Справочник

Резьбовые соединения крепежных изделий

В зависимости от назначения резьбового соединения в машиностроении применяют разнообразные типы крепежных изделий: болты, винты, шпильки, гайки, шайбы, стопорные устройства, предохраняющие от самоотвинчивания, параметры и качественные характеристики которых стандартизованы (рис. 1, а).

К специальным болтам (винтам) относятся: фундаментные и анкерные болты (рис. 2, а), применяют для соединения станин машин с фундаментом; распорные болты (рис. 2, б) — для сохранения постоянного расстояния между соединяемыми деталями, работающими с динамическими (ударными) нагрузками, к фундаменту; откидные болты (рис. 2, в) – для закрепления и освобождения деталей в часто разбираемых соединениях и целый ряд других.

Болт – цилиндрический стержень с резьбой и головкой (шестигранной, реже четырехгранной, полукруглой и т. д.), соединяемый с гайкой (рис. 1, а). Соединение болтом применяется в тех случаях, когда конструкция соединяемых деталей допускает сверление сквозных отверстий и позволяет завести при сборке болт в отверстие.

Винт (рис. 1, б) – это болт, гайкой для которого служит одна из закрепляемых деталей. Соединение винтом применяется в тех случаях, когда в деталях не допускается сквозное отверстие (например, стенки герметических сосудов), а также когда нецелесообразно или невозможно просверлить сквозное отверстие или вставить в него болт.

Стандартные крепежные изделия

Рис. 1. Стандартные крепежные изделия

Специальные крепежные изделия

Рис. 2. Специальные крепежные изделия

Шпилька (рис. 1, в) – цилиндрический стержень с резьбой на двух концах. Шпильки применяют в тех случаях, что и винтовое соединение, когда это создает удобства для сборочных работ, особенно когда сборка сопровождается с установкой или заменой прокладок и т.п., или когда допустимо сквозное сверление в соединяемых деталях, но конструкция их такова, что болт ввести в отверстие нельзя (рис. 1, г).

Гайка (рис. 1; а, в) – деталь с резьбовым отверстием. Гайка является замыкающим элементом резьбового (болтового) соединения. В зависимости от назначения гайки имеют разнообразную конструктивную форму: шестигранные – нормальные (H=0,8d) с одной или двумя фасками, высокие (H до 1,6d) и низкие (H до 0,6d). Гайки по конструкции обладают большим разнообразием в зависимости от назначения.

Шайба (рис. 1; а, в) – деталь ставится под гайку или головку винта. Играет роль предохранительную, создавая большую опорную площадку; шайба пружинная или фасонная с фиксатором играет роль стопора для предохранения от отвинчивания гайки или винта и др.

Обыкновенные шайбы и гаечные замки (кроме пружинных) для облегчения изготовления обычно выполняют из низкоуглеродистых сталей марок Ст0, Ст1, Ст2, СтЗ, Сталь 08, Сталь 10, 15, 20 и 25. Пружинные замки изготовляют из пружинной стали марок Сталь 65, 70, 75, 65Г и др.

Если необходимо снизить массу соединения или обеспечить его герметичность, электро- и теплоизоляцию, коррозионную стойкость, надежность стопорения гаек и винтов, то резьбовые детали частично или полностью изготовляют из пластмасс – полиамидов, текстолита, синтетической резины и др. Для стопорения гаек и винтов применяют нейлоновые или текстолитовые стопорные кольца, нейлоновые или резиновые стопорные шайбы, обеспечивающие также герметичность соединения, и стопорные нейлоновые пробки. Для надежности стопорения в некоторых случаях гайки целиком изготовляют из нейлона. Пластмассовые накладки направляющих и подобных деталей обычно закрепляют винтами, изготовленными из того же материала, что и закрепляемые ими детали.

В зависимости от размеров и назначения винты (болты) имеют различные головки: шестигранные, четырехгранные, цилиндрические с внутренним или наружным квадратом или шестигранником под ключ, цилиндрические, полукруглые, потайные со шлицем под отвертку плоскую или крестообразную и др. (табл. 1).

Таблица 1. Формы головок болтов и винтов с устройствами под ключ и отвертку

Формы головок болтов и винтов с устройствами под ключ и отвертку
Тип

НазначениеСоотношение размеров
1Болты крепежные
2Винты с полукруглой головкойh ≈ 0,7 d; D ≈ 1,6 d
3Винты с цилиндрической головкойh ≈ 0,6 d; D ≈ 1,5 d
4Винты с потайной головкойh ≈ 0,5 d; D ≈ 1,8 d
5Винты с внутренним шестигранникомt ≈ 0,5 d; t1 ≈ 0,6 d; s ≈ 0,8 d;

D ≈ 1,5 d; h ≈ 1,0 d

6t ≈ 0,5 d; t1 ≈ 0,6 d; s ≈ 0,5 d
7Винты с потайной головкой и

несквозными шлицами

h ≈ 0,75d; D ≈ 2d; h1 ≈ 0,6 d
8
9Винты с квадратной головкойh ≈ 1,1 d; h1 ≈ 0,8 d; D ≈ 1,4 d
10h ≈ 0,6 d; D ≈ 0,7 d

 

Схемы работы болтовых соединений

Рис. 3. Схемы работы болтовых соединений

Болты применяют в тех случаях, когда резьбовые соединения преодолевают большие нагрузки. Например, болтом (рис. 3, а) крепят крышку, которая испытывает давление среды Р, которое стремится растянуть болт и разгерметизировать соединение; болтовое соединение (рис. 3, б) работает под действием силы Р на срез и смятие; болтовое соединение (рис. 3, в) работает под действием силы Р на сдвиг и изгиб.

Соединение деталей винтом

Рис. 4. Соединение деталей винтом: а – с потайной головкой; б – с цилиндрической головкой; в – с полукруглой головкой; г, д – стопорные (установочные) винты

Винты по назначению разделяются на крепежные и установочные. Крепежные винты (рис. 4, а-в) применяют, когда требуется соединить детали, например смотровую крышку к редуктору, направляющую шпонку к валу и т. д. Крепежные винты с потайной головкой часто используют вместо болтов, если выступающие головки обычных болтов мешают работе механизма. Их изготовляют с головкой под ключ и под отвертку (табл. 3).

Установочные винты (рис. 4; г, д) отличаются от крепежных длиной резьбы, которая имеется на всем стержне, и концом стержня, который может быть выполнен коническим, цилиндрическим или сферическим. При монтаже конец стержня входит в соответствующее углубление сопрягаемой детали. Установочные винты применяют для фиксации одной детали относительно другой. Такими винтами фиксируют детали, устанавливаемые на оси или валы, например установочные кольца, дистанционные втулки, рычаги, рукоятки и т. д.

Концы болтов, винтов и шпилек имеют форму окончания в зависимости от их функционального назначения (табл. 2, 3).

Таблица 2. Концы болтов, винтов и шпилек по ГОСТ 12414-66

Концы болтов, винтов и шпилек по ГОСТ 12414-66
dd2 (h14)d3 maxd4 maxd3(h14)Rz2(+ IT14)z3(+ IT14)z4
2,51,50,31,20,20,61,20,4
3,020,41,40,30,71,50,4
3,52,20,41,70,30,91,70,4
4,02,50,520,3120,5
5,03,50,52,50,31,22,50,6
6,040,51,530,41,530,7
7,050,5240,41,73,50,8
8,05,50,5250,4241
10712,560,52,551
128,51380,6361,2
14102490,83,571,5
161234100,8481,7
181345120,84,592
2015551415102

Таблица 3. Концы болтов, винтов и шпилек по ГОСТ 12414-66

Концы болтов, винтов и шпилек по ГОСТ 12414-66
Шаг

резьбы,

Р

Ширина

фаски (сферы),

z1, max

Шаг

резьбы,

Р

Ширина

фаски (сферы),

z1, max

Шаг

резьбы,

Р

Ширина

Фаски (сферы),

z1, max

0,250,50,81,636
0,30,612,03,57
0,350,71,252,548
0,40,81,534,59
0,450,91,753,5510
0,51,0245,511
0,61,22,55612
0,71,4

Шпильки применяют в соединениях с частыми разборками, а резьба в детали не обладает достаточной стойкостью (резьба в чугуне и легких сплавах). Применяется чаще всего для крепления крышек к чугунным корпусам, но оно менее надежно, чем болтовое. Соединение шпилькой лучше винтового, но слабее болтового.

Гайки в зависимости от назначения различают по конструкции на шестигранные, квадратные, корончатые, круглые и т. д. (рис. 5).

Разновидностью шестигранных гаек являются корончатые гайки, имеющие прорези для шплинтов.

Шайбы часто подкладывают под болты, винты и гайки при сборке резьбовых соединений. Шайбы ставят также и тогда, когда нужно увеличить опорную поверхность под гайкой, защитить поверхность детали от задирания гранями гайки или устранить неровности наружной поверхности детали и перекос гайки.

Опорные поверхности мест крепления под головки болтов, винтов и гаек должны быть выполнены перпендикулярно к оси крепежной детали. Конструктивные размеры опорных поверхностей мест крепления под головки болтов, винтов и гаек приведены в табл. 4, 5, 6.

Таблица 4. Конструктивные размеры опорных поверхностей мест крепления под головки болтов и гайки, мм, по ГОСТ 12876-67

Конструктивные размеры опорных поверхностей мест крепления под головки болтов и гайки по ГОСТ 12876-67
dd1d2dd1d2
А*Б**В***под

шайбы

А*Б**В***под

шайбы

55,81111303361525561
6713,513,5333667606067
8918181818363971656571
101122202022394275717175
121426262426424580757580
141630262630454890808590
161833303033485295859095
Примечания:

  1. Размер t устанавливает конструктор; d — номинальный диаметр резьбы; d1 — диаметр сквозного отверстия по Н13; d2 — диаметр опорной поверхности по Н15.
  2. А* — под болты с шестигранной головкой и под гайки шестигранные.
  3. Б** — под болты с шестигранным уменьшенным размером S и под гайки шестигранные с уменьшенным размером S.
  4. В*** — под уменьшенные шайбы.

Гайки

Рис. 5. Гайки: а – шестигранная; б – корончатая; в – шестигранная с прорезями; г – круглая; д – гайка-барашек

Круглые гайки (рис. 5, г) имеют прорези на боковой поверхности для захвата их специальными ключами. Этими гайками крепят на валах кольца подшипников качения и другие детали, регулируют продольные зазоры между деталями и т. д.

Таблица 5. Конструктивные размеры углубленных опорных поверхностей мест крепления под винты с цилиндрической головкой, мм, по ГОСТ 12876-67

Конструктивные размеры углубленных опорных поверхностей мест крепления под винты с цилиндрической головкой по ГОСТ 12876-67
dd1,d2tt1t2t3dd1,d2tt1t2t3
22,64,31,6222243623,528
2,53,1522,524264025,531
33,663,442,4327304528,535
3,54,16,52,83033483238
44,884,65,53,243336533541
55,8105,77453639573845
67116,884,763942604249
891581167,54245654453
1011181113794548714755
12142013168114852755060
Примечание. d — номинальный диаметр резьбы.

Таблица 6. Конструктивные размеры углубленных опорных поверхностей под винты с потайной головкой, мм, по ГОСТ 12876-67

Конструктивные размеры углубленных опорных поверхностей под винты с потайной головкой по ГОСТ 12876-67
dABtdABt
D1

по Н13

d2

по Н13

d1

по Н12

d2

по Н12

d1

по

H13

d2

по

H13

d1

по

H12

d2

по

H12

22,64,62,24,30,2121424,41322,51
2,53,15,72,750,3141628,415261
33,66,63,260,3161832,417301,2
3,54,17,63,870,3182036,419341,2
44,88,64,380,3202240,421371,5
Примечание. d — номинальный диаметр резьбы.

Конструктивные размеры опорных поверхностей вокруг головки болта, винта или гайки должно быть достаточным для применения инструмента, которым будет удобно произвести затяжку соединения. Необходимые размеры ключа приведены в табл. 7 и размеры опорных мест деталей под ключ – в табл. 8, 9.

Таблица 7. Размеры под гаечный ключ, мм

Размеры под гаечный ключ
Номинальные

размеры

под ключ

S, S1, S2 ,S0

Отклонения размеров

ключа

Отклонения размеров под ключ
охватывающих Sохватываемых

S1

охватываемых S2охватывающих

S3

нормальной

точности

грубой

точности

повышенной

точности

нормальной

точности

грубой

точности

2,5*; 3,0*-0,040+0,09

+0,03

3,2+0,08

+0,02

-0,048-0,16+0,12

+0,04

4,0; 5,0; 5,5+0,12

+0,02

6,0*+0,15

+0,03

7,0-0,058-0,20-0,36+0,15

+0,05

8,0 (9,0)+0,18

+0,03

10,0 (11,0)+0,19

+0,04

+0,24

+0,04

12; 13+0,4

+0,04

+0,30

+0,04

-0,120-0,24-0,43+0,18

+0,06

14 (15)+0,27

+0,05

+0,35

+0,05

17+0,30

+0,05

+0,40

+0,05

19; 22; 24+0,36

+0,06

+0,46

+0,06

-0,140-0,28-0,52+0,21

+0,07

27; 30+0,48

+0,08

+0,58

+0,08

-0,84
33-0,140-0,34-1,00-1,0+0,25

+0,05

36,0; 41,0;

46,0

+0,60

+0,10

+0,70

+0,10

Примечание. * Допускается применять только для изделий с углублением под ключ и для ключей под это углубление.

ГОСТ 6424-73 предусматривает также номинальные размеры 50-225 мм.

Таблица 8. Размеры лысок, квадратов и шестигранников под ключ

Размеры лысок, квадратов и шестигранников под ключ
Ключ

S

d

mln

123Ключ

S

d

mln

123Ключ

S

d

mln

123
678,586,9303642,44034,5809211310592,4
789,998,1323845,34236,9859812011298
8911,3109,2364250,94841,690104127118104
91012,71210,4414858,05447,395110134125110
101214,11311,5465265,16053,1100116141132116
111315,61412,7505870,76557,7105122148138121
121417,01613,8556577,67263,5110128155145127
141619,81816,2607084,88069,3115134162152133
171924,02219,6657591,98575,0120140170160139
192226,92521,9708299,09280,8125145177165145
222531,12825,475881069886,5130150184170150
273238,23631,2

Таблица 9. Конструктивные места деталей под гаечный ключ по ГОСТ 6424-73

Конструктивные места деталей под гаечный ключ по ГОСТ 6424-73
SAE=KMLL1RDA1SAE=KMLL1RDA1
5,51257201610305820309875484845
714682620133262223210080505248
8177930241520163668243611085556052
102081136281822184180264012090606260
122410134534222620469030.45140105687065
1326101445342350953248150110727570
142811154836242622551053652160120808578
17341317523826302660110385517013085
19361419604530323065120426018514592
22421524725536363270130456520016098
244816257860384036751404870210170105
275219288565424540

Основными материалами для изготовления винтов, болтов, шпилек и гаек общего назначения являются стали марок СтЗкп, Ст5, Сталь 10, 10кп, 15, 15кп, 20, 20кп, 30, 35, 45, 40Г, 35Х, 40Х, 38ХА, З0ХГСА, 16ХСН, 35ХГСА, 40ХНМА. Углеродистую сталь обыкновенного качества применяют для неответственных или малоответственных крепежных резьбовых деталей без термообработки. Сталь углеродистую качественную широко применяют для ответственных крепежных резьбовых деталей; это вызвано необходимостью применения общей или местной термической обработки крепежных деталей. Легированные стали применяют для особо ответственных крепежных резьбовых деталей, в частности для скрепления быстро вращающихся частей и тяжело нагруженных ответственных соединений.

Для повышения прочности крепежные резьбовые детали подвергают соответствующей термообработке или механическому упрочнению. Применение высокопрочных крепежных резьбовых деталей позволяет существенно снизить массу соответствующей детали машины, например массу автомобильного двигателя.

Стальные болты, винты, шпильки и гайки изготовляют 12 классов прочности.

Повышение прочности и значительное снижение массы резьбовых соединений достигаются при изготовлении крепежных резьбовых деталей из титановых сплавов. По сравнению со стальными масса их снижается примерно в два раза. Поэтому в самолетостроении и других отраслях промышленности, где снижение массы играет значительную роль, применение титановых сплавов имеет широкие перспективы. В технически обоснованных случаях крепежные резьбовые детали изготовляют также из сплавов цветных металлов.

При расчете болтов (винтов и шпилек) на статическую нагрузку допускаемые напряжения при растяжении значения [σp] при неконтролируемой затяжке выбирают в зависимости от предела текучести материала σт (табл. 10, 11).

Таблица 10. Механические характеристики материалов резьбовых крепежных соединений из углеродистых и легированных сталей при нормальной температуре (ГОСТ 1759-70*)

БолтыГайкиσв, МПаσт, МПаНВ
класс

прочности

марка

стали

класс

прочности

марка

стали

3.6СтЗкп, СтЗсп,

10, 10кп

4СтЗкп, СтЗсп300…49020090…150
4.6

4.8

20, 10, 10кп510, 10кп

20

400…550240

320

110…170
5.6

5.8

30, 35, 20,

20кп, СтЗкп

6Ст5, 15,

15кп, 35

500…700300

400

140…215
6.6

6.8

6.9

35*, 45, 40Г,

20, 20кп

820, 20кп,

35, 45

600…800360

480

540

170…245
8.835*, 35Х,

38ХА, 45Г

1035X,

38ХА

800…1000640225…300
10.940Г2, 40X,

30ХГСА

1240X,

30ХГСА

1000…1200900280…365
12.9

14.9

30ХГСА

40ХНМА

1430ХГСА

40ХНМА

1200…1400

1400…1600

1080

1260

330…425

390 и св.

Примечания.

  1. Класс прочности болтов обозначен двумя числами. Первое число, умноженное на 100, определяет минимальное значение σв, МПа, второе, деленное на 10, соответствует примерному значению σти; произведение чисел, умноженное на 10, дает σт, МПа (для класса прочности 3.6 значения приблизительные).
  2. Класс прочности гаек обозначен числом, которое при умножении на 100 дает величину напряжения от испытательной нагрузки в МПа.
  3. * Для болтов с диаметром резьбы до 16 мм включительно.

Таблица 11. Допускаемые напряжения на растяжение [σp] стальных крепежных деталей

Материал болтаПостоянная нагрузкаПеременная нагрузка
М6…М16М16…М30М6…М16М16…М30
при неконтролируемой затяжке
Углеродистая сталь(0,2…0,25)σт,(0,25…0,4)σт,(0,08…0,12)σт,0,12σт
Легированная сталь(0,15…0,2)σт,(0,2…0,3)σт,(0,1…0,15)σт,0,15σт
при контролируемой затяжке
Углеродистая сталь[σ]p ≈ 0,6σт
Легированная сталь[σ]p ≈ (0,4÷0,55)σт

Для незатянутых болтов, нагруженных осевой силой:

Допускаемый коэффициент запаса прочности принимают:

[n] = 1,5…2 – для болтов из углеродистой стали; [n] = 1,8…2,5 для болтов из легированной стали; большие значения [n] принимают при недостаточно точном определении размера осевой силы; для затянутых болтов (винты, шпильки):

[n] = 1,5…2,2 – для болтов из углеродистой стали; [n] = 2…3 – для болтов из легированной стали; эти значения [n] принимают при контролируемой затяжке. Если затяжка не контролируется, то для d ≤ 30 мм указанные значения [n] следует увеличить в два раза, принимая [n]mах для болтов с резьбой d ≤ M12.

ср] = 0,4σт – при постоянном нагружении стержня болта;

ср] = (0,25…0,30)σт – при переменном нагружении стержня болта;

ср] = 0,2σт – для стальной гайки;

ср] = 25…35 МПа – для бронзовой гайки;

см] = (0,8…1,0)σт – для углеродистой стали;

см] = (0,6…0,8)σт – для легированной стали;

см] = (0,6…0,8)σв – для чугуна. Удельные давления:

[q] = 1,0…2,0 МПа – для бетона;

[q] = 1,0…2,0 МПа – для дерева;

[q] = 4,5…6,0 МПа – незакаленная сталь-чугун;

[q] = 10,0…13,0 МПа – закаленная сталь — антифрикционный чугун;

[q] = 7,5…13,0 МПа – сталь-сталь;

[q] = 8,0…10,0 МПа – незакаленная сталь — бронза;

[q] = 10,0…13,0 МПа – закаленная сталь — бронза.

Основным критерием работоспособности крепежных резьбовых соединений является прочность. Стандартные крепежные детали с резьбой 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, нагрузка между витками резьбы винта и гайки распределена в значительной степени неравномерно. Установлено, что в стандартной гайке с шестью витками на первый, наиболее нагруженный виток приходится ≈ 52% общей осевой нагрузки, на второй – 25, на третий – 12, на четвертый – 6, на пятый – 3 и на шестой – 2%. Поэтому в гайке обычно не более 8 витков.

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.

Условие прочности резьбового стержня на растяжение определяется зависимостью:

отсюда расчетный диаметр болта:

где F – осевая сила, Н; σр – допускаемое напряжение на растяжение, МПа.

Условие прочности резьбового стержня на срез имеет вид:

где F – осевая сила; Aср – площадь среза витков нарезки; для винта Acp=πd1kHг, для гайки Acp=πDkHг. Здесь Hг – высота гайки; k – коэффициент, учитывающий ширину основания витков резьбы: для метрической резьбы для винта k ≈ 0,75; для гайки k ≈ 0,88; для трапецеидальной и упорной резьбы k ≈ 0,65; для прямоугольной резьбы k ≈ 0,5. Если винт и гайка из одного материала, то на срез проверяют только винт, так как d1<D.

Условие прочности резьбы на смятие имеет вид:

где Асм – условная площадь смятия (проекция площади контакта стержня с резьбой винта и гайки на плоскость, перпендикулярную оси): Асм = πd2hz, где πd2 – длина одного витка по среднему диаметру; h – рабочая высота профиля резьбы; z = Hг/p – число витков резьбы в гайке высотой Нг; р – шаг резьбы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *