Резьбовое соединение с заданным усилием затяжки и способ контроля усилия затяжки резьбового соединения

(57) Изобретение от строению, к способу роля усилия затяжки динения. 11 ель изобр ние точности контро осится к машино и средству конт резьбового соетения - повышея усилия затяжлуатации. Резьб ки и удобства в эк ОСУДАРСТЭЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССР Р 1199604, кл. Р 16 В 31/02, 1983.Иосилевич Г.Б., Строганов Г,Б., Нарловский Ю.В. Затяжка и стопорени резьбовых соединений. - М, Машиностроение, 1985, с36 и 37, рис. 2 б (54) РЕЗЬБОВОГ СОЕДИНЕНИЕ С ЗАДАНН 11 М УСИЛИЕМ ЗАТЯЖКИ И СПОСОБ КОНТРОЛЯ УСИЛИЯ ЗАТЯЖКИ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕ- НИЯ все соединение с ограниченным моментом затяжки содержит мерную шайбу 1и зубчатую шайбу 2, установленные настержне болта 3 между гайкой 4 и соединенными деталями 5 и 6. При затяжке гайки зубья 7 зубчатой шайбы вращаются в мерную шайбу, вытесняя ее маматериал в выем 8 на опорной поверх"ности зубчатой шайбы, При достижениизаданного усилия затяжки зубья врезаются на глубину, равную их высоте.Возрастает скачкообразно момент затяжки. Затяжку прекращают и производят контроль глубины врезания зубьевпо углу поворота гайки. Введениконтроля глубины врезания послеявления скачка момента затяжки позволяет сделать окончательный вывод,затянуто ли соединение заданнымусилием затяжки, что обеспечиваетповыление точности контроля и удобства применения. 2 с,.и 6 з.п.й-лы,4 ил.Изобретение относится к машиностроению, к способу и средству контроля усилия затяжки резьбового соединения5Цель изобретения - повышение точности контроля усилия затяжки и удобства в эксплуатации.На фиг.1 изображено резьбовое соединение с ограниченным моментом затяжки; на фиг,2 - то же, с использованием дополнительных калибровочных шайб; на фиг.3 - зубчатая шайба; на фиг.4 вид А на фиг.3,Резьбовое соединение с заданным усилием затяжки содержит мерную 1 и зубчатую 2 шайбы, которые установлены на стержень болта 3 между гайкой 4 и соединительными деталями 5 и 6.20На зубчатой шайбе выполнены зубья 7 с клиновой формой поперечного сечения и выемки 8, примыкающие к скошенной поверхности зубьев, а поверхность зубчатой шайбы вокруг зубьев 25 образует опорный поясок 9.При затяжке резьбового соединения гайкой 4 зубчатая шайба 2 врезается в мерную колбу 1 зубьями 7, вытесняя материал мерной шайбы 1 в выемки 8. При достижении заданного усилия затяжки зубчатая шайба 2 врезается в мерную шайбу 1 на глубину, равную высоте зубьев 7, и опорным пояском 9 садится на мерную шайбу 1, при этом скачкообразно возрастает момент за 35 тяжки гайки (момент на ключе), что является сигналом к прекращению затяжки соединения, Затяжку соединенияпрекращают и производят контроль глубины врезанин зубчатой шайбы 2 н мерную шайбу дополнительно по углу поворота гайки 4.При установке на опорный поясок зубчатой шайбы 2 набора калибровочных 45 шайб 1 О сигналом прекращения затяжки служит скачкообразное возрастание момента на ключе при опирании набора калибровочных шайб 10 на мерную шайбу 1. Контроль усилия затяжки дополни 50 тельно производят по углу поворота гайки 4, который задают, исходя из того, что глубина врезания зубчатой шайбы 2 в мерную шайбу 1 равна раз - ности высоты зубьев 7 и толщины набора калибровочных шайб 1 О.55Контроль усилия затяжки превоначально производят по появлению скачка момента затяжки (момента на ключе), при этом затяжку соединенияпрекращают, Однако, для обеспечениявысокой точности затяжки необходимоубедиться в том, что врезание зубчатой шайбы в мерную шайбу достигнутона заданную величину, равную высотезубьев зубчатой шайбы. В идеальномслучае, когда нет дефектных деталейв соединении, т.е. толщина мерной шайбы проконтролирована и соответствуетштатной документации, высота зубьевзубчатой шайбы такхе находится в пределах допуска на изготовление и проконтролирована до затяжки соединениятолько появление скачка момента наключе является необходимым и достаточным условием для контроля усилиязатяжки и прекращения какого-либодополнительного контроля,Однако в практике затяжки резьбовых соединений, кроме появления дефектных деталей, в соединении могутпоявиться трудно контролируемые дефекты в резьбе гайки или болта, например забой резьбы гайки или болта,попадание твердых частиц в резьбу(очень часто), попадание стружки илитвердых включений под опорную поверхность пояска зубчатой шайбы,Поэтому в ответственных соединениях, в которых требуется повьпченныйконтроль усилия затяжки, необходимодополнительно проконтролировать глуби-,ну врезания зубчатой шайбы в мернуюшайбу после появления скачка моментазатяжки (скачка момента на ключе).При наличии например, забоины илитвердой частицы в резьбе реэьбовыхэлементов также появляется скачокмомента затяжки, причем преждевременно, т,е. зубчатая шайба при этом врезалась в мерную не на полную глубину,Введение контроля глубины врезанияпосле появления скачка .момента позволяет сделать окончательный вывод:затянуто ли соединение необходимымусилием затяжки либо оно затянуто,например, меньшим усилием затяжки,как это имеет место при попаданиитвердой частицы в резьбу,В первом положении производятзамер, когда зубья зубчатой шайбы касаются мерной шайбы, а во втором положении, когда появляется скачок момента затяжкиО факте касания или об отсутствии зазора между зубьями зубчатой шайбы и мерной шайбой судят, например, по прекращению свободного на39 5 15308 винчивания гайки на болт либо визуально, либо по прекращению поворота зубчатой шайбы относительно мерной шайбы, или проворота обеих шайб относительно стержня болта. По двум заме 5 рам судят о глубине врезания зубчатой шайбы в мерную шайбу.Наиболее простым является способ контроля глубины врезания зубчатой шайбы в мерную шайбу по углу поворота гайки или головки болта, Начальным положением гайки для замера ее угла поворота служит положение, при котором зубчатая шайба касается зубьями 15 мерной шайбы. В этом положении делают метки краской или наносят риски на гайке и стягиваемой детали (риски совмещают, т.е. они находятся в одной плоскости, проходящей через 20 стержень болта). При появлении скачка момента затяжки затяжку прекращают и производят отметку краской или наносят риску на детапи у ранее нанесенной метки на поверхности гайки. 25 Затем производят замер угла поворота гайки от первой метки на детали до второй, пользуясь, например, шаблоном. Таким образом, операцию замера . 30угла поворота гайки производят послепоявления скачка момента затяжки,Если угол поворота гайки повышаето360 , то необходимо в процессе затяжки отсчитывать количество полныхоборотов гайки относительно метки,35нанесенной на поверхности детали впервом положении гайки, т.е. когдазубчатая.шайба касается мерной шайбы,а затем после появления скачка момента затяжки сделать метку на детали идобавить к углу поворота, кратному360 , остаток, меньший 360 . Замеругла поворота гайки может быть осуществлен специальным торцовым ключомс встроенным в ручку ключа угломером.При этом замер угла поворота гайкипроизводят по показанию стрелки нашкале угломера после появления скачка момента на ключе. Начальное положение стрелки угломера Фиксируют вположении гайки, при котором зубчатаяшайба касается мерной шайбы, В связис наличием допусков на изготовлениереэьб гайки, болта и зубчатой шайбыизмеренный угол поворота гайки такжеможет изменяться в диапазоне от отнаименьшего допустимого до наибольшего допустимого угла,В случае, если угол поворота гайкине укладывается в этот диапазон, например меньше допустимого, необходиморазобрать соединение, проконтролировать детали на соответствие документации и заменить дефектные детали илиубрать механические включения в резьбе, а также заменить мерную шайбу,Таким образом, контроль глубаны врезания зубчатой шайбы в мерную шайбупосле появления скачка момента затяжки необходимо проводить и он можетбыть проведен любым из описанных способов. Однако согласно предлагаемомуспособу глубина врезания зубчатой шайбы в мерную шайбу может быть созданасоизмеримой или превышающей шаг резьбового элемента, поэтому удобнее нанести на поверхность гайки реперныеточки с равномерны 1 угловым лагом,например через 60 , Угловой шаг междуреперными точками - это угол междулучами, соединяющими две рядом расположенные (смежные) реперные точкис осью вращения гайки и лежащими вплоскости, перпендикулярной оси вращения гайки,Реперные точки - это метки в виде окрашенных краской точек, наносимых дискретно на поверхность гайкиили головки болта, Их можно наноситьклеймением на поверхности деталей, неокрашивая следы от ударного инструмента, В качестве реперных точек можно принять вершины ребер граней,если гайка выполнена с боковыми гранями.При нанесении реперных точек сравным угловым лагом замер угла поворота гайки от начального положениядо конечного положения удобно и просто производить беэ применения специального инструмента, расчитываяугол поворота гайки по количеству реперных точек, расположенных нагайке между метками, фиксирующими положение гайки в начале и конце затяжки соединенияВ этом случае допустимый угол поворота гайки задается с точностью довеличины углового лага реперных точек или с точностью до половины величины углового лага реперннх точек.Так, например, при задании глубиныврезания зубчатой лайбы, равной 11,5 мм, и при лаге резьбы резьбовогоэлемента, равном 1 мм, номинальныйугол поворота гайки при затяжке сое 1530839динения равен 540 , Допуск на изготовление деталей (колебание высотызубьев зубчатой шайбы и резьб гайкии болта) составляет 5 Х. В этом случае допустимый угол поворота гайкизадают равным 540+30. Если гайка .шестигранная и если принять вершиныребер граней гайки эа реперные точки,.тогда допустимый угол поворота гайкизадают равным девяти угловым шагамреперных точек плюс-минус половинауглового шага реперных точек. Притаком задании допустимого угла поворота в технической документации фиксируют, что допустимый угол поворотагайки равен 910,5 граней гайки. Таким образом, угловОй шаг реперных точек должен быть соизмерим с допуском на угол поворота гайки или равен ему. В приведенном примере поледопуска угла поворота гайки 60 и угловой шаг реперных точек равен 60При таком соотношении между полем допуска угла поворота гайки и угловым 25шагом реперных точек достигается высокая точность замеров угла поворотагайки без применения специальногоинструмента,Для замера глубины вреэания зубча 3той лайбы с помощью реперных точек,равномерно расположенных по поверхности гайки, необходимо, чтобы глубина врезания зубчатой гайки былакратной, те, делилась без остатка,величина осевого перемещения гайки35при ее повороте в процессе затяжкина угол, равный угловому шагу реперных точек, Если кратности нет, тогдазамер угла поворота гайки с помощьюреперных точек затрудняется (требуется специальньш инструмент для замера остатка угла поворота),П р и м е р. Принимают, что глубина врезания зубчатой шайбы в мернуюшайбу равна 1,5 мм, лаг резьбовыхэлементов 1 мм, гайка выполнена шестигранной, контроль глубины врезания зубчатой шайбы производят по углу поворота, При контроле глубиныврезания зубчатой шайбы по углу по 50ворота гайки с учетом допуска на изготовление зубчатой шайбы и резьбгайки и болта допустимый угол поворота гайки Ы находится н пределах540130 или в гранях гайки й = 9+10,5 граней гайки. Навинчиванием гайки выбирают зазоры в пакете деталейи убеждаются в том, что зубчатая шайба касается мерной шайбы, Для этого после увеличения усилия навинчивания гайки на болт пытаются повернуть зубчатую шайбу относительно мерной лайбы или вместе детали относительно болта. Если свободного поворота не происходит, значит зазора между зубчатой шайбой и мерной шайбой нет. В этом положении гайки на вершине любого ребра грани гайки у поверхности зубчатой шайбы наносят краской метку, Рядом на поверхности детали также наносят краской метку так,чтобы метки располагались в одной плоскости, проходящей через ось болта, Эти две метки фиксируют начальное положение гайки относительно детали, в котором зубчатая шайба касается мерной шайбы. Затем производят затяжку реэьбового соединения вращением гайки с помощью ключа относительно болта, который удерживают неподвижным также с помощью ключа, Фиксируя факт поворота гайки на 360 (метка на гайке должна пройти мимо метки на детали), продолжают затяжку соединения до появления скачка момента затяжки. Затяжку прекращают. На поверхности детали наносят краской вторую метку так, чтобы эта метка и метка на гайке располагалась в одной плоскости, проходящей через ось вращения болта. Затем производят замер угла поворота гайки между двумя метками на детали, Этот угол должен равняться 180130 или между метками на детали должно располагаться 310,5 грани гайки, В случае, если угол поворота гайки находится в заданных пределах, соединение затянуто необходимым усилием затяжки.Замена замера пластической деформации одноосного сжатия мерной шайбы, возникающей при врезании в нее зубчатой шайбы, позволяет увеличить точность замера усилия затяжки соединения по сравнению с известным способом за счет увеличения эамеряемой величины деформации мерной шайбы при одних и тех же усилиях затяжки и размерах мерной шайбы, Так, например, пластическая деформация сжатия мерной лайбы, составляющая 20 от ее высоты, равной 2 мм, составляет 0,4 мм ( глубокая пластическая деформация, близкая к предельной, например, для стали 3). Врезание в такую же шайбу зубчатой шайбы тем же усилием затяжки можно осуществить наглубину 1,2-1,5 мм, т.е, замеряемыедеформации увеличиваются в 3 раза,Размеры зубьев - площадь их основания, высота, угол при вершине5клина - определяются в зависимостиот требуемого усилия затяжки соединения. Площадь поперечного сеченияи объем выемок должен быть не менееплощади поперечного сечения и объеОма зубьев для того, чтобы материалмерной шайбы в процессе вреэания внее зубчатой шайбы затекал в выемкии зубчатая шайба гарантировано опи 15ралась опорным пояском на мерную шайбу при врезании в нее на глубину,равнуи высоте зубьев зубчатой шайбы. В случае, если, например, толькообъем выемок будет не менее объемазубьев беэ наложения ограничения на20площадь поперечного сечения выемок,вытесненный зубом металл при малойплощади поперечного сечения выемкивыплескивается из выемки, препятст.,вуя контакту зубчатой шайбы с мернойшайбой по опорному пояску и создавая дополнительные площадки контакташайб, За счет этого нарушается функциональная эависиомть между глубиной30врезания зубчатой шайбы в мерную иусилием затяжки соединения и создаются условия для дальнейшей пластической деформации материала мернойшайбы в зонах выплеснутого металла впроцессе эксплуатации, точность затяжки соединения эа счет этого падает. При объеме выемок, меньшем,чем объем зубьев, проявляется тотже нежелательный эффект выплескаматериала мерной шайбы иэ выемок итолько при объеме канавок и площадиих поперечного сечения, не меньшихобъема и площади поперечного сечения зубьев, т.е. когда длина выемки соизмерима с длиной зубьев у ихоснования, вытесненный металл мерной шайбы затекает в выемки зубчатойшайбы без выплесков при врезаниизубчатой шайбы в мерную на глубинуравную высоте зубьев зубчатой шайбы.Площадь опорного пояска определяется из условия упругого деформирова.ния поверхности мерной шайбы, контактирующей с опорным пояском,Наличие опорного пояска, под которым упруго деформируется поверхность мерной лайбы после вреэанияв нее зубчатой шайбы на глубину, рав о п где Цо - усилие предварительнойзатяжки стержня резьбового элемента;йИ - наибольшее дополнительноеиусилие в стержне резьбового элемента, воспринимаемое пояском зубчатой шайбы.Так как в процессе затяжки соединения под зубьями зубчатой шайбы материал мерной шайбы находится в состоянии текучести, то при врезании зубчатой шайбы в мернуи на глубину, равнуи высоте зубьев зубчатой шайбы, усилие предварительной затяжки равно ч -гО т )фпредел текучести материала мерной шайбы; где нуи высоте зубьев, обеспечивает сохранность усилия затяжки соединения в процессе эксплуатации, а скачкообразное возрастание момента затяжки соединения в момент контакта опорного пояска с поверхностью мерной шайбы служит сигналом к прекращению процесса затяжки и контроля глубины врезания зубчатой шайбы в мерную шайбу.Площадь опорного пояска зубчатой шайбы определяется исходя из дополнительных усилий, возникающих в предварительно затянутых болтах под действием внешних растягивающих эксплуатационных нагрузок и напряжений сжатия мерной шайбы под опорным пояском, которые не должны превьппать предела пропорциональности материала мерной шайбы. В случае превьппения напряжений сжатия мерной шайбы под опорным пояском предела пропорциональности происходит дальнейшее вреэание зубчатой шайбы в мерную, появляются остаточные деформации мерной шайбы и происходит падение усилия затяжки болта.Площадь опорного пояска зубчатой шайбы определяется исходя из выражений для наибольшего усилия растяжения болта, допускаемого в затянутом соединении в процессе его эксплуатации.В предельном случае при раскрытии стыка стягиваемых деталей наибольшее усилие в болте И определяется по фор- мулеР - суммарная площадь основания зубьев зубчатой шайбы,Так как предельные напряжения в материале мерной шайбы под опорным пояском зубчатой шайбы не должны превышать предела пропорциональности материала мерной шайбы, то наибольшее дополнительное усилие в стержне резьбового элемента определяется по формуле 11 п 6 рРп где 6 р предел пропорциональностиматериала мерной шайбы;Р - площадь опорного пояскаизубчатой шайбы.Наибольшее усилие на стерженьрезьбового элемента определяется поформуле м =- Г 61 где 6 - допускаемое напряжение 25растяжения материала стержня резьбового элемента;Р - наименьшая площадь попе"6речного сечения стержняреэьбового элемента,Приравнивая выражение для И, определяемого через Цо, д Ч и и 6,Р 6, получают выражение для площадиопорного пояска мерной шайбы 30 РБ 6 Р бтХ тп 35 Формула и э о б р е т е н и я50 1, Резьбовое соединение с заданным усилием затяжки, содержащее болт и гайку и мерную шайбу, установленную под гайкой, о т л и ч а ю щ е е - с я тем, что, с целью повышения точности контроля усилия затяжки и удобства эксплуатации, оно снабжено зубчатой шайбой, установленной между Выражение для площади опорного пояска представлено в виде неравенства для того, чтобы и в предельном случае нагружения реэьбового соединения более надежно гарантировать сохранение усилия затяжки резьбового соединения.Предложенный способ контроля уси лия затяжки резьбового соединения позволяет повысить точность контроля и повышает удобство его применения. гайкой и мерной шайбой и выполненной с клинообразными зубьями и выемками со стороны мерной шайбы, при этом объем выемок не менее объема зубьев, а площадь опорной поверхности зубчатой шайбы выбирается иэ соотношенияР 66 - РзбтзРп 6Р где Р - наименьшая площадь попебречного сечения болта;6 р - допускаемое напряжениерастяжения материалаболта;Р - суммарная площадь основазний зубьев зубчатой шайбы;6 и 6 - предел текучести и пределпропорциональности материала мерной шайбы соответственно.2. Соединение по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что площадь поперечного сечения зубьев зубчатой шайбы не менее площади поперечного сечения выемок зубчатой шайбы.3. Соединение по пп.1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено набором калиброванных шайб, размещенных между мерной и зубчатой шайбами.4. Соединение по пп.1-3, о т л ич а ю щ е е с я тем, что гайка или головка болта выполнены с реперными точками, расположенными с равномерным угловым шагом.5, Способ контроля усилия затяжки реэьбового соединения, включающий регистрацию скачкообразного момента затяжки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что регистрацию скачкообразного возрастания момента затяжки осуществляют при соответствии глубины вреэания зубьев зубчатой шайбы в мерную шайбу высоте зубьев зубчатой шайбы.6. Способ по п.5, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что глубину вреэания зубьев зубчатой шайбы в мерную шайбу дополнительно контролируют по величине угла поворота гайки от момента касания зубьев зубчатой шайбы с мерной шайбой до скачкообразного возрастания момента затяжки.7. Способ по п.5, о т л и ч а ющ и й с я тем, что глубину вреэания зубьев зубчатой шайбы в мерную шайбу дополнительно контролируют по величине осевого перемещения гайки илидак Подписное аказ 7924/3 НИИПИ Госуд ГКНТ СС и открытиямаб., д. 4/5 ственного комитета по иэобретени 113035, Москва, Ж, Раушская,Ужгород, ул. Гагарина,1 изводственно-издательский комбинат Пате болта от момента касания зубьев зуб-. чатой шайбы с мерной шайбой до момента скачкообразного возрастания момента затяжки.8. Способ по пп.б и 7, о т л и5 ч а ю щ и й с я тем, что величина врезания зубьев зубчатой шайбы вмерную шайбу кратна величине осевого перемещения или углу поворотагайки или болта с момента касаниязубьев до скачкообразного возрастания момента затяжки.