+7(343)201-14-02

+7(343)298-01-98

+7(343)298-01-98

Каталог

Соединение шпильками и их сопротивление усталости

Из-за малой, в сравнении с болтовым соединением, нагрузки на первый виток, соединение шпильками обладает несколько большим пределом выносливости при осевом растяжении. При этом для большинства конструкций, имеющих соединение шпильками характерно большее напряжение шпильки, точнее ее части завинченной в корпус, что обусловлено изгибающими нагрузками. Этот вид нагрузок возникает либо сразу после монтажа конструкции, либо становится следствием воздействия внешних нагрузок.

6.30

Рис. 6.30. Существующие способы, применяемые для установки шпилек:

а — на сбег резьбы; б — на клее или с натягом по резьбе; в — с упором шпильки  в дно отверстия; г - на вставке.

Для сравнительного анализа в испытаниях на сопротивление усталости были использованы шпильки, выполненные из таких сталей как 38ХА и 14X17112. Эти шпильки были завинчены всеми представленными выше способами в корпуса, для изготовления которых использовался алюминиевый сплав АЛ5 и сталь 14XJ7H2.

6.31

Рис. 6.31. Способы, используемые для установки шпильки, а - с упором шпильки в бурт, б -  с упором шпильки в дно отверстия

Анализируя имеющиеся в табл. 6.19 результаты проведенных испытаний можно заметить, что наибольший предел выносливости шпилек обеспечивает их посадка при помощи вставки.

Полученное значение σаи при использовании таких способов, как посадка шпилек  с натягом, в гладкое отверстие или на сбеге резьбы оказалось несколько меньшим, чем при использовании спиральной вставки. При этом вне зависимости от способа посадки все полученные значения оказались куда большими, в сравнении с гаечным окончанием. Объяснить это можно уменьшением концентрации резьбового напряжения, что вызвано «стесненным» изгибом витков. К тому же при использовании корпусов, выполненных из АЛ5 определенное влияние на уменьшении концентрации напряжения, оказывает свойства использованного материала.

 

Таблица 6.19

Значения σаи для соединений шпильками в зависимости от способа посадки (резьба М10; σm = 300 МПа)

Способ посадки шпильки

σаи, МПа, для шпильки (корпуса) из материалов

38ХА

(АЛ5)

14Х17Н2

На вставке

185

155

НА сбег резьбы

170

125

В гладкое отверстие

150

-

На тугой резьбе

165

125

На клее Л4

125

90

С упором в дно

120

-

Примечание. Для шпилек (по гаечному концу) из стали 38ХА σаи  = 95 МПа, из стали 14х17Н2 σаи = 90 МПа

Значение натяжения в соединениях, выполненных из стали не должно превышать 60 мкм, если для изготовления корпуса вместо стали был использован алюминий, а шпилька осталась стальной, то это значение не должно превышать 100 мкм.

 6.32

Рис. 6.32. Существующие конструктивные схемы вариантов  установки шпилек в детали

Стоит отметить, что при посадке на сбег, эффект стесненного изгиба для корпусов, выполненных из стали и алюминия проявляется по-разному, это  обусловлено неодинаковой длиной посадочного участка.

В тоже время, соединения, выполненные с посадкой шпилек на клей или с их упором в дно посадочного отверстия обладают такими же параметрами выносливости, как и болтовые соединения, в которых использованы гайки из алюминиевого сплава.

Также стоит отметить, что в случае, если планируется работа соединения под воздействием изгибающих нагрузок, оптимальным будет вариант посадки шпильки с ее упором в бурт, как показано на рис 6.31, а, с последующим  центрированием по кольцевому пояску.  Использование бурта дает возможность получить предварительную затяжку шпильки, а также позволяет некоторую часть переменной нагрузки передать сразу на корпус соединения или на стержень шпильки, минуя саму резьбу. К тому же выемка, расположенная под буртом, увеличивает податливость, что, в свою очередь, позволяет избежать негативных последствий, в виде дополнительных нагрузок в резьбе,  при наличии погрешностей в разметке отверстий.

 

Таблица 6.20

Значения σаи для шпилек с нарезной резьбой Витворта 1''

Способ посадки шпильки

σm, МПа

σаи, МПа

С упором в фаску уменьшенного бурта, рис. 6.32, а

162,0

115,0

На сбег в расточенную под шпильку часть отверстия, рис. 6.32, б

141,0

94,2

С упором в бурт, рис. 6.32, в

135,0

88,0

На сбег резьбы, рис. 6.32, г

127,0

80,0

С упором в дно, рис. 6.32, д

114,5

67,5

Примечание 1. Момент завинчивания на ключе МЗ = 220 Нм 2. Для болта из той же стали с резьбой 1'' σаи = 47 МПа при σm = 94,2 МПа. 

При этом стоит отметить, что в случае несовпадения осей шпильки и отверстия, при использовании способа посадки с упром в дно образуется дополнительное напряжение изгиба, величина которого может быть значительной.

6.33

Рис. 6.33. а - резьбовое соединение, б и в эпюры сил, которые воздействуют на сам  корпус (б) и воздействуют на витки резьбы (в)

В табл. 6.20 приведены результаты, проведенных У. Макклаймонтом и А. Брауном исследований, которые затрагивали такие вопросы, как сравнение значений предела выносливости соединения со шпилькой с резьбой 1", при ее установке с упором в бурт, с упором в дно отверстия и на сбег резьбы.

Кроме разрушения вследствие накопления усталости шпилек в практике возможны случаи разрушения корпусов, по той же причине. В первую очередь это вызвано плохими механическими характеристиками используемых материалов, к примеру, корпуса большинства ДВС выполнены из чугунов или алюминиевых сплавов с σв = 150 ... 200 МПа. На рис. 6.33, б показано, что в сечении 1-1 на корпус в районе шпильки воздействую максимально возможные нагрузки растяжения, при этом для этого места характерна еще и серьезная нагрузка на виток резьбы, рис. 6.33, в.

6.34

Рис. 6.34. Схема монтажа шпильки в отверстие с гладкой поверхностью

Как правило, данное сечение является местом наиболее частого образования трещин. К тому же в этих случаях зачастую используют способ посадки шпилек, предусматривающий их натяжение по среднему диаметру, а это становится причиной образования зоны напряжений растяжения, что приводит к снижению показателя прочности материала, из которого выполнен картер. Для снижения существующих в сечении 1-1 напряжений используют такие способы, как:

  • Увеличение длины свинчивания;
  • Увеличением длины отверстия для шпильки;
  • Предварительным нагружением самой шпильки, например ее упором в бурт;
  • Использованием шпилек, полость которых засверлена, либо шпилек с переменно-поперечным сечением, рис. 6.31, а;
  • Использование для посадки шпилек гладких отверстий, цилиндрической формы.

6.35

Рис. 6.35. Характеристика момента первого завинчивания в зависимости от частоты, с которой вращается шпилька (корпус выполнен из магниевого сплава МЛ7; l = 1,5d; d0 = 5,3 мм; резьба Мб).

Наиболее доступные способы посадки шпилек отличаются трудоемкостью процесса и потому для их реализации необходимо наличие резьбы в корпусе.

6.36

Рис. 6.36. Характеристика  момента первого завинчивания шпильки в зависимости  от длины свинчивания (корпус выполнен из сплава  МЛ7; резьба М6) :

1 — d0 = 5,2 мм;

2 — 5,3;

3 – 5,4;

4 — d0 = 5,5 мм.

Во многих случая достаточно эффективной является посадка шпилек в гладкие отверстия цилиндрической формы, что довольно просто реализовать при использовании в качестве материалов для изготовления корпусов сплавов алюминия и магния. В деталях корпусов для последующего монтажа шпилек сверлят отверстия, диаметр которых соответствует среднему диаметру резьбы согласно ГОСТ 9150-81. Эти отверстия имеют фаску, задача которой предотвратить выпучивание металла на поверхность стыковки, рис. 6.34. После чего шпильку, резьба которой смазана, захватывают за ее гаечный конец обычным инструментом, либо за гладкую часть ее стержня быстросъемным инструментом и завинчивают непосредственно в корпус, частота вращения при этом должна находиться в пределах n = 40 ... 300 мин -1. Данная технология позволяет завинчивать большое количество шпилек одновременно. При этом шпильки завинчиваются по упорам, в случае если на выступающие над корпусом концы установлен жесткий допуск. В тоже время шпильки малой длины завинчиваются без последующего центрирования, а шпильки, длина которых велика, центрируются при помощи кондукторной плиты.

Главной особенностью технологического характера монтажа шпильки является процесс образования резьбы внутри отверстия, которая накатывается под воздействием резьбы на самой шпильке. Табл. 6.21 содержит значения рекомендуемых диаметров отверстий и размеров фасок, проделываемых в корпусах и предназначенных для посадки шпилек. Также здесь есть наибольшие и наименьшие значения МЗ, моментов завинчивания шпилек в корпуса, выполненные из сплава АЛ9, рис. 35, 36. частота, с которой при завинчивании вращается инструмент равна 120 мин-1. Одна из колонок таблицы дает значения моментов, при которых сечение шпильки по ее резьбовой части подвергается пластической деформации.

 

Таблица 6.21

Рекомендуемые диаметры отверстий и размеры фасок для посадки шпилек в гладкие отверстия

Резьба

Диаметр отверстия, мм

Размер фаски, мм

Момент МЗ завинчивания, Нм

Момент Мφ, Нм, для шпилек из стали

45

38ХА

30ХГСА

М5

4,5…4,65

0,5

5,0…2,0

9.0

14,0

16,8

М6

5,35…5,50

1,0

7,5…3,5

16,0

25,0

30,0

М8

7,20…7,40

1,0

21,5…13,0

38,0

60,0

72,0

М10

9,00…9,25

1,5

40,0…22,0

95,0

147,0

176,0

М12

10,85…11,10

1,5

107,0…66,0

173,0

268,0

320,0

Посадка шпилек выполнима как в сквозные, так и в глухие отверстия, при этом во втором случае воздух, который находится в момент монтажа под шпилькой, отводится по естественным зазорам, неизбежно образующимся при завинчивании.

В последующем полученное соединение может быть демонтировано и при его повторной сборке используется та же шпилька, которая завинчивается в полученное ранее резьбовое гнездо. В этом случае получается соединение как при посадке на резьбе с натяжением по среднему диаметру. Табл. 6.22 содержит наименьшие значения моментов возникающих при вывинчивании шпилек после их завинчивания. Как показывает проведенный анализ, стопорящие свойства, оцениваемые по моменту вывинчивания, при втором вывинчивании не ухудшаются в сравнении со шпильками, посадка которых происходила по тугой резьбе.

Таблица 6.22

Ниаменьшие значение моментов вывинчивания Мв шпилек с резьбой М10 при посадке в гладкие цилиндрические отверстия корпуса из АЛ9

Диаметр отверстия в корпусе, мм

Значение Мв, Нм, при вывинчивании

первом

втором

третьем

9,0

20,0

10,5

8,0

9,1

16,0

9,5

5,8

9,2

15,0

9,0

5,1

Примечание 1. Резьба смазана машиным маслом; n = 120 мин-1. 2. Наименьший момент первого вывинчивания для шпилек при посадке с натягом, равным 60 мкм, не превышал 8,5 Нм.

Как свидетельствуют результаты статических испытаний с увеличением диаметра самого отверстия сила, которая разрушает резьбу соединения, уменьшается, что вызвано уменьшением перекрытия витков. В тоже время длина свинчивания, рекомендуемая для соединений резьбового типа, где l = (1,6 ... 2,0) d будет достаточной и в случае посадки шпилек в гладкие отверстия. При последующем увеличении 1 несущая способность увеличена не будет, так как она может быть ограничена прочностью стержня самой шпильки на разрыв, либо прочностью на срез витков резьбы, накатанной на корпусе, что вызвано наступлением предельного пластичного состояния.

В любом случае значение предела выносливости соединений при посадке шпилек в гладкие отверстия будет ниже, чем при их посадке по тугой резьбе или на сбег, но, тем не менее, это значение превышает значение предела выносливости гаечного конца шпильки.