Форма и материал гайки. Шестигранные стальные гайки.

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 1,7…1,8 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 (угол профиля 55°) 3/4″. Результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Значения σ_aп МПа (%) для различных резьбовых соединений

Резьбовое соединение	σап при σm, МПа		Примечание
	20	0
	40(100)	28,5(100)	L1=d=H; φ=0
	-	40(140)	dc=0.85d1
	48(120)	34(119)	φ=10°
	56(140)	55(193)	H=d; гайка чугунная
	48,5(121)	55(193)	H=d; гайка с льняным уплотнителем
	40(100)	28,5(100)	-
	77,5(194)	65(228)	b=40 мм
	42(105)	-	h=5 мм
	52(103)	35(123)	h=10 мм
	44(110)	-	h=5.7 мм
	4091000	-	φ=10°;h=5.7 мм

Гайки с кольцевой выточкой (поднутрением)

Как и следовало ожидать, наибольшим сопротивлением усталости характеризуются соединения с гайкой растяжения, наименьшим — со стандартной гайкой. При использовании гаек с кольцевой выточкой (поднутрением) значение σ_ап увеличивается на 30%. Размеры гаек с поднутрением к табл. 1 приведены на рис. 1.

Гайки растяжения и сжато-растянутые гайки

Прочность соединений при переменных нагрузках повышают только гайки, обеспечивающие более равномерное распределение нагрузки (гайки растяжения и сжато-растянутые гайки). На рис. 2. показаны соединения с такими гайками, применяемые фирмой «Роллс-ройс моторс» (Великобритания) в авиационных двигателях. При использовании сжато-растянутых гаек предел выносливости, по данным И. А. Биргера, повышается на 25…30%, по данным Штаудте — на 40 %. 

 

Гайки с вогнутой опорной поверхностью

Р. Хейвудом исследована гайка с вогнутой опорной поверхностью (рис. 3). 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 α = 90° до 25,4 -10⁵ циклов (долговечность соединений с обычной гайкой составляет 10⁵ циклов). 

Гайка с контргайкой

Обращенное распределение нагрузки можно получить при использовании контргайки, затягиваемой с большим моментом.

Кросс и Норрис установили, что предел выносливости соединений с болтами 3/4" из стали (σ_в = 920 МПа), затянутых гайкой и контргайкой с моментом 345 Н⋅м, повышается на 50% по сравнению с обычными соединениями.

Гайки со спиральными вставками

Существенно повысить сопротивление усталости соединений можно и в случае применения гаек со спиральными вставками. Экспериментально (табл.2) установлено, что на предел выносливости большое влияние оказывает характер распределения нагрузки между витками. Так как обычным соединениям свойственны менее благоприятное распределение нагрузки по сравнению с соединениями со спиральными вставками  и, как следствие, большая нагрузка на первый рабочий виток (на 40…50 %) для дуралюминовой и на 70…75 % для стальной гайки), предел выносливости соединений со вставками значительно выше, чем обычных.

Таблица 2

Значение σ_ап для соединений с гайками из дуралюмина Д1Т (σ_в = 400 МПа)

Резьба шпильки	Соединение	σап, МПа при длине свинчивания
		1	2
M6	Обычное	110(90)	-
	Со вставкой	165(155)	-
M10	Обычное	65(50)	65(50)
	Со вставкой	95(85)	110(100)

Примечания. 1. В скобках даны значения для соединений с гайками из стали 45 (σ_в= 950 МПа).
2. Материал шпилек — сталь 38ХА (σ_в = 1160 МПа); форма впадины — плоскосрезанная.

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

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 (Е = 70 ГПа) взамен стальных (Е = 200 ГПа) нагрузка на первый виток снижается
на 25 ... 30 %. Результаты экспериментов также свидетельствуют о повышении значения σ_ап стальных болтов с гайками из дуралюмина (см. табл. 2). 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.

Таблица 3

Значения σ_ап для соединений с гайками из различных материалов

Резьба	Материал болта	материал гайки (корпуса)	σm,МПа	σап,МПа
3/4"	Углеродистая сталь(σв=400МПа)	Сталь Чугун	200< 200	40 50
M22X1.5	Хромомолибденовая сталь(σв=800МПа)	Сталь Дуралюмин	200 200	75 90
13/4"	То же (σв=1140МПа)	Сталь Магниевый сплав	130 170	100 140
M20X2.5	Углеродистая сталь (σв=5 60МПа)	Сталь Магниевый сплав	95 135	65 94
		Сиаль Магниевый сплав	105 135	75 105
M40X2.5		Сталь Магниевый сплав	75 100	45 70
M72X6		Сталь Магниевый сплав	60 100	30 60

Повышение σ_ап соединений в случае применения чугунных гаек и гаек с льняным уплотнением получено Г. Вигандом (см.табл. 1). В табл.3. 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 магниевой вставке (Е = 40 ГПа) приблизительно в 2 раза меньше, чем в стальной гайке, что соответствует опытным данным.N

Таблица 4

Разрушающая нагрузка Fp для соединений с гайками из различных материалов

Высота гайки, мм	Значение Ер, кH, для соединений с гайками
	из Д16Т	из ВТ9	из стали 45
4,5	26,15	44,30	44,10
8,0	44,80	55,50*	55,50*

* обрыв шпильки по резьбовой части вне гайки.

Зависимость предела выносливости крепежного соединения от модуля упругости материала гайки

Влияние материала гайки исследовалось также И. А. Биргером и Г. Б. Иосилевичем. Испытывались соединения шпилек нарезанной резьбой М10 (форма впадины — плоскосрезанная) с гайками из сплавов Д16Т, ВТ9 и стали 45. Средние значения разрушающей нагрузки (по результатам пяти испытаний) приведены в табл. 4. На рис. 4. показана зависимость предела выносливости соединения от отношения модуля упругости материала гайки испытуемого соединения к модулю упругости стали (Е_с = 210 ГПа). Как видно,применение в резьбовых соединениях гаек из титановых сплавов (Е/Е_с = 0,55) и алюминиевого сплава Д16Т {Е/Е_с = 0,35) вместо стальных позволяет повысить предел выносливости соединений соответственно на 27 и 45 %.

Прочность (на срез витков) соединений стальных шпилек М10 с гайками из титанового сплава ВТ9 не ниже прочности соединений со стальными гайками, поэтому применение гаек из прочных титановых сплавов взамен стальных позволяет наряду с некоторым снижением массы конструкции заметно повысить несущую способность резьбовых соединений.

Таблица 5

Значения σ_ап для соединений  в зависимости от предела прочности  материала гайки

Резьба	σв,б, МПа	σв,г, МПа	σm, МПа	σап, МПа
M12×1.5	1370	950 1100	126 116	94 84
M16×1.5	1320	650 1050	126 106	94 74
3/4"–10	990	580 1040	182 177	104 100

Результаты экспериментальных исследований влияния материала гайки на предел выносливости приведены в работе Бенеша. 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 σ_ап на 15…20 % (табл. 5). Подобный эффект описан выше при рассмотрении предела прочности соединений.

Заключение

При проектировании крепежа следует учитывать принципы снижения концентрации напряжений на основе варьирования геометрии конструкции и материала гайки. Применение приведённых выше результатов исследований на практике позволяет снизить материалоёмкость при производстве крепежа и повысить надёжность крепежа при эксплуатации.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.