Різьбові з'єднання
Будь-яка машина складається з багатьох деталей та окремих складальних одиниць. Ці деталі та складальні одиниці пов'язані між собою тим чи іншим способом. Зв'язки елементів машини поділяють на рухомі (шарніри, підшипники) та нерухомі (різьбові, зварні).
Використання рухомих зв'язків елементів обумовлене кінематикою машини. Нерухомі зв'язки застосовують для забезпечення можливості розбирання машини на деталі та складальні одиниці. Потреба розбирання спричинена спрощенням виготовлення, складання, ремонту та транспортування.
Нерухомі зв'язки деталей у машинобудуванні називають з'єднаннями. Всі види з'єднань поділяють на роз'ємні та нероз'ємні.
Роз'ємні з'єднання (різьбові, шпонкові, зубчасті (шліцеві), клемові та ін.) допускають розбирання з'єднаних деталей без пошкоджень елементів з'єднання.
Нероз'ємні з'єднання (зварні, паяні, клепані та ін.) не дають змоги виконувати розкладання з'єднаних деталей без пошкодження елементів з'єднання. Використання нероз'ємних з'єднань обумовлене технологічними та економічними вимогами.
Проміжне місце між роз'ємними та нероз'ємними займають пресові з'єднання В деяких випадках ці з'єднання проектуються як нероз'ємні, і розкладання їх може спричинити пошкодження спряжених поверхонь та послаблення посадки деталей. Але при малих натягах, характерних, наприклад, для посадки кілець підшипників кочення, ці пошкодження незначні, навіть для багатократного напресовування.
З'єднання деталей машин є дуже важливими елементами конструкцій, бо багато аварій або порушень нормальних режимів роботи машини обумовлені незадовільною міцністю та надійністю з'єднань.
Різьбовими називають такі з'єднання, які виконуються за допомогою деталей, що мають різьбу.
Широке використання різьбових з'єднань у машинобудуванні обумовлене їхньою простотою, високою несучою здатністю, надійністю, а також зручністю з'єднання та роз'єднання деталей. Застосуванню різьбових з'єднань сприяють також наявність значної номенклатури спеціальних різьбових деталей, пристосованих до різних конструктивних варіантів з'єднань, їхня широка стандартизація та мала вартість в умовах масового виготовлення.
Обмеження у використанні різьбових з'єднань пов'язані з наявністю значної кількості концентраторів напружень на поверхнях різьбових деталей, що зменшує їх втомну міцність при дії змінних напружень.
Кріпильні різьби та їхні основні параметри
Кріпильні різьби застосовують у деталях різьбових з'єднань. Залежно від форми поверхні, на якій нарізана різьба, розрізняють циліндричні та конічні різьби. В основному використовуються циліндричні кріпильні різьби. Конічну різьбу застосовують у випадках, коли треба забезпечити герметичність з'єднання.
Кріпильні різьби бувають; метричні, трубні та круглі.
Метрична різьба є основною кріпильною різьбою Вона має назву метричної тому, що всі її розміри задаються в міліметрах (на відміну від мало розповсюдженої дюймової різьби, розміри якої даються в дюймах). Метрична різьба має трикутний профіль витків із кутом профілю α = 60°. Вершини витків та впадин притуплені по прямій або по дузі кола, по вершинах та впадинах утворений зазор Така конструкція полегшує обробку різьби, зменшує концентрацію напружень та запобігає пошкодженням різьби в умовах виконання складальних робіт.
Метрична різьба характеризується такими основними геометричними параметрами: d – зовнішній (номінальний) діаметр різьби; d1 – внутрішній діаметр; d2 – середній діаметр (діаметр уявного циліндра, поверхня якого перетинає витки різьби по висоті так, що ширина витка дорівнює ширині впадини); Ρ – крок різьби (відстань між однойменними сторонами двох сусідніх витків, виміряна в напрямі осі гвинта); Η = 0.866Р – теоретична висота профілю витка різьби;
Трубна різьба використовується для герметичного з'єднання труб та арматури. Ця різьба має кут профілю витків α = 55°, вершини та впадини витків закруглені і відсутній зазор між вершинами та впадинами, що надає з'єднанню деталей високу щільність.
Трубна різьба має малий крок витків, оскільки нарізується на трубі з малою товщиною стінки. За номінальний діаметр трубної різьби беруть внутрішній діаметр труби. Зовнішній діаметр такої різьби в дійсності більший номінального на дві товщини стінки труби.
У міжнародному стандарті для трубної різьби зберігається дюймове вимірювання. Позначення трубної різьби в технічній документації таке: Трубн. 2" кл.2 – трубна різьба із номінальним діаметром 2 дюйми за другим класом точності.
Трубну різьбу можна нарізувати також на конічній поверхні для досягнення високої щільності з'єднання. Приклад позначення конічної трубної різьби – Κ 3/4*.
Нині замість трубних різьб часто застосовують метричні різьби з малим кроком витків.
Кругла різьба зручна для виготовлення накатуванням або витисканням на тонкостінних металевих та пластмасових деталях, а також відливанням на чавунних, скляних, пластмасових та інших виробах. Профіль витків круглої різьби утворюється спряженими дугами кіл, а кут профілю α = 30°.
Круглі різьби мають обмежене застосування, і в основному вони використовуються для деталей, що часто згвинчуються та відгвинчуються в умовах забруднення (пожежна арматура, вагонні стяжки, цоколі електроламп та ін.). Параметри круглої різьби регламентовані ГОСТ 6042–83.
Кріпильні різьбові деталі, їхні конструкції та матеріали
Для з'єднання деталей використовують болти (гвинти з гайками), гвинти або шпильки.
Використання болтів для з'єднання деталей не вимагає нарізування в цих деталях різьби. Це особливо важливо в тих випадках, коли матеріал деталі не може забезпечити достатню міцність різьби. Однак у з'єднанні болтом повинен бути передбачений простір для головки гвинта та гайки, а також має місце деяка незручність виконання складальних операцій, бо при загвинчуванні або відгвинчуванні гайки треба утримувати головку гвинта від прокручування. Болтове з'єднання дещо збільшує масу виробу і в деякій мірі спотворює його зовнішній вигляд.
Гвинти та шпильки треба використовувати в тих випадках, коли за конструкцією з'єднання застосування болтів неможливе або нераціональне. Гвинти та шпильки вимагають певної глибини загвинчування в одну із деталей з'єднання. Якщо при експлуатації з'єднання виникає потреба у багатократному з'єднуванні та роз'єднуванні деталей, то для запобігання можливому руйнуванню різьби деталі перевага надається з'єднанню шпилькою або болтовому з'єднанню.
У деяких випадках під гайку або головку гвинта ставлять плоску круглу шайбу. Постановка такої шайби зменшує пошкодження та зминання гайкою поверхні деталі (якщо деталь виготовлена з м'якого матеріалу – алюмінію, пластмаси, дерева) при загвинчуванні гайки чи гвинта. Плоскі круглі шайби використовують також у випадку збільшеного діаметра отвору під болт або гвинт або коли отвір не має круглої форми.
Геометричні форми та розміри гвинтів, гайок, шпильок дуже різноманітні і достатньо описані у відповідних довідниках та стандартах різьбових кріпильних деталей. Для виготовлення кріпильних різьбових деталей використовують сталі: вуглецеві звичайної якості, якісні конструкційні та леговані конструкційні.
Exercise 21 Read and translate the following text and make up the summary
Text A
UNIFIED INCH SCREW THREADS
The United Thread Standard originated by an accord of screw thread standardization committees of Canada, the United Kingdom, and the United States in 1984. The United Screw-Thread Standard was published by ANSI as American United and American Screw Thread Publication B1.1-1974, revised in 1982 and then again in 1989. Revisions did not tamper with the basic 1974 thread forms. In conjunction with Technical Committee No. 1 of the ISO, the United Standard was adopted as an ISO Inch Screw Standard (ISO 5864-1978). UN-united (no mandatory radiused root)
The basic American screw thread protle was standardized in 1974, and it now carries the UN designations (UN 5 united). ANSI publishes these standards and all subsequent revisions. At intervals these standards are published with a ‘‘reaformation date’’ (that is, R1988). In 1969 an international basic thread profile standard was established, and it is designated as M. The ISO publishes these standards with yearly updates. The UN and M profiles are the same, but UN screws are manufactured to inch dimensions while M screws are manufactured to metric dimensions. The metric system has only the two thread forms: M, standard for commercial uses, and MJ, standard for aerospace use and for aerospace-quality commercial use. Certain groups of diameter and pitch combinations have evolved over time to become those most used commercially. Such groups are called thread series. Currently there are 11 UN series for inch products and 13 M series for metric products.
The amounts of tolerance and allowance distinguish one thread class from another. Classes are designated by one of three numbers (1, 2, 3), and either letter A for external threads or letter B for internal threads. Tolerance decreases as class number increases. Allowance is specified only for classes 1A and 2A. Tolerances are based on engagement length equal to nominal diameter. 1A/1B—liberal tolerance and allowance required to permit easy assembly even with dirty or nicked threads. 2A/2B— most commonly used for general applications, including production of bolts, screws, nuts, and similar threaded fasteners. Permits external threads to be plated. 3A/3B-for closeness of fit and/or accuracy of thread applications where zero allowance is needed. 2AG-allowance for rapid assembly where high-temperature expansion prevails or where lubrication problems are important.
United screw threads are designated by a set of numbers and letter symbols signifying, in sequence, the nominal size, threads per inch, thread series, tolerance class, hand (only for left hand), and in some instances in parentheses a Thread Acceptability System Requirement of ANSI B1.3.
Static loading. Only slight increase in tensile strength in a screw fastener is realized with an increase in a root rounding radius, because minor diameter (hence cross-sectional area at the root) growth is small. Thus the basic tensile stress area formula is used in stress calculations for all thread forms. The designer should take into account such factors as stress concentration as applicable.
Dynamic loading. Few mechanical joints can remain absolutely free of some form of fluctuating stress, vibration, stress reversal, or impact. Metal-to-metal joints of very high-modulus materials or non-elastic-gasketed high-modulus joints plus preloading at assembly (preload to be greater than highest peak of the external fluctuating load) can realize absolute static conditions inside the screw fastener. For ordinary-modulus joints and no-elastic-gasketed joints, a fraction of the external fluctuating load will be transmitted to the interior of the screw fastener. Thus the fastener must be designed for fatigue according to a static plus fluctuating load model.
Since fatigue failures generally occur at locations of high stress concentration, screw fasteners are especially vulnerable because of the abrupt change between head and body, notch like conditions at the thread roots, surface scratches due to manufacturing, etc. The highest stress concentrations occur at the thread roots. The stress concentration factor can be very large for nonrounded roots, amounting to about 6 for sharp or flat roots, to less than 3 for UNJ and MJ threads which are generously rounded. This can effectively double the fatigue life. UNJ and MJ threads are especially
well suited for dynamic loading conditions.
Metric Tolerance Classes for Threads Tolerance classes are a selected combination of tolerance grades and tolerance positions applied to length-of-engagement groups. Tolerance grades are indicated as numbers for crest diameters of nut and bolt and for pitch diameters of nut and bolt. Tolerance is the acceptable variation permitted on any such diameter.
Tolerance positions are indicated as letters, and are allowances (fundamental deviations) as dictated by field usage or conditions. Capital letters are used for internal threads (nut) and lower case for external threads (bolt). There are three established groups of length of thread engagement, S (short), N (normal), and L (long), for various diameter-pitch combinations. Normal length of thread engagement is calculated from the formula N 5 4.5pd0.2, where p is pitch and d is the smallest nominal size within each of a series of groupings of nominal sizes.
In conformance with coating (or plating) requirements and demands of ease of assembly, the following tolerance positions have been established:
Bolt Nut
c Large allowance
g G Small allowance
h H No allowance
Text B