Інженерна механіка

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА

 

КОМП'ЮТЕРНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ НАВАНТАЖУВАЛЬНОЇ ЗДАТНОСТІ

БОЛТОВИХ З'ЄДНАНЬ

 

Мета роботи: Вивчення впливу конструкції болтових з'єднань, їхматеріалу на навантажувальну здатність.

 

1 Порядок виконання роботи

- визначити основні параметри болтового з’єднання, навести механічні характеристики матеріалу болта, записати умовне позначення по ГОСТ 7798-70;

- відповісти на контрольні запитання;

- зарахувати лабораторну роботу у викладача.

 

2 Завдання для самопідготовки

Під час самостійної підготовки до лабораторної роботи ознайомитись з областю застосування, класифікацією, умовами роботи, особливостями конструкції основних видів різьбових з’єднань, що призначені для кріплення і фіксації елементів машин і металевих конструкцій.

 

3 Основні теоретичні положення

З'єднання деталей за допомогою різьби є одним із найстарших і найбільш поширених видів рознімного з'єднання. Легко і просто забезпечує складання і розбирання. Різьбове з'єднання утворюють дві деталі. У однієї з них на зовнішній, а у іншої на внутрішній поверхні виконані розташовані по гвинтовій поверхні виступи – відповідно зовнішня і внутрішня різьба. По призначенню різьби розділяють на кріпильні, кріпильно-ущільнюючі і кінематичні (ходові).

Переваги різьбових з'єднань:

1) Можливість багатократного складання - розбирання;

2) При невеликій силі на ключі створюють значні сили затяжки;

3) Дозволяють проводити складання деталей при різному взаємному їх розташуванні;

4) Можливість регулювання положення деталей;

5) Високий ступінь стандартизації й уніфікації.

Недоліки:

1) Необхідні порівняно великі розміри фланців на деталях, що з'єднуються для розміщення гайок або головок гвинтів;

2) Висока концентрація напружень на різьбових ділянках;

3) Не рекомендується для центрування сполучень.

Застосування.  Різьбові деталі у виді гвинтів, болтів і шпильок із гайками застосовують для кріплення - з'єднання декількох деталей в одне ціле; роль гайки може виконувати корпусна деталь. Часто за допомогою різьб фіксують деталі передач, підшипники на валах.

Приклади з'єднань за допомогою різьбових деталей:

- з'єднання в одне ціле окремих секцій мостів, підйомних кранів;

- з'єднання кількох складальних одиниць (картера, блока циліндрів і головки блока в двигуні; колеса з піввіссю автомобіля);

- з'єднання деталей (кришки і основи корпусу редуктора; кришок підшипників із корпусом коробки передач);

- кріплення вузлів і деталей на основі (редуктора на плиті; плити до підлоги цеху; різця у супорті токарного верстата).

Крім з'єднань різьбові деталі застосовують:

- у передачах гвинт-гайка, які служать для перетворення обертального руху в поступальний і навпаки;

- для регулювання осьових зазорів у підшипниках кочення, регулювання конічного зубчастого і черв'ячного зачеплення та ін.

У різьбових з'єднаннях використовують звичайно однозаходну кріпильну трикутну різьбу: метричну і трубну.

На рисунку 1 приведені основні геометричні параметри метричної різьби - основної для кріпильних виробів:

По характеристиках статичної міцності різьбові деталі розділяють на класи міцності.

Для болтів, гвинтів і шпильок передбачені 11 класів міцності: від 3.6 до 12.9. Клас міцності позначають двома числами, розділеними крапкою. Перше число, помножене на 100, являє собою мінімальне значення тимчасового опору s_в(границі міцності) у МПа матеріалу різьбової деталі. Друге число, помножене на 10, – відношення (у відсотках) границі текучості s_т до тимчасового опору s_в.

Добуток першого і другого чисел, помножений на 10, дає мінімальне значення границі текучості s_т матеріалу в МПа.

Наприклад, для болта класу міцності 4.6 маємо:

s_в = 4´100 = 400 МПа,

s_т/s_в = 6´10 = 60%;

s_т = 4´6´10 = 240 МПа.

Для гайок передбачені 7 класів міцності, що позначаються одним числом: від 4 до 12. Це число вказує найбільший клас міцності болта, із котрим гайка може бути сполучена в з'єднанні.

Наприклад, гайка класу міцності 6 може бути застосована в з'єднанні з болтом класу міцності не вище 6.8.

Розглянемо умовне позначення болта відповідно до найбільш поширеного стандарту ГОСТ 7798-70:

Болт 2 М12´1,25.6g´60.10.9. 40Х. 026 ГОСТ 7798-70

2 - виконання болта;

М12 - різьба метрична, зовнішній діаметр 12 мм;

1,25 - крок різьби, (дрібний, крупний крок - не проставляється)

6g - поле допуску різьби;

60 - довжина стержня болта, мм;

10.9 - клас міцності болта;

 40Х - марка сталі (у разі потреби)

026 - вид і товщина покриття (02 - кадмування, 6 - товщина, мкм).

При проектуванні і розрахунках різьбових з’єднань, особливо для відповідальних конструкцій, дуже важливо знати ступінь завантаження деталей, який можна оцінити через контроль затягу з’єднання.

При контрольованому затягу значно зростає ефективність використання матеріалу, зменшуються маса і габарити конструкції, тощо.

На даному рівні розвитку техніки існує обмежений перелік методів контролю, це: а) застосування спеціальних каліброваних пружних шайб, б) вимірювання деформацій деталей з’єднання, в) вимірювання моменту закручування з’єднання.

Всі ці методи мають досить суттєві недоліки. Наприклад перший потребує великої номенклатури пружних елементів і може використовуватись у масовому виробництві відповідальних виробів. Другий метод (в основному вимірювання розтягу стержня болта) зустрічає великі труднощі суто технічного характеру, пов’язані з розміщенням вимірювальних пристроїв або апаратури в стиснених габаритах конструкції, що збирається. Метод контролю за допомогою динамометричних ключів, ключів граничного моменту, тощо потребує вельми високої стабільності коефіцієнта тертя між деталями з’єднання і деталями, що з’єднуються.

На даний момент контроль моменту закручування є найбільш поширеним, тому розглянемо його теоретичні основи.

Момент сил у різьбі можна визначити, розглядаючи гайку як повзун, що піднімається по витку різьби як по похилій площині з кутом b (рис. 2).

Як видно з формул, момент закручування знаходиться у прямій залежності від коефіцієнта тертя, як у різьбі, так і по торцю гайки, отже стабільність контролю затягу суттєво залежить від стабільності стану поверхонь деталей з’єднання і деталей, що з’єднуються.

 

4 Оснащення лабораторної роботи пристроями і приладами

- комп’ютер з програмним забезпеченням;

- натурні зразки деталей різьбових з’єднань;

- методичні вказівки по виконанню лабораторної роботи;

- ГОСТ 8724-81 Диаметры и шаги метрической цилиндрической резьбы общего назначения;

- ГОСТ 7798-70* Болты с шестигранной головкой;

- звіт з лабораторної роботи.

 

5Методика проведення лабораторної роботи

Болти в з'єднаннях можуть установлюватися із зазором (рис. 3) або без зазора.

Виконати креслення болтового з’єднання кільцевої форми стику. Вихідні дані:

Обертаючий момент                       T = 2500 Н·м

Число болтів                                     Z = 10

Коефіцієнт тертя                              f = 0,2

Діаметр кола осей болтів                D₀ = 300 мм

Внутрішній діаметр                         D₁ = 200 мм

Зовнішній діаметр                           D₂ =  340 мм

Допустимі напруження                   [σ]_р = 125 МПа.

Варіант 1. Болти  поставлені із зазором.

Визначити діаметр болтів, виконати перевірочний розрахунок за умовами міцності.

Виконати складальне креслення з’єднання, оформити специфікацію. Формат А3.

Відсутніми розмірами задатися самостійно, але товщина деталей, що з’єднуються не більш 0,25 D₂.

Варіант 2. Болти  поставлені без зазора.

При користуванні для розрахунку болтового з'єднання «Справочником конструктора» слід вибирати певний видрозрахункудля виконання умов міцності. Розрахунок ведеться для кільцевої форми стику.

У першому випадку в з'єднанні встановлений так званий«чорний» болт, стрижень якого формується в процесі прокатки й отже маєбільший допуск на діаметр, тому діаметр отвору в цьому випадку призначаютьбільше діаметра болта (рис. 4).

Нарізнез’єднання є попередньонапруженим. Оскільки зрушення смуг на величину зазора не допустимо, упроцесі складання до гайки буде прикладений момент загвинчування, урезультаті чого виникне сила Q, спрямована уздовж болта й розтягуюча болт.

Сила затяжки болта, поставленого в отвір із зазором:

або при невеликій порівняно з D₀ ширині кільцевої поверхні стику

де М_об – обертаючий момент, Н·мм;

    z – число болтів;

    f – коефіцієнт тертя.

Удругому випадку «чистий» болт, стрижень якого обробляється різанням. Болт, поставлений без зазора, працює на деформацію зрізу і на зминання по діаметру точеного стержня. Момент тертя, що викликаний затяжкою, в розрахунок не приймають або приймають тільки 25-35% його величини (рис. 5).

Поперечне навантаження, що припадає на кожний болт,

Менша із двох отриманих значень величина Q буде визначати навантажувальну здатність з'єднання.

За отриманими розмірами внутрішнього діаметра різьби болта вибираються болти за ГОСТ 7808-70. Креслення виконуються за допомогою програми КОМПАС.

Стандартні кріпильні вироби беруть з бібліотеки «Приложения → Стандартные изделия → Вставить элемент» (рис. 6).

6 Вимоги безпеки

Під час проведення роботи додержуватись правил загальної інструкції з охорони праці, наведених у розділі „Загальні вимоги безпеки“.

 

7 Контрольні питання

1 Перерахуйте основні методи контролю затягування різьбових з’єднань.

2 Перерахуйте основні способи стопоріння різьбових з’єднань.

3 Для якого із з’єднань М18, М18´1.5, М18´1.25 при однаковому осьовому зусиллі розрахунковий обертаючий момент на ключі буде мати більше значення?

4 Для якого з болтів М24 чи М24´1.5 розрахункове допустиме зусилля затягування буде мати менше значення?

5 Для якого профілю різьби трикутного чи трапецеїдального, при рівних інших умовах, обертаючий момент на ключі при закручуванні буде мати більше значення?

 

8 Тестові завдання

1 Який параметр різьби позначається символом d?

- зовнішній діаметр;              - внутрішній діаметр;

- середній діаметр;                  - діаметр западин,     

 

2 Який кут профілю має метрична різьба?

- 60°;                - 55°;              - 50°;              - 45°.

 

3Що позначає число „40“ у позначенні болта М10×40.58.029 ГОСТ 7798-70?

- довжину стержня болта;                - довжину різьби болта;

- загальну довжину болта;               - висоту головки болта.

 

4 Для якої з перерахованих різьб найбільш доцільне застосування в гвинтовому домкраті?

- упорної;        - трикутної; 

- круглої;         - будь-якої.

 

5 До яких з’єднань відносять різьбові з’єднання?       

- роз’ємних;                            - нероз’ємних;

- роз’ємно-рухливих;            - шарнірних.

 

6 Який спосіб частіше всього використовують у масовому виробництві для створення потрібної сили попереднього затягування в болтовому з’єднанні?

- закручування гайок динамометричними ключами;

- нагрів болта (охолодження деталей, які з’єднуються) при закручуванні гайок;

- застосування пружинних шайб;

- застосування притискних планок.

 

7 Яка різьба прийнята за основну?

- з крупним кроком;              - з дрібним кроком;

- незалежно від кроку;          - трубна.

 

8 Який крок різьби вказується в умовному позначенні різьби?

- дрібний;                    - крупний;   

- нестандартний;        - будь-який.

 

9 З якою метою під гайку ставлять пружинну шайбу?

- для запобігання з'єднання від самовідгвинчування;

- для зменшення зминання деталей гайкою;

- для збільшення осьової сили в різьбовому з'єднанні;

- для ущільнення різьбового з’єднання.

 

10 Що позначає цифра „2“ у позначенні болта: Болт 2М10×40 ГОСТ 7808-70?

- виконання болта;                - кількість болтів;

- число заходів різьби;          - крок різьби.