Корпус 1 выполнен в виде цилиндрической спирали 3, витки которой образованы прямоугольным линейным профилем 4. В центральном отверстии 2 корпуса 1 выполненная резьба 5, витки которой направлены противоположно направлению витков цилиндрической спирали 3. То есть, в случае правой резьбы 5 витки цилиндрической спирали 3 навиты в левом направлении, а в случае левой резьбы 5 витки цилиндрической спирали 3 навиты в правом направлении. Геометрические размеры прямоугольного линейного профиля 4 и параметры резьбы 5 выбирают из соотношения: h=3-5 t, где: h - высота прямоугольного линейного профиля 4 в цилиндрической спирали 3; t - шаг резьбы 5.
Гайка работает следующим образом. Корпус 1 гайки накручивают на болт (не показан) с помощью специального ключа, прикладывая крутящий момент к переднему торцу верхнего витка цилиндрической спирали 3 и затягивают. Трение на торце гайки обеспечивает условия стопорения гайки в вибрационном режиме работы. Стопорение происходит в результате плотного обжима гайкой резьбы болта при вращении ее силами трения в сторону отвинчивания и ослабления резьбового соединения при вращении гайки в сторону затягивания за счет противоположного направления витков резьбы и витков цилиндрической спирали. Для откручивания гайки крутящий момент прикладывают к заднему торцу нижнего витка цилиндрической спирали 3.
Примером практической реализации полезной модели является гайка ГПС, которая используется в частности в резьбовых соединениях рельсовых стыков. Благодаря конструкции корпуса в виде цилиндрической спирали, выполнению резьбы противоположно направлению витков цилиндрической спирали вибрации, действующие на опорный торец гайки приводят не к раскручиванию, а наоборот, к самозатягиванию гайки. Геометрические размер прямоугольного линейного профиля цилиндрической спирали, параметры резьбы отвечают выше отмеченному соотношению: h=3-5 t.
Характеристики гайки ГПС приведены в Таблице 1.
Таблица 1.
Обозначение
Наименование
Тип резьбы
Диаметр резьбы, мм
Шаг резьбы
Масса, кг, не более
D, мм
H, мм
h, мм
УЗ 1.00.001
ГПС-1.20.12
М20
18,376
2,5
0,070
30
22,5
7,5
УЗ 1.00.001-01
ГПС-1.22.12
М22
20,376
2,5
0,100
33
24
8
УЗ 1.00.001-02
ГПС-1.24.12
М24
22,051
3,0
0,125
35
26
8,5
УЗ 1.00.001-03
ГПС-1.27.12
М27
25,051
3,0
0,163
39
30
10
где: D - внешний диаметр цилиндрического спирального корпуса гайки; H - высота корпуса гайки; h - высота прямоугольного линейного профиля в спирали корпуса.
Материал гайки: Сталь 40Х ГОСТ 4543-71, твердость: 36…42 HRC. Вращательный момент затягивания: 600 Н/м. Площадь контакта гайки ГПС с поверхностью резьбы болта больше чем у стандартной гайки в 2 раза. При этом по габаритам и массе гайка ГПС меньше стандартной.
Эксплуатационные испытания опытной партии гаек ГПС, которые проводились в течение трех лет на Донецкой железной дороге и на 5-ти стрелочных электроприводах Приднепровской железной дороги, показали, что ни одна гайка не открутилась, затягивание гаек за период испытаний не проводилось, а там, где соединения работали в условиях больших нагрузок, зафиксировано самозатягивание с проворачиванием гайки в сторону закручивания на угол от 10 до 90 градусов. Отмечено уменьшение эксплуатационных расходов в результате отсутствия необходимости выполнения работ по подтягиванию гаек.
Положительным фактором является невозможность раскручивания гаек без специального ключа, что повышает гарантию безопасного движения поездов.