Форма гайки

Распределение нагрузки между витка, а значит, и надежность и долговечность резьбового соединения весьма сильно зависит от конструкции гайки. Так для гайки растяжения на нижний виток действует нагрузка меньшая 1,7..1,8 раз, чем для обычной гайки. Это существенно повышает предел выносливости.

Большую работу по исследованию надежности соединения в зависимости от формы гайки провел Г. Виганд. Он проводил опыты с образцами, имеющими 3/4'' резьбу Витворта. 

Результаты опытов приведены в таблице.

Таблица. 6.10

Значения σ_ап, МПа (%), для различных резьбовых соединений

Эксперименты Виганда показали, что соединения с гайкой стандартной конструкции имеют наименьшее сопротивление усталости, а при использовании гайки растяжения – величина сопротивления усталости максимальна. У соединений с гайками, имеющими кольцевую выточку, величина сопротивления усталости возрастает примерно на треть.

При знакопеременном характере динамических нагрузок, надежное соединение обеспечивают только сжато-растянутые гайки и гайки растяжения. 



Рис. 6.24. Гайки с кольцевой выточкой

Согласно различным исследованиям, использование сжато-растянутых гаек в резьбовых соединениях на 25-40% повышает предел выносливости.

Неплохие эксплуатационные характеристики у соединений с использованием гаек с вогнутыми опорными поверхностями. В связи с тем, что у них опорная поверхность наклонена под углом 30 градусов к поверхности опоры, то под воздействием приложенных нагрузок при затягивании ее поверхность расширяется у основания. В результате, приложенная нагрузка распределяется равномерно. Это повышает долговечность соединения.

Рис. 6.25. Соединения с улучшенным распределением нагрузки между витками

Повысить надежность соединения можно путем использования контргаек, затягиваемых с довольно большим моментом. Использование контргаек на 50% повышает предел выносливости резьбового соединения.

Использование гаек со спиральными вставками, также приводит к существенному повышению сопротивления усталости соединения.

Установлено, что при повышении нагрузки на первый виток, снижается надежность соединения, его предел выносливости. 

Рис. 6.26. Гайка с вогнутой опорной поверхностью

Надежность резьбовых соединений также зависит от материала, из которого изготовлена гайка. Использование гаек изготовленных из материала, имеющего малый модуль упругости, повышает равномерность распределения нагрузки в резьбе. В результате, повышается предел выносливости.

Так, при использовании вместо стальных гаек (Е = 200 ГПа) гаек из дюралюминия (Е = 70 ГПа), примерно на четверть снижается нагрузка на первый виток. Что повышает σап соединений, выполненных из стальных болтов с дюралюминиевыми гайками. При использовании спецгаек со спиральными вставками, значительного повышения надежности соединения, при использовании в качестве материала гаек дюралюминии не замечено. Это связано с тем, что такие гайки более податливы.

Таблица 6.11

Значения σ_ап, для соединений с дюралюминиевыми гайками  (дюралюминий Д1Т, σ_в=400 МПа)

Примечание. 1. В скобках для сравнения приведены данные для гаек из стали 45 (σ_в=950 МПа). 2. Материал шпилек – сталь 38ХА (σ_в=950 МПа); форма впадины – плоскосрезанная.

Зависимость сопротивления усталости от материала гайки сильнее выражено в случае использования шпилек с футорками из магниевого сплава вместо болтов. Зависимость σап от материала болтов приведена в таблице.

Влияние материала гайки на надежность резьбового соединения также было изучено. В таблице приведены значения средней разрушающей нагрузки соединений, состоящих из шпилек с нарезанной метрической резьбой М10 и гаек из различных материалов (стали 45, сплавов ВТ9 и Д16Т).

Таблица 6.12

Значения σ_ап  для соединений с гайками из различных материалов 

Использование титановых гаек, повышает предел выносливости соединения на 25%, а дюралюминиевых – на 45%.

Таблица 6.13

Разрушающая нагрузка F_p для резьбовых соединений с гайками из различных материалов.

* Обрыв шпильки по резьбовой части вне гайки

Прочность резьбовых соединений (на срез витков) с использованием шпилек из стали с резьбой М10 и гаек изготовленных из сплава титана ВТ9 не меньше прочности соединений с применением гаек из стали. Поэтому использование титановых гаек позволяет увеличить надежность соединения с одновременным уменьшением массы конструкции.

Рис. 6.27. Зависимость предела выносливости соединения от отношения Е/Ео

Предел выносливости резьбовых соединений можно повысить и при использовании гаек из стали. Достаточно правильно подобрать марку стали. Экспериментально установлено, что при выборе в качестве материала гаек менее прочную сталь, можно повысить σап резьбового соединения на 15-20%.

Таблица 6.14

Таблица. Зависимость σ_ап  различных резьбовых соединений, от предела прочности материала гаек

Высота гайки. 

Расчетами установлено, что использование гаек с Н > (0,5 - 0,6)d не дает какого-либо существенного повышения сопротивления усталости. Это связано с тем, что на загрузку на первый виток практически не изменяется.

Практические эксперименты по исследованию зависимости сопротивления усталости резьбового соединения в зависимости от высоты гайки, проведенные Г.Вигандом, К. Г. Беелихом и К.-Г. Иллгнером, показали, что предел выносливости стальных резьбовых соединений практически не повышается при Н>= l,25d . При высоте гайки Н = (0,8 ... l,25)d, величина σ_ап возрастает на 5-15%. Этот факт объясняется использованием гаек из низкопрочной стали, улучшением распределения нагрузки в резьбе и появлением в ней местных пластических деформаций вследствие высоких средних напряжений в витках.

Таблица 6.15

Значения σ_ап  для соединений (Р=50%) в зависимости от высоты гайки (σ_m =0.7 σ_т)

Примечания: 1. Класс прочности болтов 8G (σв=870…910 МПа).

2. В числителе дроби для М10 указаны значения для болтов 8G, в знаменателе – для болтов 10К (σв=1040 МПа).

3. Среднее квадратическое отклонение для резьбы М6  Sσ_ап=6 МПа, для резьбы М10 Sσ_ап=3 МПа.

Аналогичные выводы сделал А. И. Якушев для болтовых соединений из стали 45 (σв = 870 МПа ) и стали 40ХН2МА (σв= 1500 МПа)

Таблица 6.16

Величина σ_ап  для стальных резьбовых соединений, в зависимости от высоты гайки

Эксперименты Якушева показали, что при малой высоте гайки, помимо самой гайки усталостному разрушению подвержен и сам болт. Это связано с тем, что в резьбе болта возникают растягивающие напряжения, которые уменьшают его сопротивление усталости.

Установлено также, что если в качестве материала гайки выбрать материал, имеющий меньшее значение модуля упругости, чем материал болта, то влияние высоты гайки на прочность соединения сказывается значительно сильнее.