Главная > Разное > Резьбовые и фланцевые соединения
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

6.4. Влияние конструктивных факторов на сопротивление усталости резьбовых соединений

Как отмечено выше, для резьбовых соединений характерны неравномерное распределение нагрузки между витками и высокая концентрация напряжений в наиболее нагруженном витке, вызванная действием общей осевой и местной нагрузки на виток. Напряжения, обусловленные первым фактором, значительно ниже напряжений от местной нагрузки на виток, которые действуют в зоне перехода радиусной поверхности впадины в виток.

Максимальные значения напряжения от общей нагрузки принимают в середине впадины резьбы. Суммарные напряжения достигают наибольших значений в некоторой точке дуги впадины, отстоящей от середины впадины (см. рис. 4.25).

Конструктивные мероприятия, направленные на повышение сопротивления усталости, должны обеспечивать уменьшение напряжений в зонах их концентрации или повышение прочности материала болта.

Увеличением радиуса впадины резьбы можно существенно уменьшить концентрацию напряжений и несколько повысить сопротивление усталости. Однако более эффективным способом является уменьшение локальной нагрузки на витки вблизи

опорной поверхности гайки и увеличение ее на витках, прилежащих к свободному торцу. Рассмотрим более подробно влияние отдельных факторов.

Масштабный фактор. Результаты экспериментальных исследований показывают, что с увеличением диаметра резьбы сопротивление усталости соединений снижается вследствие вредного влияния масштабного фактора, особенно для деталей с концентрацией напряжений;

Действие масштабного фактора объясняется тем, что при увеличении размеров в зоне напряжений данного уровня содержится большее число зерен металла. Это повышает вероятность попадания неблагоприятно ориентированных зерен или зерен с дефектами в область максимальных напряжений.

На рис. 6.4 показаны результаты исследования сопротивления усталости соединений с болтами разных диаметров, выполненного А. И. Якушевым [22]. Значительное снижение можно объяснить влиянием масштабного фактора и увеличением отношения

Снижение при увеличении абсолютных размеров резьбы обнаружено и в других опытах.

В работе [4] с целью изучения влияния масштабного фактора впервые использованы геометрически подобные образцы. Для шпилек из стали и гаек из стали принято где соответственно наружные диаметры гайки и шпильки; радиус впадины резьбы.

Геометрически подобные образцы имеют одинаковые теоретические коэффициенты концентрации напряжений.

Анализ результатов испытаний (рис. 6.5, а) показывает, что пределы выносливости снижаются интенсивно в

Рис. 6.4. Зависимость предела выносливости соединений от наружного диаметра резьбы 1 — сталь 2 - сталь 46

Рис. 6.5. Зависимости предела выносливости и коэффициента влияния абсолютных размеров от параметров резьбы: 1 - для термообработанныж заготовок шпилек; 2 - для термообработанных шпилек

Рис. 6.6. Кривая изменения предела выносливости в зависимости от диаметра резьбы

диапазоне диаметров от 6 до 10 ... 12 мм. Как и прежде, на сопротивление усталости существенно влияет последовательность операций изготовления резьбы и термообработки. При термообработке, проводимой после изготовления резьбы, снимаются остаточные напряжения, вызванные механической обработкой, а возникающие вследствие термической обработки напряжения, как правило, невелики; кроме того, и сопротивление усталости соединений в этом случае в меньшей степени зависит от размеров резьбы.

По данным исследования [4], а также в соответствии с результатами работ [22, 45, 48] можно считать, что предельная амплитуда переменных напряжений остается практически неизменной при увеличении диаметра резьбы от 12 до 24 мм.

На рис. 6.5, б показана кривая изменения коэффициента влияния абсолютных размеров от параметров резьбы.

Р. Хейвуд предложил следующее соотношение для предельной амплитуды переменных напряжений в связи с влиянием масштабного фактора

где коэффициент; для стали с

На рис. 6.6 приведена кривая, определяемая этим соотношением; точками показаны результаты упомянутых исследований.

Отметим, что масштабный фактор может и не влиять на механические характеристики болтов с накатанной резьбой, так как значительные остаточные напряжения сжатия вследствие накатывания могут компенсировать его действие. Для накатанной резьбы (до или после термообработки) коэффициент следует повышать на

При расчете долговечности резьбовых соединений снижение сопротивления усталости можно учесть, увеличив эффективный коэффициент концентрации напряжений

Радиус впадины резьбы. Первое экспериментальное исследование влияния радиуса впадины резьбы на долговечность соединений выполнено Тумом и Штеделем. Они установили, что увеличение радиуса от 0,1 до для болтов повышает в 2 раза работу удара (рис. 6.7). Позднее А. И. Якушев [22]

Рис. 6.7. Кривые изменения работы удара от долговечности соединений при разных радиусах впадины и внутренних диаметрах резьбы

исследовал зависимость сопротивления усталости соединений с болтами из стали и стали от радиуса впадины резьбы (табл. 6.3). Из анализа приведенных данных следует, что при увеличении предел выносливости соединений повышается. Однако в ряде опытов повышения прочности при увеличении отношения не обнаружено. Это связано, по-видимому, с различными значениями остаточных напряжений во впадинах резьбы при неконтролируемых режимах нарезания. В работе Р. Спроута 139], а также в исследованиях авторов установлено существенное влияние радиуса впадины на долговечность соединений. Подобные результаты для титановых и стальных болтов получены в одной из лабораторий США.

Сопфит и Филд исследовали сопротивление усталости болтовых соединений с резьбой из марганцево-молибденовой и углеродистой сталей при . Результаты испытаний приведены в табл. 6.4. Данные показывают, что при увеличении радиуса прочность соединений возрастает. В некоторых опытах наблюдалось обратное: увеличение отношения приводило к снижению предела выносливости. Это можно объяснить влиянием технологии изготовления (режимов нарезания или накатывания резьбы, обусловливающих различный наклеп в поверхностных слоях).

Отметим, что в указанных выше работах изучен сравнительно узкий диапазон изменения радиуса впадины. Между тем,

Таблица 6.8. Значения в зависимости от радиуса впадины резьбы

Таблица 6.4 (см. скан) Значения для соединений с метрической резьбой и резьбой Витворта в зависимости от радиуса впадины


дальнейшее увеличение радиуса открывает большие возможности для повышения предела выносливости резьбовых соединений из стали и особенно из титановых и бериллиевых сплавов.

Авторы совместно с Ж. А. Ардеевым и Ю. Г. Рысем исследовали влияние радиуса впадины на сопротивление усталости соединений в связи с технологией изготовления и термической обработкой деталей (болтов, шпилек). Испытывали соединения шпилек и гаек с разным профилем резьбы (рис. 6.8).

Резьба с профилем представляла собой обычную метрическую резьбу по ГОСТ 9150-81, в соответствии с которым форма впадины может выполняться как плоскосрезанной, так и закругленной, причем радиус впадины относится к неконтролируемым параметрам резьбы. Стандарт допускает также некоторое

Рис. 6.8. Профили резьбы

неконтролируемое закругление впадины до связанное с изнашиванием резьбообразующего инструмента. Резьба данного типа имела

Резьба с профилем II отличалась от предыдущей наличием плоскосрезанной впадины Такая резьба широко применяется в малонагруженных резьбовых деталях из сталей.

Резьба с профилем III имела радиус впадины близкий к рекомендуемому

Эта резьба служит основной для титановых крепежных деталей в авиационной и ракетной промышленности США, Франции, Великобритании и ФРГ. Кроме того, резьба с таким профилем применяется за рубежом для болтов из тугоплавких ниобиевых и танталовых сплавов, а также для болтов из бериллиевых сплавов. Радиус является наибольшим, при котором обеспечивается частичная взаимозаменяемость с болтами, имеющими стандартный профиль резьбы.

(кликните для просмотра скана)

Профиль резьбы шпильки идентичен профилю III, а резьба гайки соответствовала ГОСТ 9150-81, поэтому для обеспечения полной взаимозаменяемости шпилек и гаек зазор по внутреннему диаметру увеличили до

Резьба с профилем IV имела радиус впадины Наружный диаметр резьбы соответствовал ГОСТ 9150-81. Зазор по условному среднему диаметру, равному полусумме наружного и внутреннего диаметров резьбы, находился в пределах допусков, соответствующих посадке

Отметим, что резьба с применяется рядом авиационных фирм для высоконагруженных болтов из титановых сплавов.

Резьба с профилем IVа также имела но в соединении использовалась стандартная гайка с резьбой по ГОСТ 9150-81.

Резьба с профилем V имела минимальные зазоры по условному среднему диаметру соответствовали ГОСТ 16093-81.

Резьба шпильки с профилем имела такой же радиус, но резьба гайки соответствовала ГОСТ 9150-81.

Профиль VI резьбы был аналогичен профилю V, но в этом случае резьба имела плоскосрезанную впадину.

Профиль VII райки резьбы не отличался от профиля У, а профиль резьбы шпильки совпадал с профилем II.

Основные размеры резьбы шпилек, использованных в испытаниях, приведены в табл. 6.5.

Шпильки изготовляли из сталей и титанового сплава

Термообработку одной партии шпилек проводили до изготовления резьбы, шпильки другой партии подвергали термообработке после изготовления резьбы. Термическая обработка во втором случае снимала остаточные напряжения от механической обработки.

Гайки изготовляли из стали и титанового сплава

Резьбу гаек нарезали метчиками, размеры резьбы контролировали десятью пробками со средними диаметрами от до Для испытаний отбирали гайки с минимальными зазорами

Резьбу на шпильках одной партии нарезали на токарно-винторезном станке резцами с пластинами из твердых сплавов заточенными на оптикошлифовальном станке. Профиль резьбы шпилек контролировали с помощью инструментального микроскопа. Резьба на шпильках второй партии накатывалась на резьбонакатном станке при неизменном режиме. Размеры резьбы шпилек измеряли с применением инструментального микроскопа.

Испытания проводили на машине резонансного типа с частотой Гц. Результаты испытаний представлены, кроме табл. 6.5, на рис. 6.9 и в табл. 6.6.

Рис. в. 9. Зависимость предела выносливости соединений от радиуса впадины: 1 — соединения с минимальными зазорами в резьбе; 2 — соединения с увеличенными зазорами

Рис. 6.10. Соединения с ненагруженной (в центре) резьбой

Установлено, что разрушение резьбовых соединений всегда происходило во впадине между первым и вторым рабочими витками. Усталостная трещина зарождалась, как правило, вблизи начала перехода от дуги впадины радиуса к прямолинейному участку, что свидетельствовало о существенной концентрации напряжений от изгиба витков.

Результаты исследований сопротивления усталости образцов с ненагруженными рабочими гранями витков (рис. 6.10) подтвердили вывод о превалирующем влиянии концентрации напряжений от изгиба над концентрацией напряжений от растяжения. Предел выносливости таких образцов в 3 раза выше, чем для резьбовых соединений с одинаковой геометрией резьбы.

Таблица 6.6. Значения для соединений из стали в зависимости от среднего напряжения и радиуса впадины резьбы

С увеличением радиуса впадины резьбы концентрация напряжений уменьшается и прочность соединений существенно возрастает (см. рис. 6.9). Например, при переходе от резьбы с плоской

Рис. 6.11. Кривые изменения предела выносливости резьбовых соединений с накатанной (а) и нарезанной (б) резьбой в зависимости от радиуса впадины и технологии изготовления; 1 — заготовки после термической обработки, готовые шпильки после термической обработки, заготовки после термической обработки, от

впадиной (профиль II на рис. 6.8) к резьбе с (про-филь I) при предел выносливости увеличивается на 23 %. В случае перехода от плоской впадины (профиль VI) к резьбе с (профиль V) при предельная амплитуда цикла возрастает в 2,25 раза.

Сопротивление усталости соединений с увеличенными диаметральными зазорами в резьбе существенно ниже сопротивления усталости соединений с минимальными зазорами, что подтверждают также данные для соединений из стали

Отметим, что уменьшение перекрытия витков (за счет увеличения диаметра отверстия в гайке под резьбу) приводит к некото» рому увеличению Это можно объяснить повышением податливости витков болта и, как следствие, более благоприятным распределением нагрузки между витками резьбы.

На рис. показана зависимость предельной амплитуды для соединений с накатанной и нарезанной резьбой от радиуса впадины и технологии изготовления. Видно, что на сопротивление усталости резьбовых соединений второй фактор оказывает существенное влияние.

В случае накатывания резьбы на термообработаниых заготовках (без последующей термообработки шпилек) при предел выносливости снижается. Это связано с уменьшением значений компонентов напряжений сжатия в резьбе от накатывания или нарезания. На рис, 6.12 приведены кривые изменения приращения и степени пластической деформации при накатывании резьбы в зависимости от радиуса впадины. Значение можно вычислить по формуле

где внутренний диаметр резьбы; диаметр стержня шпильки (болта) под накатывание резьбы.

Аналогичный характер имеет кривая изменения микротвердости во впадинах резьбы для шпилек с разными радиусами (рис. 6.13).

Однако при напряжении предварительной затяжки напряжения сжатия, вызванные накатыванием, большей

Рис. 6.12. Зависимости приращения предела выносливости и степени пластической деформации при накатывании резьбы от радиуса впадины

Рис. 6.13. Кривые изменения микротвердости во впадинах резьбы шпилек из стали после термообработки

частью компенсируются напряжениями растяжения от затяжки. Таким образом, при предел выносливости также возрастает с увеличением отношения

Значения при разных средних напряжениях и радиусах впадины резьбы приведены в табл. 6.6.

Наряду с испытаниями на усталость для оценки влияния радиуса впадины витков проведены испытания на прочность.

Испытывали соединения шпилек из стали и гаек из стали 45 с резьбой Результаты испытаний представлены на рис. 6.14 (светлые точки соответствуют разрушению витков резьбы, темные — обрыву стержня по резьбе) и в табл. 6.7.

Таблица 6.7. Разрушающая нагрузка для соединений из сплава

Анализ показывает, что при предел прочности соединений снижается (в большей степени для мелких резьб). Это связано с уменьшением перекрытия витков и увеличением концентрации напряжений в наиболее нагруженных сечениях витков. Однако сила, разрушающая резьбу в соединениях с практически не отличается от силы, разрушающей стержень шпильки с резьбой по Прочность резьбовых соединений с увеличенными радиусами впадины можно повысить, увеличив высоту гайки до В динамически нагруженных соединениях радиус впадины резьбы целесообразно увеличить до

Рис. 6.14. Зависимость несущей способности соединений от радиуса впадины: 1 — соединения с зазорами в резьбе, соответствующими посадке ; 2 - то же с увеличенными зазорами в резьбе

Рис. 6.15. Специальный профиль резьбы

Следует отметить, что радиус впадины относится к неконтролируемым параметрам резьбы, однако при изготовлении ответственных резьбовых соединений значение необходимо контролировать (с применением проекторов, инструментальных микроскопов и др.). При накатывании имеется большая возможность выдержать значение

Один из конструктивных вариантов резьбы с большим радиусом впадины показан на рис. 6.15. Предел выносливости рассматриваемой резьбы, без уменьшения перекрытия витков, примерно в 2 раза больше предела выносливости обычной метрической резьбы.

Однако резьба с таким радиусом впадины сложна в производстве. При ее изготовлении необходимо тщательное выполнение переходов от закругления к прямолинейной части. Простое увеличение радиуса более приемлехмо. хотя также требует тщательного выполнения этого перехода.

Шаг резьбы. Анализ данных табл. 6.5 показывает, что при одинаковом отношении шаг резьбы практически не влияет на предел выносливости резьбовых соединений. Лишь для резьбы с диаметром при наблюдается небольшой (до ) разброс результатов относительно среднего значения. При других значениях разброс не превышает Это позволяет рассматривать резьбу как совокупность мелких выточек. Напряжения в стержне с такими выточками распределяются неравномерно лишь небольшой глубине, прилегающей к вершине. В этом случае коэффициент концентрации напряжений зависит от отношения и не зависит от отношения

Если разрушающие напряжения в болте с мелкой резьбой одинаковые с крупной резьбой, то разрушающие нагрузки при мелкой резьбе выше за счет большей площади. Например, для резьбы площадь сечения а для резьбы т. е. на больше.

Для накатывания мелкой резьбы требуются станки меньшей мощностью. Кроме того, соединения с мелкой резьбой имеют более

Рис. 6.16. Профили резьбы с разными углами а

Таблица 6.8. Основные размеры резьбы и значения для резьбовых соединений с разными углами профиля

высокие стопорящие свойства.

Благодаря указанным преимуществам мелкую резьбу широко применяют в машиностроении.

Угол профиля и форма резьбы. При уменьшении угла профиля (за исходный угол профиля принят угол для метрической резьбы увеличивается рабочая глубина (перекрытие) витков и, как следствие, осевая податливость резьбы, которая способствует более равномерному распределению нагрузки между витками и разгрузке первого витка. При также улучшается распределение нагрузки между витками, но уже за счет увеличения радиальной податливости гайки. Результаты расчетов показывают, что нагрузка на первый виток резьбы снижается на по сравнению со стандартной резьбой; при уменьшение нагрузки составляет

Наряду со снижением нагрузки при существенно уменьшаются действующие в основании витков напряжения, связанные с изгибом. При резьба получается как бы «без-изгибной» (рис. 6.16), что существенно повышает прочность соединений.

Влияние угла профиля резьбы на сопротивление усталости исследовалось авторами. Испытывались шпильки из стали

Резьба на шпильках нарезалась на токарно-винторезном станке резцами с пластинами из твердого сплава заточенными на профилешлифовальном станке. Резьба в гайках нарезалась специальными метчиками. Профили исследованных резьб изображены на рис. 6.19.

Как показывают результаты испытаний (табл. 6.8; рис. 6.17), увеличение угла профиля резьбы до или уменьшение до позволяет повысить предел выносливости соединения на 45 -55 %. Впервые резьба с для болтов была предложена в работе [3].

Разрушение соединений происходит, как правило, на уровне или ниже опорного торца гайки, что свидетельствует о существенном уменьшении максимальных напряжений в сечении первого витка.

Рис. 6.17. Зависимость предела выносливости соединений от угла профиля резьбы

Рис. 6.18. Кривые изменения максимального напряжения для соединений с обычным и асимметричным (2) профилями резьбы

По данным Р. Б. Хейвуда, долговечность болтов а в 10 раз больше, чем стандартных.

Резьба с может быть рекомендована для конструкций, когда необходим очень высокий предел выносливости (особенно для нарезанных резьб). Изготовление резьбы с малой высотой профиля при легче, чем резьбы с профилем стандартной формы.

Отметим, что увеличение угла профиля резьбы свыше 90° может привести к разрушению тела гайки из-за высокой радиальной нагрузки.

Смещения усилий к оси стержня и уменьшения напряжений от изгиба витков можно достичь при выполнении на болтах (шпильках) резьбы с несколько большим, чем на гайках, углом симметричного профиля а также при изготовлении резьбы с асимметричным профилем (см. рис. 4.25). Резьба гайки должна иметь при этом стандартный профиль, а для обеспечения свинчиваемости и взаимозаменяемости следует несколько увеличить зазоры по среднему диаметру. Асимметричный профиль резьбы болта применяется в Великобритании и США. По данным Хирониса, такая резьба выдерживает значительные напряжения (рис. 6.18).

Отметим, что применение гаек, резьба которых имеет увеличенный угол а или асимметричный профиль, может привести к снижению сопротивления усталости.

Влияние угла профиля и формы резьбы на долговечность резьбовых соединений изучалось Итоном. Профили исследованных резьб показаны на рис. Резьбы с профилями и IV, наиболее распространенные в имели Резьбы с профилями II и III упорные, причем в первом случае угол наклона рабочей стороны резьбы равен 3°, нерабочей 30°, а во втором случае соответственно 0 и 45°. Рабочая высота профиля III меньше, чем профиля II. Резьба с профилем V имела Резьбы с профилями VI и VII предназначены для воспринятая

переменных нагрузок. Исключение контакта но вершинам витков резьбы с профилем как показали результаты экспериментов, повысило долговечность соединений, но снизило прочность при испытании на срез. Такую незьбу используют в для соединений, нагруженных тяжелыми динамическими нагрузками.

Шпильки изготовляли из марганцево-никелевой стали Испытания проводили при отнулевом цикле напряжений. В табл. 6.9 приведены данные об относительной прочности резьбовых соединений (за единицу принята прочность резьбы с и плоскосрезанной впадиной). Как показывает анализ этих данных, профиль, образованный дугой окружности и исключающий контакт между вершиной резьбы гайки и впадиной резьбы шпильки, позволяет на 60 % повысить предел выносливости соединений. При использовании упорной резьбы и резьбы с значение повышается незначительно (до Это объясняется влиянием ударных нагрузок из-за увеличенных радиальных зазоров при отнулевом цикле напряжений. Предел выносливости этих соединений можно повысить путем предварительной затяжки.

Переменные средний диаметр и шаг. Изменив

Рис. 6.19. Профили резьбы

радиус впадины или профиль резьбы, можно эффективно снизить концентрацию напряжений от местной нагрузки на витки. Для улучшения распределения нагрузки нужно таким образом изменить средний диаметр по высоте гайки, чтобы контакт витков начинался вблизи свободного торца гайки. Р. Хейвудом установлено, что прямая конусность при увеличении среднего диаметра от торца к головке болта (рис. 6.20) снижает долговечность соединений до циклов. Обратная конусность повышает долговечность до , а при боль» шей конусности до циклов.

Таблица 6.9. Относительная прочность резьбовых соединений

Отметим, что использование резьбы с переменным средним диаметром ограничено требованием недопущения в резьбе больших зазоров, поэтому в паре с конусным болтом предпочтительно применять конусную гайку. Разновидностью этого метода является усечение (коррекция) витков резьбы гайки в наиболее нагруженной области до нарезания резьбы или после него (рис. 6.21). Угол принимают равным Согласно данным Лутандера и Вальгрена, при усечении нижних витков гайки на 12° предел выносливости повышается на Такое же увеличение получено Г. Вигандом при усечении под углом 10°. Рекомендации по применению гаек коническим заходом приведены в работе Р. А. Уолкера и Г. Майера [44].

Гайка с увеличенным шагом дает более равномерное распределение нагрузки. По данным Р. Хейвуда, долговечность соединения гайки с 11,85 витками и болта с 12 витками на Г повышается с (для обычного соединения) до циклов, причем

Рис. 6.20. Болты с прямой (а) и обратной (б) конусностью

Рис. 6.21. Резьбовые соединения с усеченными нижними витками

Рис. 8.22. Гайка с утопленной резьбой

Рис. 8.23. Гайка со специальной резьбой

разрушения всегда происходят значительно глубже опорной поверхности гайки, что свидетельствует о более равномерном распределении нагрузки между витками.

Переменный шаг в сочетании с углом профиля способствует существенному повышению долговечности. Степень влияния увеличенного шага гайки зависит от прочности ее материала при растяжении. В случае невысокой прочности происходит перераспределение нагрузки вследствие пластических деформаций и нижние витки начинают работать аналогично виткам обычной гайки.

Рекомендуется использовать болты и гайки из одного материала.

Иногда применяют гайки с утопленной резьбой (рис. 6.22). В таких соединениях нижний виток болта более податливый, что снижает нагрузку.

На рис. 6.23 показана гайка с прорезями по впадинам резьбы, которые увеличивают их податливость и улучшают распределение нагрузки. Однако на практике такую конструкцию реализовать крайне сложно.

Форма гайки. Конструкция гайки оказывает большое влияние на распределение нагрузки между витками и, как следствие, на долговечность соединений. Например, действие нагрузки на нижний виток гайки растяжения, в раза меньшей, чем для обычной гайки, приводит к существенному повышению предела выносливости.

Исследование влияния формы гайки выполнено Г. Вигандом. В его опытах образцы имели резьбу Витворта Результаты приведены в табл. Как и следовало ожидать, наиболыиим сопротивлением усталости характеризуются соединения с гайкой растяжения, наименьшим — со стандартной гайкой. При использовании гаек с кольцевой выточкой (поднутрением) значение увеличивается на Размеры гаек с поднутрением к табл. 6.10 приведены на рис. 6.24.

Прочность соединений при переменных нагрузках повышаю: только гайки, обеспечивающие более равномерное распределение нагрузки (гайки растяжения и сжато-растянутые гайки). На рис. 6.25 показаны соединения с такими гайками, применяемые

(кликните для просмотра скана)

Рис. 6.24. Гайки с кольцевой выточкой

фирмой «Роллс-ройс моторе» (Великобритания) в авиационных двигателях.

При использовании сжато-растянутых гаек предел выносливости, по данным И. А. Биргера, повышается на по данным Штаудте — на 40 %.

Р. Хейвудом исследована гайка с вогнутой опорной поверхностью (рис. 6.26). Под действием радиальных составляющих нагрузки на эту поверхность, наклоненную под углом 30°, гайка расширяется (вблизи опоры). Это способствует равномерному распределению нагрузки и повышает долговечность соединений с углом профиля до циклов (долговечность соединений с обычной гайкой составляет 105 циклов).

Обращенное распределение нагрузки можно получить при использовании контргайки, затягиваемой с большим моментом. Кросс и Норрис установили, что предел выносливости соединений с болтами из стали затянутых гайкой и контргайкой с моментом повышается на 50 % по сравнению с обычными соединениями.

Существенно повысить сопротивление усталости еоединений можно и в случае применения гаек со спиральными вставками. Экспериментально (табл. 6.11) установлено, что на предел выносливости большое влияние оказывает характер распределения нагрузки между витками. Так как обычным соединениям свойственны менее благоприятное распределение нагрузки по сравнению соединениями со спиральными вставками (см. рис. 4.40)

Рис. 6.25. Соединения с улучшенным распределением нагрузки между витками

Рис. 6.26. Гайка с вогнутой опорной поверхностью

и, как следствие, большая нагрузка на первый рабочий виток для дуралюминовой и на для стальной гаек), предел выносливости соединений со вставками значительно выше, чем обычных.

Поскольку повышение нагрузки на первый рабочий виток пропорционально снижению предела выносливости, усталость резьбовых соединений можно оценивать исходя из характера распределения нагрузки между витками.

Таблица 6.11. Значение для соединений с гайками из дуралюмина

Материал гайки. Теоретически и экспериментально установлено, что применение гаек из материала с небольшим модулем упругости приводит к более равномерному распределению нагрузки между витками и повышению предела выносливости соединений.

Например, при использовании дуралюминовых гаек взамен стальных нагрузка на первый виток снижается на Результаты экспериментов также свидетельствуют о повышении значения стальных болтов с гайками из дуралюмина (см. табл. 6.11). В резьбовых соединениях со спиральными вставками нагрузка, действующая на первый виток, и, как следствие, предел выносливости лишь незначительно зависят от свойств материала корпуса (гайки) из-за большой податливости вставки.

Повышение соединений в случае применения чугунных гаек и гаек с льняным уплотнением получено Г. Вигандом (см. табл. 6.10).

В табл. 6.12 приведены экспериментальные данные по исследованию влияния материала гайки на сопротивление усталости соединений. В опытах со шпильками это влияние проявилось сильнее, чем с болтами, так как в первом случае применялись футорки (втулки с наружной и внутренней резьбой) из магниевого сплава, жесткость которых приблизительно в 2 раза меньше жесткости шпилек. Распределение нагрузки в таких соединениях существенно отличалось от распределения нагрузки в соединениях типа болт—гайка. Нагрузка на первый виток при

Таблица 6.12. Значения для соединений с гайками из различных материалов

магниевой вставке приблизительно в 2 раза меньше, чем в стальной гайке, что соответствует опытным данным.

Влияние материала гайки исследовалось также авторами. Испытывались соединения шпилек нарезанной резьбой (форма впадины — плоскосрезанная) с гайками из сплавов и стали 45, Средние значения разрушающей нагрузки (по результатам пяти испытаний) приведены в табл. 6,13. На рис. 6,27 показана зависимость предела выносливости соединения от отношения модуля упругости материала гайки испытуемого соединения к модулю упругости стали

Как видно,

Рис. 6.27. Зависимость предела выносливости соединения от отношения

Таблица 6.13. Разрушающая нагрузка для соединений с гайками из различных материалов

применение в резьбовшх соединениях гаек из титановых сплавов и алюминиевого сплава вместо стальных позволяет повысить предел выносливости соединений соответственно на

Прочность (на срез витков) соединений стальных шпилек с гайками из титанового сплава не ниже прочности соединений со стальными гайками, поэтому применение гаек из прочных титановых сплавов взамен стальных позволяет наряду некоторым снижением массы конструкции заметно повысить несущую способность резьбовых соединений.

Результаты экспериментальных исследований влияния материала гайки на предел выносливости приведены в работе Бенеша.

Таблица 6.14. Значения для соединений в зависимости от предела прочности материала гайки

Отметим, что и при использовании стальных гаек можно повысить предел выносливости соединений, правильно выбрав прочность материала. Исследованиями Лутандера и Вальгрена, а также Филда установлено, что, применив гайки из менее прочной стали, можно повысить на (табл. 6.14).

Подобный эффект описан выше при рассмотрении предела прочности соединений.

Высота гайки. Теоретически установлено, что применение гаек не приводит к существенному повышению сопротивления усталости соединений, так как нагрузка на первый виток изменяется незначительно.

Результаты экспериментального исследования влияния высоты гайки на сопротивление усталости, проведенного Г. Вигандом, Иллгнером и К. Г. Беелихом [45] (табл. 6.15) показывают, что при предел выносливости стальных соединений практически не повышается. Если значение увеличивается на Это обусловлено применением низкопрочных гаек и высоким средним напряжением, приводящим к появлению местных пластических деформаций в резьбе и улучшению распределения нагрузки.

Аналогичный результат получен А. И. Якушевым [22] для соединений болтов из стали и гаек из стали 45 с (табл. 6.16).

А. И. Якушевым установлено, что при малой высоте Я усталостному разрушению, помимо гайки, подвергается и болт, так

Таблица 6.15. Значения для соединений в зависимости от высоты гайки

как, хотя витки гайки и болт воспринимают одни и те же нагрузки, в витке резьбы болта действуют напряжения растяжения, уменьшающие его сопротивление усталости.

Отметим, что в случае применения гайки из материала в меньшим, по сравнению со значением для материала болта, модулем упругости влияние высоты гайки сказывается в большей степени, чем при одинаковых по модулю упругости материалах (см. табл. 6.12 и 6.16).

Таблица 6.16. Значения для резьбовых соединений в зависимости от высоты гаек

Прочность материала болта. Для резьбовых деталей характерны высокие коэффициенты концентрации напряжений, поэтому при выборе материала болта или шпильки следует исходить из результатов испытаний

Таблица 6.17. Значения для болтов из стали различной термической обработка в зависимости от механических характеристик материала

Рис. 6.28. Зависимость предела выносливости соединений от прочности болтов из стали

образцов в надрезом. В связи высокой концентрацией напряжений наибольшее распространение для динамически нагруженных соединений получили легированные стали. Основное преимущество таких сталей по сравнению с углеродистыми — большие пределы текучести и прочности при достаточно высокой пластичности, что необходимо при создании значительных напряжений затяжки.

Следует иметь в виду, что при повышении конструкционной прочности материала болта возрастает и сопротивление усталости соединений» В табл. 6.17 даны значения предельной амплитуды цикла для соединений болтов из стали с накатанной резьбой и гаек из стали 45 в зависимости от прочности материала болта при

Установлено существенное повышение прочности при увеличении твердости материала. Подобный результат получен авторами при испытаниях соединений болтов из стали с нарезанной резьбой и гаек из стали с разными радиусами впадины резьбы .

Накатка значительно повышает предел выносливости соединений из высокопрочных сталей, однако ее практическое использование при твердости более затруднено из-за низкой стойкости резьбонакатного инструмента.

Для болтов с твердостью более следует применять более плавные переходы от головки к стержню и при выходе резьбы, так как такие болты часто разрушаются в указанных местах.

Отметим, что стремление к большим значениям не всегда оправданно, Например, для стали 45 при закалке с 830 ... 850 °С и отпуске при можно получить Однако относительное удлинение составит всего Материал в такой пластичностью непригоден для машиностроительных конструкций. При температуре отпуска получается

Таблица 6.18. Значения для соединений с накатанной резьбой в зависимости от радиуса впадины и среднего напряжения

что допустимо для материала резьбовой детали.

В работе Р. А. Уолкера и Г. Майера показано, что стремление к высокой прочности и твердости иногда существенно снижает предел выносливости резьбовых соединений, термообработанных после изготовления резьбы. Это связано с обезуглероживанием поверхностных слоев. У болтов с резьбой, накатанной на термообработанных заготовках, уменьшения предела выносливости при высокой твердости не наблюдается.

При изготовлении болтов и шпилек из легированных сталей ( и др.) применяют высокий отпуск при температуре достигая Повышение пластичности после высокого отпуска благоприятно сказывается на работоспособности соединений при сложных условиях нагружения (при дополнительных изгибающих нагрузках, динамических перегрузках и пр.).

Наряду с указанными сталями в ряде отраслей машиностроения для изготовления болтов, шпилек и гаек применяют коррозионно-стойкие стали аустенитного и аустенитно-мартенситного классов, например и др.

Стали двух последних марок являются перспективными. После закалки на воздухе с температуры растворения карбидов они имеют в основном аустенитную структуру. Последующей обработкой холодом (при ) в течение или при в течение достигается упрочнение, в процессе которого происходит мартенситное превращение.

Эти стали отличаются высокими коррозионной стойкостью, вязкостью, пластичностью при достаточно большой прочности для стали для стали а также малой чувствительностью к действию

Рис. 6.29. Кривые усталости резьбовых соединений из сплава

значительных концентраторов напряжений. Последнее приобретает важное значение при динамическом нагружений соединений.

Результаты исследований, выполненных Я. М. Потаком и другими учеными, показали, что для соединений с накатанной резьбой при использовании болтов из стали — из стали при одинаковой технологии изготовления,

В последние годы распространение получили болты из титановых сплавов. Эти сплавы имеют более высокие пределы выносливости, нежели стали с такой же прочностью на гладких образцах. Однако их малая пластичность сравнительно высокая чувствительность к концентрации напряжений и в особенности к качеству поверхностного слоя приводят к резкому снижению сопротивления усталости резьбовых соединений.

Авторами исследовалось влияние конструктивных факторов на предел выносливости резьбовых соединений из сплава В Испытывались соединения шпилек и гаек с различными профилями резьбы (см. рис. 6.8).

Резьба одной партии шпилек нарезалась на токарно-винторезном станке резцами с пластинами из твердого сплава заточенными на оптико-шлифовальном станке. Профиль резьбы контролировался на инструментальном микроскопе. Основные размеры профилей резьбы при разных шагах приведены в табл. 6.5. Шероховатость поверхности резьбы составляла Резьба другой партии шпилек накатывалась на резьбонакатном станке роликами диаметром из стали с наибольшей радиальной подачей (на оборот) В качестве смазочно-охлаждающей жидкости применялся сульфофрезол.

Допуски на резьбу шпилек и гаек соответствовали 4-й степени точности.

Испытания на усталость проводили с частотой Гц на машине резонансного типа при средних номинальных напряжениях (по резьбовой части) и базе циклов. Напряжения в процессе испытаний контролировали тензо-метрическим способом.

Результаты исследования влияния шага и радиуса впадины резьбы на приведены в табл. 6.5 и 6.18; на рис. 6.29 показаны типичные кривые усталости для соединений с резьбой (номера кривых соответствуют профилям резьбы на рис. 6.8).

Установлено, что с увеличением впадины резьбы от до предельная амплитуда повышается на При одинаковом отношении шаг резьбы, как и для сталей, практически не влияет на сопротивление усталости соединений.

Отметим, что пределы выносливости соединений из сплава и стали с нарезанной резьбой практически одинаковы. Накатывание резьбы при не повышает соединений, а при некоторых режимах может значительно снизить значение сгап. Увеличив радиус впадины до , можно существенно повысить предел выносливости соединений из титановых сплавов.

При возрастании наблюдается более интенсивное снижение (см. табл. 6.18), чем для остальных соединений. Это можно объяснить меньшей глубиной проникновения остаточных напряжений сжатия от накатывания вследствие низкой пластичности титанового сплава.

Необходимым условием надежной работы и применения ответственных резьбовых соединений из титановых сплавов является увеличение радиуса впадины резьбы до .

Применение стальных гаек взамен титановых (для улучшения свинчиваемости соединений) снижает значение на из-за менее равномерного распределения нагрузки между витками.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление