УДК – 534.933
СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ УСИЛИЙ ПО ВИТКАМ РЕЗЬБЫ, ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СТЕРЖНЯ И САМОТОРМОЖЕНИЯ ГАЙКИ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ
, Курушин С. А.,
Cамарский аэрокосмический университет, г. Самара
При нагружении резьбового соединения гайка не только сжимается, но одновременно растягивается в окружном направлении и скручивается в осевой плоскости как кольцо. Эффект скручивания можно использовать с помощью конусной или ступенчатой шайбы для выравнивания усилий по виткам резьбы, повышения прочности резьбового участка стержня и увеличения момента сопротивления самоотвинчиванию гайки при вибрациях. При самом простом варианте исполнения шайбы прочность резьбового стержня можно увеличить на 20 процента, а момент торможения почти в полтора раза.
Как известно, усилия по виткам резьбы распределяются неравномерно. Почти половину нагрузки воспринимает первый виток. Это объясняется влиянием разного характера деформаций резьбового стержня и тела гайки - резьбовая часть стержня растягивается и шаги на нем увеличивается, а тело гайки сжимается и шаги в ней уменьшаются. Это и приводит к неравномерному распределению усилий по виткам резьбы. Но одновременно с этим происходит также еще не мене значимое скручивание в радиальной плоскости тела гайки как кольца. Это скручивание гайки значительно влияет на характер распределения усилий по виткам резьбы. На рис. 1 показан характер действия равнодействующих усилий в радиальном сечении на тело гайки. При постановки плоской шайбы под гайку контактные напряжения по виткам резьбы создают скручивающий момент на тело гайки как кольца в сторону уменьшения усилий на первый виток резьбы. Напряжения же между гайкой и шайбой распределяются так, что равнодействующая этих давлений деформирует (скручивает) тело гайки, наоборот, так, что усилия на первый виток резьбы увеличиваются. Применяя конусную или ступенчатую шайбу можно создать скручивающий момент на тело гайки в ту же сторону, что и от усилий по виткам резьбы – рис. 1, и, тем самым выровнить усилия по всем виткам, уменьшить усилия на первый виток и таким образом увеличить прочность резьбового соединения. При этом, что также не маловажно, увеличивается момент самоторможения гайки, так как радиус приложения равнодействующих сил давления в контакте гайки с опорной поверхностью шайбы увеличивается.
Ниже приведены результаты исследования стандартного резьбового соединения М10 методом конечных элементов по программному комплексу ANSYS. Материал деталей – сталь. Расчетное напряжение в стержне болта принято - 30 кг/мм2.
На рис. 2 и 3 приведены результаты расчета эквивалентных напряжений (по Мизесу) по образующей впадин витков стержня соответственно для случаев постановки плоской и конусной шайб. Для случая постановки плоской шайбы максимальные эквивалентные напряжения во впадине первого витка – 63,8 кг/мм2 , а для случая постановки конусной шайбы – 51,9 кг/мм2. Таким образом, конусная шайба увеличила прочность стержня резьбового соединения в 1,23 раза по сравнению с плоской шайбой, момент сопротивления самоотвинчиванию также увеличился процентов на тридцать.
На графике рис. 4 представлены результаты расчетов максимальных эквивалентных напряжений 
(по Мизесу) в резьбе и на торце шайбы для рассматриваемого варианта резьбового соединения при различных значениях конусности шайбы. Знак “+”. это когда толщина шайбы по наружному диаметру больше чем по внутреннему, а знак “–“, наоборот, когда толщина шайба по внутреннему диаметру больше чем по наружному диаметру. Видно, что при конусности шайбы соответствующей разности толщин шайбы по наружному и внутреннему диаметрам больше чем +50 микрометров значения максимальных эквивалентных напряжений как в резьбе, так и в шайбе достигает минимума и далее практически не меняются при увеличении разности толщин шайба, то есть ее конусности. Это очень важно с точки зрения соблюдения практической точности исполнения самой конусности шайбы. Разброс напряжений в резьбе в зависимости от точности исполнения шайбы в данном варианте резьбового соединения может быть: в резьбе в 1,7 раза, а в шайбе в 7,7 раза. Любопытно, что для того чтобы шайба была минимально напряжена, она должна иметь конусность +15 микрон, а для того чтобы резьбовая часть стержня была минимально напряжена, конусность шайбы должна быть +50 микрон и более.
.
