Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиКрепежГайкиПрименение → Форма и материал гайки. Шестигранные стальные гайки.

Форма и материал гайки. Шестигранные стальные гайки.

Гайка с кольцевой выточкой

Гайка с кольцевой выточкой

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.

Дата публикации: 21 апреля 2011

Автор: Дроздов М.В., ООО «Инженерный Союз»

Разместите статью о трубопроводах в данном каталоге
Ваша информация на каталоге технических статей

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 σaп 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)

Гайки с кольцевой выточкой

Рис. 1. Гайки с кольцевой выточкой

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

Гайки растяжения и сжато-растянутые гайки

Соединение с улулчшенным распределением нагрузки между витками

Рис. 2. Соединение с улучшенным распределением нагрузки между
витками

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

Гайка с вогнутой опорной поверхностью

Рис. 3. Гайка 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 (σв = 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 σап для соединений с гайками из дуралюмина Д1Т (σв = 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 (σв= 950 МПа).
2. Материал шпилек — сталь 38ХА (σв = 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 σап 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 σап 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 σап 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

Зависимость предела выносливости соединения от сооьношения Е/Ес

Рис. 4. Зависимость предела выносливости соединения от соотношения Е/Ес

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 (Ес = 210 ГПа). Как видно,применение в резьбовых соединениях гаек из титановых сплавов (Е/Ес = 0,55) и алюминиевого сплава Д16Т {Е/Ес = 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 σап 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 σап 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.

Список литературы

  1. Якушев А. И., Мустаев Р. Х., Мавлютов Р. Р. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений.. – М. : Машиностроение, 1979. – 214 c.
  2. Якушев А. И. Влияние технологии изготовления и основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений.. – М. : Оборонгиз, 1956.

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

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100