Форма та матеріал гайки
Гайка з кільцевою виточкою
При проектуванні кріплення слід враховувати принципи зниження концентрації напруги на основі варіювання геометрії конструкції та матеріалу гайки. Застосування наведених вище результатів досліджень практично дозволяє знизити матеріаломісткість під час виробництва кріплення і підвищити надійність кріплення під час експлуатації.
Автор: Дроздов М.В., ТОВ «Інженерний Союз»
Форма гайки
Конструкціягайки дуже впливає на розподіл навантаження між витками і, як наслідок на довговічність з'єднань. Наприклад, дія навантаження на нижній виток гайки розтягування, в 1,7 ... 1,8 рази менше, ніж для звичайної гайки, призводить до суттєвого підвищення межі витривалості.
Дослідження впливу форми гайки виконано Р. Вігандом. У його дослідах зразки мали різьблення Витворта (кут профілю 55°) 3/4”. Результати наведено у табл. 1.
Гайки з кільцевою виточкою (підсерединою)
Мал. 1. Гайки з кільцевою виточкою
Як і слід очікувати, найбільшим опором втоми характеризуються з'єднання з гайкою розтягування, найменшим - зі стандартною гайкою. При використанні гайок з кільцевою виточкою (піднутріння) значення σап збільшується на 30%. Розміри гайок із піднутренням до табл. 1 наведено на рис. 1.
Гайки розтягування та стисло-розтягнуті гайки
Мал. 2. З'єднання з покращеним розподілом навантаження між витками
Міцність з'єднань при змінних навантаженнях підвищують лише гайки, що забезпечують більш рівномірний розподіл навантаження (гайки розтягування та стисло-розтягнуті гайки). На рис. 2. показані з'єднання з такими гайками, що використовуються фірмою"Роллс-Ройс Моторс" (Великобританія) в авіаційних двигунах. При використанні стисло-розтягнутих гайок межа витривалості, за даними І. А. Біргера, підвищується на 25-30%, за даними Штаудте - на 40%.
Гайки з увігнутою опорною поверхнею
Мал. 3. Гайка з увігнутою опорною поверхнею
Р. Хейвудом досліджено гайку з увігнутою опорною поверхнею (рис. 3). Під дією радіальних складових навантаження на цю поверхню, нахилену під кутом 30 °, гайка розширюється (поблизу опори). Це сприяє рівномірному розподілу навантаження і підвищує довговічність з'єднань з кутом профілю α = 90° до 25,4 -10 5 циклів (довговічність з'єднань зі звичайною гайкою становить 10 5 циклів).
Гайка з контргайкою
Обернений розподіл навантаження можна отримати при використанні контргайки, що затягується з великим моментом.
Крос і Норріс встановили, що межа витривалості з'єднань з болтами 3/4" зі сталі (σв = 920 МПа), затягнутих гайкою та контргайкою з моментом 345 Н⋅м, підвищується на 50% порівняно зі звичайними з'єднаннями.
Гайки зі спіральними вставками
Істотно підвищити опір втоми з'єднань можна і у разі застосування гайок зі спіральними вставками. Експериментально (табл.2) встановлено, що на межу витривалості великий вплив має характер розподілу навантаження між витками. Оскільки звичайним сполукам властиві менш сприятливий розподіл навантаження порівняно зі сполуками зі спіральними вставками і, як наслідок, велике навантаження на перший робочий виток (на 40...50%) для дуралюмінової та на 70...75% для сталевої гайки), межа витривалості з'єднань із вставками значно вище, ніж звичайних.
Примітки. 1. У дужках дано значення для з'єднань з гайкамиіз сталі 45 (σв= 950 МПа). 2. Матеріал шпильок - сталь 38ХА (σв = 1160 МПа); форма западини - плоскозрізана.
Оскільки підвищення навантаження на перший робочий виток пропорційно зниженню межі витривалості, втому різьбових з'єднань можна оцінювати, виходячи з характеру розподілу навантаження між витками.
Матеріал гайки
Теоретично та експериментально встановлено, що застосування гайок з матеріалу з невеликим модулем пружності призводить до більш рівномірного розподілу навантаження між витками та підвищення межі витривалості з'єднань.
Наприклад, при використанні дуралюмінових гайок (Е = 70 ГПа) замість сталевих (Е = 200 ГПа) навантаження на перший виток знижується на 25 . 30%. Результати експериментів також свідчать про підвищення значення σапсталевих болтів з гайками з дуралюміну (див. табл. 2). У різьбових з'єднаннях зі спіральними вставками навантаження, що діє перший виток, і, як наслідок, межа витривалості, лише незначно залежать від властивостей матеріалу корпусу (гайки) через велику податливість вставки.
Підвищення σап сполук у разі застосування чавунних гайок та гайок із лляним ущільненням отримано Г. Вігандом (див. табл. 1). У табл.3. наведено експериментальні дані щодо дослідження впливу матеріалу гайки на опір втоми сполук. У дослідах зі шпильками цей вплив виявився сильнішим, ніж з болтами, тому що в першому випадку застосовувалися футорки (втулки із зовнішнім і внутрішнім різьбленням) з магнієвого сплаву, жорсткість яких приблизно в 2 рази менше жорсткості шпильок. Розподіл навантаження у таких сполуках суттєво відрізнявся від розподілу навантаження у з'єднаннях типу болт-гайка. Навантаження на перший виток при магнієвій вставці (Е = 40 ГПа) приблизно в 2 рази менше,ніж у сталевій гайці, що відповідає досвідченим даним.
* обрив шпильки по різьбовій частині поза гайкою.
Залежність межі витривалості кріпильного з'єднання від модуля пружності матеріалу гайки
Мал. 4. Залежність межі витривалості сполуки від співвідношення Е/Ес
Вплив матеріалу гайки досліджувався також І. А. Біргером та Г. Б. Йосилевичем. Випробовувалися з'єднання шпильок нарізаним різьбленням М10 (форма западини - плоскосрізана) з гайками зі сплавів Д16Т, ВТ9 і сталі 45. Середні значення руйнівного навантаження (за результатами п'яти випробувань) наведені в табл. 4. На рис. 4. показана залежність межі витривалості з'єднання від відношення модуля пружності матеріалу гайки досліджуваного з'єднання до модуля пружності сталі (Ес = 210 ГПа). Як видно, застосування в різьбових з'єднаннях гайок з титанових сплавів (Е/Ес = 0,55) і алюмінієвого сплаву Д16Т = 0,35) замість сталевих дозволяє підвищити межу витривалості сполук відповідно на 27 і 45%.
Міцність (на зріз витків) з'єднань сталевих шпильок М10 з гайками з титанового сплаву ВТ9 не нижче міцності з'єднань зі сталевими гайками, тому застосування гайок з міцних титанових сплавів замість сталевих дозволяє поряд з деяким зниженням маси конструкції помітно підвищити несучу здатність.