Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2527

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
09.04.2015
Размер:
478.91 Кб
Скачать

2527

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Самарский государственный университет путей сообщения

Кафедра механики

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗУБЧАТОГО РЕДУКТОРА

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Детали машин и основы конструирования»

для студентов специальностей 190205 – подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование, 190301 – локомотивы, 190302 – вагоны, 190303 – Электрический транспорт железных дорог

очной и заочной форм обучения

Составители: В.В. Янковский А.В. Алексеев М.С. Жарков А.А. Толстоногов

Самара

2010

1

УДК 621.81.001.63

Исследование трения в резьбовых соединениях : методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» для студентов специальностей 190205, 190301, 190302, 190303 очной и заочной форм обучения / составители : В.В. Янковский, А.В. Алексеев, М.С. Жарков, А.А. Толстоногов. – Самара : СамГУПС, 2010. – 18 с.

Утверждены на заседании кафедры 08.02.2010 г., протокол № 6. Печатаются по решению редакционно-издательского совета СамГУПС.

Приведены сведения о классификации резьб, конструкции деталей резьбового соединения, а также методика расчета и экспериментального определения коэффициента полезного действия резьбового соединения. Изложен порядок выполнения лабораторной работы, вопросы для проверки теоретических знаний по теме работы, приведена форма протокола лабораторной работы. Предназначены для студентов очной и заочной форм обучения механических и электромеханических специальностей, изучающих курс «Детали машин и основы проектирования».

Составители: В.В. Янковский А.В. Алексеев М.С. Жарков А.А. Толстоногов

Рецензенты: к.т.н., доцент кафедры «Механика» СамГУПС Н.В. Назарова; д.т.н., профессор, зав. кафедрой СДМиТМ СамГУПС В.Н. Самохвалов

Редактор И.М. Егорова Компьютерная верстка Е.А. Ковалева

Подписано в печать 15.04.2010. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 200 экз. Заказ № 62.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2010

2

Общие сведения о резьбовых соединениях

Резьбовыми называют разъемные соединения, основные детали которых имеют наружную либо внутреннюю винтовую нарезку (резьбу).

Резьбовые соединения различают по назначению:

-крепежные – для фиксации деталей;

-ходовые – для винтовых механизмов.

По форме профиля боковой поверхности различают крепежные резьбы

(рис.1):

-треугольная (метрическая основная или дюймовая),

-трубная – треугольная со скругленными вершинами и впадинами,

-круглая,

-резьба винтов для дерева (саморезы и шурупы).

ТРЕУГОЛЬНАЯ ОСНОВНАЯ

ТРУБНАЯ

КРУГЛАЯ

ДЛЯ ДЕРЕВА

Рис.1. Резьбы крепежные

По форме профиля боковой поверхности резьбы различают ходовые резьбы :

-прямоугольные (рис. 2, а),

-трапецеидальные симметричные (рис. 2, б),

-трапецеидальные несимметричные (упорные) (рис. 2, в).

Рис.2. Резьбы ходовые

3

Крепежное резьбовое соединение осуществляется с помощью специальных деталей: болтов с гайками, винтов или шпилек, а также с помощью резьбы, нарезанной непосредственно на соединяемых деталях.

Болт – длинный цилиндр с головкой и наружной резьбой (рис. 3, а). Болт вставляется в сквозные гладкие отверстия в соединяемых деталях. На резьбовую часть наворачивается гайка– деталь с резьбовым отверстием.

Винт (рис. 3, б) – внешне не отличается от болта, но он вставляется в гладкое отверстие одной из соединяемых деталей и ввинчивается в резьбу второй из соединяемых деталей.

Шпилька – цилиндр с резьбой на обоих концах (рис. 3, в). Она ввинчивается в одну из соединяемых деталей, вторая деталь гладким отверстием одевается на шпильку, на резьбовой конец шпильки наворачивается гайка.

Рис.3. Детали резьбовых соединений

Косновным параметрам резьбы следует отнести:

наружный d, внутренний d1 и средний d2 диаметры охватываемой детали (винта) и соответственно наружный D1, средний D2 и внутренний D диаметры охватывающей детали (гайки);

угол профиля резьбы α – угол между боковыми сторонами резьбы в осевом сечении;

шаг резьбы P – расстояние по линии, параллельной оси резьбы, между средними точками ближайших одноименных боковых сторон профиля резьбы, лежащих в одной осевой плоскости;

ход винта Рh=p n, где n – число заходов резьбы;

угол подъема винтовой линии резьбы γ – угол, образованной касательной к винтовой линии, описываемой средней точкой боковой стороны резьбы и плоскостью, перпендикулярной оси резьбы: tgγ = Ph ⁄π d2,( для однозаходной резьбы tgγ = P ⁄π d2).

Среди резьб, применяемых в машиностроении, наиболее распространены:

4

а) метрическая (треугольная) резьба с крупным и мелким шагом (угол профиля α = 600);

б) упорная резьба; в) трубная (шаг определяется по числу ниток на один дюйм, угол профиля

α = 550);

г) трапецеидальная с углом профиля α = 300 (применяется для ходовых винтов и домкратов).

Размеры резьбовых деталей стандартизованы. В их обозначении указан наружный диаметр резьбы.

Резьбовые соединения имеют ряд существенных достоинств:

-высокая надежность;

-удобство сборки–разборки;

-простота конструкции;

-дешевизна (вследствие стандартизации);

-технологичность;

-возможность регулировки силы сжатия соединяемых деталей.

Недостатки резьбовых соединений:

концентрация напряжений во впадинах резьбы;

низкая вибростойкость (самоотвинчивание при вибрации).

Это серьезные недостатки, однако, их можно свести к минимуму и, практически, полностью исключить.

Это делается посредством правильного проектировочного расчета и специальных мер стопорения, называемых на техническом языке «контровка».

Известны следующие виды стопорения:

1) Стопорение дополнительным трением, за счет создания дополнительных сил трения, сохраняющихся при снятии с винта внешней нагрузки (таблица 1).

Таблица 1

Виды стопорения дополнительным креплением

а)

Контргайка воспринимает основную осевую нагрузку, а

сила трения и затяжки в резьбе основной гайки ослабляется. Необходима взаимная затяжка гаек

б)

Самоконтрящиеся гайки с радиальным натягом резьбы после нарезания резьбы и пластического обжатия специальной шейки гайки на эллипс

5

в)

г)

д)

е)

ж)

з)

Продолжение таблицы 1

Иногда самоконтрящиеся гайки выполняются с несколькими радиальными прорезями

Гайки с полиамидными кольцами без резьбы, которая нарезается винтом при завинчивании, обеспечивают большие силы трения. Применяют полиамидную пробку в винте

Контргайка цангового типа (слева) при навинчивании обжимается на конической поверхности.

Контргайка арочного типа (справа) при навинчивании разгибается и расклинивает резьбу

Пружинные шайбы обеспечивают трение в резьбе. Повышают сцепление врезанием своих острых срезов.

Изготавливаются для правой и левой резьбы. Создают некоторое смещение нагрузки

У пружинных шайб с несколькими отогнутыми усиками

сила упругости направлена строго по оси болта. Стопорение пружинными шайбами ненадежно

При спокойных нагрузках резьбы стопорят специальными винтами через медную или свинцовую прокладку или деформированием гайки с прорезями, перпендикулярными оси

2) Стопорение специальными запирающими элементами, полностью исключающими самопроизвольный проворот гайки (таблица 2).

6

а)

б)

в)

г)

Таблица 2

Стопорение специальными элементами

Шплинты ГОСТ 397-79 сгибают из проволоки полукруглого сечения плоскими сторонами внутрь. Выпадению шплинта препятствуют его петля и разогнутые концы

Шайбы с лапками ГОСТ 11872-80 стопорят гайки со шлицами при регулировке подшипников качения на валу. Внутренний носик отгибается в канавку винта, а наружные лапки – в шлицы гайки

У шайб с лапками ГОСТ 3693/95-52 одна отгибается по

грани гайки, а другая по грани детали. Стопорение этими шайбами, как и шплинтами, весьма надежно и широко распространено

В групповых соединениях головки болтов обвязывают проволокой через отверстия с натяжением в сторону затяжки резьбы

3) Стопорение, выполняемое пластическим деформированием или приваркой после затяжки.

Резьбу на винтах нарезают или накатывают. Накатывание обеспечивает более высокую прочность вследствие упрочнения поверхностного слоя, но требует применения специального оборудования. При нарезании резьбы могут возникнуть микротрещины, которые способствуют возникновению усталостных трещин и разрушению соединений, но этот способ получения резьбы более доступен и получил самое широкое распространение.

Для крупной резьбы применяют комбинированный способ, при котором сначала резьбу нарезают, а затем упрочняют накаткой.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ВИНТОВОЙ ПАРЕ

1. Основное силовое соотношение в винтовой паре

Простой и наглядный способ представления силового взаимодействия в винтовой паре состоит в приведении пространственной системы сил, распределенных по винтовым поверхностям резьбы, к плоской системе сил. В этом случае относительное движение гайки рассматривается как перемещение ползуна по винтовой поверхности резьбы под действием внешних сил: движущей окружной Ft и осевой F (рис. 4, а).

7

Развернув прямоугольную резьбу по среднему диаметру d2, получим плоскую систему сил, действующих на ползун при его равномерном подъеме по наклонной плоскости (рис. 4, б), что соответствует завинчиванию гайки, и при опускании (рис. 4, в), что соответствует отвинчиванию гайки.

Сила R как равнодействующая сил реакции наклонной плоскости – нормальной силы N и силы трения Fтр , наклонена к нормали к наклонной плоскости под углом трения ρ.

Сила Fn – равнодействующая внешних сил Ft и F. Учитывая, что условие равновесия системы сил, действующих на ползун, можно записать как

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

FТР + Ft + F = 0

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0 ,

R

 

 

+ F n

то направление силы Fn противоположно направлению R.

Из векторных треугольников на приведенных рисунках определяется основное соотношение между силами Ft и F в винтовой паре для завинчивания

Ft = F tg(γ+ρ),

а для отвинчивания

Ft = F tg(ρ−γ),

где γ – угол подъема резьбы.

Рис.4. Схема силового взаимодействия в винтовой паре

8

Заметим, что для треугольной резьбы следует учитывать увеличение силы трения в резьбе из-за формы профиля резьбы (эффект клинчатого ползуна). Для этого сравним величину силы трения в прямоугольной и треугольной резьбе при осевой силе F. Принимаем для удобства угол подъема резьбы равным нулю.

В прямоугольной резьбе

Fтр = N f = F f,

где f – коэффициент трения пары «винт–гайка»; в треугольной резьбе с углом профиля α

Fтр = N f = F f cos(α 2) = F f',

откуда f' = f cos(α 2) – приведенный коэффициент трения или коэффициент трения в резьбе.

Следовательно, в треугольной резьбе силы R и Fn отклонены от нормали nn на угол ρ' = аrctg f', называемый приведенным углом трения или углом трения в резьбе.

Таким образом, основное силовое соотношение в винтовой паре с треугольной или трапецеидальной резьбой имеет вид для завинчивания и отвинчивания соответственно

Ft = F tg(γ+ρ')

и

Ft = F tg'−γ) .

Учитывая малость углов трения, их соотношение ρ' ρ ⁄ cos(α⁄ 2).

Для стандартной метрической резьбы α = 600, а следовательно f ' = 1,15 f и

ρ' 1,15 ρ .

2. Моменты завинчивания и отвинчивания

Момент завинчивания Tзав гайки (рис. 5) или винта при развиваемой осевой нагрузке F можно представить

Тзав = Тр + Тт ,

где Тр - момент сил в резьбе; Тт – момент трения на торце гайки или головки винта.

Момент в резьбе Тр = 0,5 Ft d2 или

Тp = 0,5 F d2 tg(γ+ρ').

Момент трения на торце гайки или головки винта

Тт = F f dср 2 = F f (D1+d0) 4,

где dср 2 = (D1+d0) ⁄ 4 = rпр- приведенный радиус опорной торцевой поверхности; D1 – наружный диаметр опорного торца;

d0 – диаметр отверстия под винт.

9

Рис. 5. Момент завинчивания

Подставив полученные выражения Тp и Тт, получим формулу для определения момента завинчивания

Тзав = 0,5 F d2 [ tg(γ+ρ') + f (D1+d0) / 2d2].

Момент отвинчивания гайки или винта получается аналогично моменту завинчивания.

Тотв = 0,5 F d2 [ tg'-γ) + f (D1+d0) / 2d2]

3. Условие самоторможения

Условие самоторможения в болтовом (или винтовом) соединении, при котором приложение статической осевой нагрузки не вызывает самоотвинчивания гайки, выражается неравенством Тотв>0.

Принимая f = 0, получим условие самоторможения только в резьбе без учета трения на торце гайки

tg(ρ'γ) > 0 или γ < ρ'.

Для стандартных крепежных резьб угол подъема γ лежит в пределах 2030'3030', а угол трения в резьбе ρ обычно в пределах 60160 в зависимости от используемых материалов, состояния поверхностей резьбы, наличия на них покрытий, пленок и других трибологических условий, определяющих величину коэффициента трения в резьбе.

Следует иметь в виду, что условия самоторможения в крепежных резьбах выполняются с запасом только в условиях действия статических нагрузок. Переменные нагрузки, особенно вследствие вибраций, приводят к микросмещениям поверхностей трения, что может вызывать резкое снижение коэффициента трения в резьбе и как следствие самоотвинчивание резьбового соединения.

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]