Нарізні з’єднання у сільгосптехніці

Залежно від форми поперечного перерізу тіла, що обертається, розрізняють нарізь трикутну, трапецієподібну упорну, напівкруглу тощо. За чинними стандартами, трикутна нарізь буває метричною (a=60°) та трубною (a=55°).
Метричну нарізь з основним (крупним) кроком позначають буквою М та числами, що визначають зовнішній діаметр (d) у міліметрах, наприклад M8; М16; М27 тощо, а за позначень із дрібним кроком додають число, що позначає крок нарізі (S), мм: М6x0,6; М24х1,5; M64х2 тощо.
Трубна нарізь має наближено такий самий профіль, як і метрична, але дещо менші розміри. Нарізають трубну нарізь не лише на трубах, а й на стрижнях. Позначається вона словом “Труб” і значеннями зовнішнього діаметра у дюймах та класу точності, наприклад, Труб 2 “кл.2, якщо трубна нарізь нарізана на конічному елементі — К Труб 3/4”.
У нашій країні найширше застосовувана метрична нарізь із кутом профілю 60°. За допомогою нарізних з’єднань можна доволі точно регулювати осьову “гру” у конічних підшипниках, зазори у клапанах двигунів внутрішнього згоряння. Для цього потрібно знати крок нарізі, а потім, розділивши його на величину потрібного зазору, визначити частину кола, на яку потрібно відпускати регулювальну гайку, коли зазор вибрано.
Наприклад, у конічних підшипниках маємо відрегулювати зазор у межах 0,20–0,25 мм. Крок нарізі регулювальної гайки — 1,5 мм. Тоді потрібно відпускати регулювальну гайку на 1/6–1/7 оберта. Якщо гайка має шість граней, то слід виконати поворот у зворотному напрямку на одну грань. До речі, за відсутності наріземіра для визначення кроку нарізі можна скористатися такими способами. За допомогою шматка паперу (бажано білого) зробити відбиток гвинтової нарізі. Відмірявши за допомогою штангенциркуля або навіть лінійки десять кроків (для підвищення точності) і розділивши одержану відстань на десять, визначити крок нарізі з доволі доброю точністю — для практичних потреб.
До складу нарізних з’єднань входять болти, гвинти, шпильки, гайки, гвинтові стяжки, нарізні вставки, шайби тощо. Якщо стрижень із головкою та гвинтовою нарізкою згвинчують з гайкою, то дістають болт, а коли той самий стрижень загвинчують в якусь деталь, то отримують гвинт. Якщо стрижень, замість головки, має нарізь, то його називають шпилькою. Гвинтові стяжки — це такі деталі, в яких дві гайки з правою і лівою наріззю розміщені на одній осі з певною відстанню. Нарізні вставки мають вигляд циліндричного пустотілого стрижня, який має нарізь і внутрішню, і зовнішню. Найпростішою нарізною вставкою може бути пружина з дроту, діаметр якого дорівнює половині різниці діаметрів нарізей зовнішньої та внутрішньої, а крок, — відповідно, кроку нарізі.
Нарізі бувають циліндричні та конічні. Якщо на циліндричну поверхню, яка слугує основою, нагвинчувати плоску фігуру у вигляді трикутника, прямокутника, трапеції або півкола, то одержимо циліндричну нарізь, відповідно, трикутну, прямокутну, трапецієподібну або круглу. За напрямком спіралі нарізі бувають праві та ліві. Якщо гвинтова лінія рухається зліва вгору направо — це права нарізь, якщо справа вгору наліво — ліва.
Найбільше застосовують у техніці праву нарізь, а ліву використовують лише в окремих випадках. За кількістю заходів нарізі бувають однозаходні (якщо переміщується лише один профіль під час створення гвинтової лінії) та багатозаходні. Усі кріпильні нарізі однозаходні. Багатозаходні нарізі використовують у гвинтових механізмах. Конічна нарізь створюється на основній поверхні у вигляді конуса. Таку нарізь застосовують, щоб з’єднувати щільно труби, маслянки тощо.
Виготовляють нарізь так:
а) за допомогою мітчиків і плашок (вручну). Цей спосіб малопродуктивний і його використовують лише під час ремонту машин і в індивідуальному виробництві;
б) нарізанням за допомогою різців на токарно-гвинторізальних верстатах;
в) фрезеруванням на спеціальних нарізнофрезерних верстатах (на великих діаметрах і з великою точністю);
г) відливанням (із чавуну, скла, металокераміки, пластмаси та порцеляни);
д) видавлюванням на тонкостінних деталях із жерсті, пластмаси тощо.
За призначенням нарізі бувають кріпильні та ходові. Найчастіше кріпильні нарізі бувають трикутного профілю, рідше — трубна нарізь, що має також заокруглений при вершинах трикутний профіль. Ще рідше застосовують круглу нарізь. Ця нарізь добре себе зарекомендовує у дуже забруднених умовах і за динамічних та ударних навантажень. Є спеціальні нарізі для саморізів, гвинтів по дереву (шурупів і “глухарів”). Для гвинтових механізмів використовують ходову нарізь, яка буває прямокутною, трапецієподібною, симетричного або несиметричного профілю. Останню називають упорною наріззю. Для зменшення тертя і спрацювання у ходових нарізях найширше застосовують прямокутний профіль.
Щоб зменшити пошкодження з’єднувальних деталей, під гайку або головку гвинта ставлять шайби. Є також спеціальні стопорні шайби, за допомогою яких запобігають самовідгвинчуванню у нарізях, що виникає внаслідок дії змінних навантажень, коливань і вібрацій.
Стопоріння у нарізях досягається багатьма способами, їх можна класифікувати так: підвищення тертя (контргайки, пружинні шайби, неповні останні витки у гайці, пластмасове кільце у гайці) і жорстке з’єднання гайки з тілом болта (шплінтом, лаком, герметиком висихаючим, зварюванням); жорстке з’єднування гайки з тілом з’єднуваних деталей (лаком, клеєм, приварюванням деформованими шайбами).
Унаслідок послідовно змінюваних за величиною та напрямком поперечних сил стискування та розтягування у нарізних з’єднаннях виникає послаблення затяжки, що призводить до зменшення або повністю місцевого зняття корисних сил тертя у нарізі. Це послаблення обумовлено також зміною осьового навантаження, зміною температури, а також виникає внаслідок пружних коливань уздовж осі гвинта.
Це добре ілюструється на нарізних з’єднаннях у двигунах внутрішнього згоряння, де відбувається і зміна температури, коливається тиск у циліндрах під час згоряння робочої суміші та додаткові динамічні навантаження від незрівноважених сил інерції. З огляду на це нарізні з’єднання двигунів внутрішнього згоряння потребують спеціальних надійних засобів стопоріння. У регулювальних гайках, які не повинні сильно затягуватися, наприклад у гайках для регулювання зазорів у підшипниках кочення, між штовхачами клапанів і клапанами слід використовувати гарантоване спеціальне стопоріння навіть за спокійних режимів роботи.
Існують такі види стопоріння:
а) завдяки додатковому тертю;
б) спеціальними додатковими елементами (шплінтами, шайбами);
в) пластичним деформуванням або приварюванням.
Стопоріння додатковим тертям (рис. 1) засноване на створенні додаткових сил тертя, які зберігаються під час зняття з гвинта зовнішнього осьового навантаження та допускають стопоріння у будь-якому проміжному положенні гайки (контрмутри).
Застосування контргайки (рис. 1 а) є найстарішим засобом стопоріння. Під час затягування контргайки (верхня гайка) основна (нижня) гайка утримується від обертання ключем, а частина болта, яка розміщена між гайкою та контргайкою, буде розтягнута. При цьому навіть за зменшення зовнішнього осьового навантаження на болт у нарізі, завдяки пружним силам розтягнутої ділянки болта, зберігатимуться значні сили тертя, які перешкоджатимуть самовідгвинчуванню.
За відносно спокійного навантаження застосовують для стопоріння нарізі спеціальний гвинт, який розміщено перпендикулярно осі болта і який натискає на нарізь через мідну або свинцеву прокладку (рис. 1 б) або який розміщений паралельно осі болта (рис. 1в) і деформує гайку, що має прорізь.
Доволі широкого розповсюдження набули гайки, як самі контряться, тобто мають радіальний натяг нарізі внаслідок деформації верхньої частини гайки на еліпс (рис. 1 г) або за наявності кількох радіальних прорізів.
Для самоконтрування гайок у них виконують також завальцьовані пластмасові кільця (рис. 1 д). На цих кільцях нарізь не нарізається під час виготовлення гайок. Вона утворюється під час нагвинчування гайки на болт, причому у такому разі забезпечуються великі нормальні зусилля та сили тертя між наріззю болта і гайкою.
Контргайки цангового типу (рис. 1 е) під час загвинчування обтискуються конічними поверхнями гайки, й це істотно збільшує тертя. Контргайка типу арки (рис. 1 ж) під час загвинчування розгинається і заклинює нарізь.
Стопоріння за допомогою пружинних шайб (рис. 1 з) доволі поширене у сільськогосподарських машинах як найпростіше і найдешевше. Проте це стопоріння має й значні недоліки. По-перше, пружинна шайба під час загвинчування гострим краєм обдирає фарбу на опорній поверхні з’єднуваної деталі, а під час зволожування там відбувається активний корозійний процес.
По-друге, пружні властивості розрізних шайб не постійні, а тому надійність стопоріння мала. По-третє, лише один розріз на шайбі створює ексцентричне навантаження, яке викликає додаткове напруження згину в тілі болта. Це напруження у кілька разів перевищує напруження розтягу. Цього недоліку можна позбутися за застосування асиметричних пружинних шайб із кількома відігнутими вусиками (рис. 1 и). Через це для стопоріння краще використовувати деформовані шайби, в яких один вусик загинають у спеціальний отвір деталі, а інший вусик або край шайби після загвинчування гайки загинають на її грань.
Для стопоріння спеціальними елементами застосовують шплінти, шайби з вусиками та шплінтувальний дріт. Для стопоріння шплінтами (рис. 2 а) у верхній частині гайки виконують прорізи, а у болту просвердлюють наскрізні отвори. Загвинчуючи гайку, її встановлюють так, щоб отвір у болту збігався з одним із прорізів гайки, а потім пропускають через отвір і проріз розвідний шплінт. Так пов’язують в одне ціле болт з гайкою. Шплінти виготовляють з дроту напівкруглого перерізу, зігнувши його вдвоє плоскими сторонами один до іншого. Для зручності розведення кінці шплінтів виготовляють із різною довжиною.
Для стопоріння круглих гайок широко використовують спеціальні пелюсткові шайби. Такий гайковий замок зображено на рис. 2 б. При цьому на нарізаній частині стрижня болта виготовляють неглибоку канавку, в яку входить внутрішній носок шайби, не даючи змоги їй провертатися відносно болта. А одну із зовнішніх пелюсток шайби загинають у прорізь гайки, завдяки чому і досягається нерухомість або замикання гайки відносно болта. Таке стопоріння нарізі часто використовують під час кріплення внутрішніх кілець підшипників кочення типу 11000 і 111000.
Стопоріння гайки або головки гвинта відносно деталі досягають також стопорними шайбами з лапками (рис 2 в), одну з яких загинають на грань гайки, а іншу — на грань деталі.
Гайки та головки болтів у групових болтових з’єднаннях нерідко застопорюють за допомогою м’якого дроту (рис. 2 г). Для нарізей невеликих діаметрів застосовують стопоріння за допомогою смоли, лаку та фарби.
Але ці способи мають вади: ступінчаста затяжка, потреба у свердлінні отворів, порівняно висока вартість.
Болти (гвинти) та гайки виготовляють з таких матеріалів: сталь Ст.3, сталь 10, сталь 20, сталь 35, сталь 45, а у відповідальних випадках — із легованих сталей 35Х, 38ХМЮА та 45Г.
Класи міцності болтів часто позначають на торцях їхніх головок. Якщо на торці стоять цифри 4.6, то це свідчить, що перше число, помножене на 100, визначає мінімальне значення граничної міцності матеріалу в МПа, а друге число означає відношення межі текучості (плинності) до межі міцності (добуток першого числа на друге, збільшений на 10, визначає межу текучості). Отже, болти, гвинти та шпильки класу міцності 3.6 виготовляють із сталі Ст.3 та сталі 10; 4,6 — із сталі 20; 5.6 — сталі 30, сталі 35; 3.8 — сталі 35Х, 38ХМЮА, 45Г.
Механічні властивості гайок позначаються одним числом, яке після множення на 100 дає величину межі міцності, що виникає від випробовуваного навантаження. Матеріал гайок — такий, як і болтів. Лише в агресивних середовищах гайки часто виготовляють із бронзи, латуні, міді та пластмаси. Пружинні шайби виготовляють із сталі 65Г, які після виготовлення гартують до твердості HRC = 40...45.
На практиці трапляються гвинти різних конструкцій, наприклад: римболти, головка яких має вигляд кованого кільця для захоплювання під час підйомів транспортованих вантажів; відкидні гвинти з отворами для осей для задраювання люків, кришок, ілюмінаторів тощо; двосторонні гвинти-стяжки; анкерні болти з Т-подібними головками або з отвором для чеки, що зручно для роботи з анкерними плитами, які заливають у бетонні фундаменти.
Особливий вид гвинтів мають різні конструкції саморізів шурупів та “глухарів” по дереву і пластмасах.
Складання гвинтових з’єднань виконують зазвичай за допомогою гайкових ключів: звичайних (рожкових), торцевих, для внутрішнього захоплювання головки, спеціальних, а також викруток та інших пристроїв.
За масового складання однотипних з’єднань застосовують електричні або пневматичні гайковерти або викрутки. Якщо треба загвинчувати гвинти з точною затяжкою, то використовують динамометричні ключі або ключі граничного моменту.
Під час затягування гвинтів великого діаметра (d більше 50–60 мм), де потрібно мати дуже велике зусилля затягування, слід використовувати температурну деформацію гвинта. Можна спочатку гайку затягнути вручну до вибирання зазору, а потім спеціальним стрижневим електропідігрівачем (ТЕН), який вставляють в осьовий отвір гвинта, нагрівають гвинт. Поздовжня температурна деформація гвинта має бути під час нагрівання більшою, ніж деформування його під час затягування. Потім гайку вільно повертають на розрахований кут b, який відповідає потрібній величині затягування. Після вимикання електропідігрівача гвинт захолоне і стисне з’єднувані деталі з потрібним зусиллям.
Під час роботи затягнутих гвинтових з’єднань зусилля між витками гайки розподіляються нерівномірно. Перший виток (до опорної поверхні) має навантаження близько 34% повної сили затягування, а останній — 10-й — має дуже мале навантаження — близько 0,9%. Це дає право виготовляти менші за висотою гайки, що мають 6 витків нарізі. А для рівномірного розподілу силового потоку можна використовувати підвісні гайки та гайки з проточками на опорній поверхні, а також зрізувати витки гайки на конус, що дасть змогу мати більш піддатливі нижні витки.
Найбільша кількість руйнувань болтів, гвинтів і шпильок у нарізних з’єднаннях спостерігається в місцях найбільшого навантаження витка у площині контакту гайки з опорною деталлю (до 63–65%).
Для захисту від корозії на болти, гайки та шайби наносять захисне покриття з цинку, міді тощо. Проте після загвинчування захисне покриття пошкоджується, а в нарізне з’єднання може потрапити волога, і тоді, внаслідок дії корозії, болти й гайки неможливо відкрутити. Для захисту нарізних з’єднань їх перед загвинчуванням слід покривати мастилом. Для цього промисловість виготовляє різні марки мастила. Наприклад, мастила для нарізі типу Р-2,113, Р-402, Р-416, що складаються з індустрійних мастил типу И-45, И-50, які загущені алюмінієвими та літієвими милами стеаринової кислоти й мають такі добавки, як графіт, порошок свинцю, цинку і мідну пудру. Такі мастила полегшують згвинчування та розгвинчування нарізних з’єднань, довго зберігають нарізь від корозії, забезпечують герметичність нарізного з’єднання за тиску до 70 МПа, але вони дорогі й дефіцитні. Тому практикам радимо перед складанням змащувати нарізі деталей нарізних з’єднань трансмісійними мастилами типу ТАД-17,ТАП-15 або нігролом. Вони мають добру липкість і не змиваються водою.
На жаль, деякі господарі змащують нарізь солідолом. Це завдає шкоди, бо солідол змивається водою, і такі з’єднання швидко ржавіють.
Для ущільнення нарізних з’єднань можна використовувати саморобні герметики. Якщо нарізне з’єднання і передбачено розбирати, то варто використовувати невисихаючий герметик. Для його виготовлення до нітроемалі слід додати близько 10% рицинової олії, старанно її перемішати й поставити у відкритому посуді у тепле місце, наприклад, на батарею центрального опалення. Розчинники, які входять до складу нітроемалі, через деякий час (два-три дні) випаруються, суміш загусне, і герметик буде готовий до вживання. Якщо потрібно швидко виготовити герметик, то можна зробити звичайну водяну баню і, часто помішуючи, довести суміш до потрібної густини. Цей герметик надійно захистить з’єднання не лише від вологи, а й від дії бензину та мінеральних мастил. Цим герметиком можна змащувати також ущільнювальні прокладки, наприклад, під бензонасос, кришку клапанів, піддон картера тощо.
Як висихаючий герметик для стопоріння нарізних з’єднань можна використовувати суміш такого мінералу, як тальк із клеєм БФ-2. Готують суміш безпосередньо перед вживанням, змішуючи два компоненти до сметаноподібної густини. Після нанесення, наприклад, на нарізь шпильки головки блока, шпильку загвинчують, а суміш висихає і надійно герметизує та стопорить нарізь.
Нарізні з’єднання, які працюють за високих температур, наприклад, кріплять випускні колектори та глушники, перед складанням краще змащувати графітним мастилом або посипати порошком графіту. Це мастило навіть за найвищих температур дає змогу легко розкручувати такі нарізні з’єднання. Коли нема графіту, болти і гайки краще спочатку знежирити бензином, уайт-спіритом, ацетоном або чотирихлористим вуглецем, а потім збирати. Відсутність мастила у нарізі зменшить можливість пригоряння (“прикипання”) гайки до тіла болта, а потім полегшить розбирання такого нарізного з’єднання.
Для прикладу наведено дані про кількість нарізних з’єднань у висівному агрегаті, що складається з трактора МТЗ-80 та сівалки типу FRANZ KLEINE (рисунок). Усього в висівному агрегаті застосовано понад 300 нарізних з’єднань (точніше — 303 шт.). У сівалці KLEINE застосовано найбільше нарізних з’єднань із наріззю М6 — 38 шт. та найменше М16 — 5 шт. А в тракторі МТЗ-80 найбільш застосовано нарізних з’єднань з наріззю М8 — 51 шт. та найменше болтів М16 — 2 шт.

В. Ярошенко,
доцент кафедри
конструювання машин НАУ