Расчет резьбового соединения.

Надежность резьбовых соединений определяется, прежде всего, их прочностью и стабильностью силы затяжки. Степень предварительной затяжки резьбового соединения определяется функциональным назначением узла (плотностью стыка, герметичностью и т. п.).

В затянутом резьбовом соединении внешняя сила  передается на болт (шпильку) частично, при этом полная нагрузка на болт:

,

где  - сила предварительной затяжки, Н;

 - коэффициент основной нагрузки (при расчете ответственных резьбовых соединений  рассчитывают по одному из известных способов);

 и  - коэффициенты податливости соответственно болта (шпильки) и стягиваемых деталей;

 - дополнительная сила, передаваемая на болт (шпильку), Н.

Минимальная сила затяжки должна удовлетворять условию плотности соединения (нераскрытия стыка):

,

где  - запас по плотности, обеспечивающий нераскрытие стыка при увеличении внешней нагрузки в  раз.

Значение  для постоянных нагрузок;  для переменных. По условиям герметичности  при мягких прокладках;  при плоских металлических прокладках.

Напряжение затяжки:

,

где -площадь сечения болта (шпильки) по внутреннему диаметру

Верхний предел напряжений затяжки принимают с учетом некоторого запаса прочности:

¾ для ответственных силовых соединений ;

¾ для силовых соединений и обычных крепежных деталей ,

где  - предел текучести материала болта (шпильки) (таблица 8).

Таблица 5 – Механические свойства болтов, винтов и шпилек из углеродистых и легированных сталей.

Класс  прочности	Предел текучести, , Н/мм2, не менее	Марка стали
3.6	196,12	Ст3кп3, Ст3сп, 10, 10кп
4.6	235,35	20
4.8	313,79	10, 10кп
5.6	294,18	30, 35
5.8	392,24	10, 10кп, 20, 20кп Ст3сп3, Ст3кп
6.6	353,01	35, 45, 40Г
6.8	470,68	20, 20кп
6.9	529,52	20, 20кп
8.8	627,58	35, 35Х, 38ХА, 45Г
10.9	882,54	40Г2, 40Х, 30ХГСА, 16ХСН
12.9	1059,05	35ХГС
14.9	1235,56	40ХНМА

В процессе эксплуатации узла предварительная затяжка резьбового соединения изменяется из-за температурных деформаций соединений, релаксации напряжений в стержне болта (шпильки) и соединяемых деталях, пластического обмятия контактирующих поверхностей. Поэтому влияние этих факторов следует учитывать при назначении силы предварительной затяжки.

Прикладываемый при затяжке к гайке (головке болта) вращающий момент  (момент на ключе) уравновешивается моментом  сил трения в резьбе и моментом  сил трения по торцу гайки (головки винта) и соприкасающейся с ней детали. При постоянстве коэффициентов трения  в резьбе и  по опорной поверхности гайки (головки винта) момент  пропорционален силе затяжки :

,

где  - средний диаметр резьбы, мм;

 - угол подъема винтовой линии, град;

,

где  - шаг резьбы;

 - угол трения в резьбе, град;

- приведенный коэффициент трения в резьбе;

 - угол профиля резьбы, град;

 - приведенный радиус действия сил трения на опорной поверхности гайки (головки винта);

 и  - наружный и внутренний диаметры опорной кольцевой поверхности соответственно (таблица 6).

 

 

Таблица 6 - Наружный и внутренний диаметры опорной кольцевой поверхности.

Резьба	, мм	, мм	Резьба	, мм	, мм
М6	10	6,6	М16	24	18
М8	13	9	М20	30	22
М10	17	11	М24	36	26
М12	19	14	М30	46	33

Коэффициенты трения  и в зависят от наличия и вида покрытия и смазочных материалов, состояния трущихся поверхностей, повторяемости сборки, скорости завинчивания и т.п. Согласно методики НИИТмаша (Волгоград) коэффициенты трения  и  определяются в зависимости от вида покрытий и смазочных материалов по таблице 10.

Таблица 7 - Коэффициенты трения в резьбовых соединениях при различных покрытиях и смазочных материалах.

Покрытие болтов и гаек	Коэффициент трения	Без смазочного материала	Машинное масло	Солидол, ГОСТ 4366-76	Машинное масло с добавкой 20% МoS2
Безпокрытия
Оксиди-ование
Цинко-ание
Фосфати-ование
Кадмиро-ание

Произведем расчет вращающегося момента (М_кл) для болта М8 по ГОСТ 15589-70.

.

,из формулы  выразим Р:

.

мм².

Верхний предел напряжений затяжки принимают с учетом некоторого запаса прочности:

Механические свойства болтов, винтов и шпилек из углеродистых и легированных сталей

- Класс прочности 5.8

     - Предел текучести, , Н/мм², не менее 392,24.

      - Марка стали 10, 10кп, 20, 20кп Ст3сп3, Ст3кп.

   ,

,

,

,

где  - шаг резьбы=1.

 - угол трения в резьбе, град;

- приведенный коэффициент трения в резьбе;

 - угол профиля резьбы, град;

.

Нм.