13.4.2. Основные повреждения и критерии работоспособности, материалы и классы прочности резьбовых деталей

Опыт эксплуатации показал, что разрушение резьбовых соединений может происходить по одной из следующих причин:

• разрыв стержня по резьбе при диаметре , не соответствующем условию прочности;

• срез или смятие резьбы при недостаточной длине свинчивания, мелком шаге резьбы и в случае применения для одной из резьбовых деталей менее прочного материала.

Основным критерием работоспособности резьбовых деталей является прочность стержня болта на разрыв и резьбы на срез и смятие.

Выбор материала для резьбовых деталей определяется условиями работы, способом изготовления, требованиями к габаритам и массе и др. Например, крепежные детали общего назначения изготавливают из низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей типа сталь10…сталь35.

Для ответственных соединений, например для изделий авиакосмической техники, применяют легированные конструкционные стали марок 38ХА, 30ХГСА и др. При требованиях к снижению массы резьбовые детали изготавливают из титановых сплавов типа ВТ16 и др. Кроме высокой прочности, малой массы, они имеют другое достоинство — высокую антикоррозионную стойкость.

Стальные стандартные болты и шпильки распределяются по классам прочности в зависимости от свойств материала, из которого они изготавливаются. Стандартом предусмотрено 12 классов прочности, которые обозначаются двумя цифрами, характеризующими механические характеристики материала, например 10.9. Первая цифра, умноженная на 100, указывает минимальное значение предела прочности (МПа),а их произведение, умноженное на 10, соответствует приблизительно пределу текучести . В данном случае МПа,

189

. Это соответствует стали 30ХГСА, а также другим аналогичным по механическим свойствам маркам. В авиационных конструкциях применяются болты и шпильки преимущественно классов прочности 8.8…10.9.

13.4.3. Распределение нагрузки по виткам резьбы. Стандартные соотношения элементов резьбовых деталей

Распределение нагрузки по виткам резьбы рассмотрим на примере ненапряженного резьбового соединения, т.е. соединения без предварительной затяжки гайки (или винта). Схема такого соединения приведена на рис. 13.9, а. Внешняя осевая нагрузка воспринимается стержнем винта, по виткам резьбы передается на гайку и уравновешивается реакцией ее опоры. Общее распределение внешней нагрузки по длине винта будет иметь вид, показанный на рис. 13.9, б.

Рис. 13.9. Схема распределения нагрузки в резьбовом соединении

Распределение внешней осевой нагрузки по виткам резьбы гайки впервые было рассмотрено Н.Е. Жуковским в 1902г. Им было показано, что нагрузка между витками резьбы распределяется неравномерно. Это объясняется деформациями растяжения винта и сжатия гайки, а также изгиба и смятия витков резьбы. Совместные

190

деформации и перемещения витков винта и гайки приводят к резко неравномерному распределению нагрузки по виткам резьбы (рис. 13.9, б, в). Как можно видеть из графика, наиболее нагруженным оказывается первый виток, на него приходится 34% внешней нагрузки, начиная с шестого витка, она составляет не более

2% и далее постепенно снижается до нуля.

На основе экспериментально-аналитических исследований была предложена формула для расчета нагрузки на максимально нагруженный виток резьбы

, (13.1)

где — число витков гайки, — высота гайки, — шаг резьбы, — коэффициент неравномерности. В зависимости от высоты гайки и шага резьбы .

Из рассмотрения условия равнопрочности стержня винта на растяжение и резьбы на срез с привлечением формулы (13.1) получено соотношение по определению требуемой высоты гайки:

. (13.2)

Приняв средние значения параметров для стальных болтов и гаек, входящих в формулу (13.2), получим

.

В стандартных резьбовых соединениях принято . В этой связи для стандартных болтовых соединений проверка прочности резьбы на срез не выполняется, ограничиваются только проверкой прочности стержня болта на растяжение.

Для винтов и шпилек, ввинчиваемых в корпуса из легких сплавов, выполняется проверка прочности резьбы в корпусе. По условиям равнопрочности глубина ввинчивания шпилек в корпуса из алюминиевых сплавов принимается .

191