Гвинт (від нім. Gewinde - нарізка, різьблення, через польськ. Gwint) - кріпильний виріб для з'єднання деталей, одна з яких може бути з внутрішнім різьбленням. Гвинт має вигляд стрижня із зовнішнім різьбленням на одному кінці і конструктивним елементом для передачі крутного моменту на іншому [1]. Передавальним зусилля елементом можуть бути різного роду головки, шліци в торці стержня тощо. Шуруп - це різновид гвинта, відрізняється тим, що має конічне звуження на кінці і більш рідкісну різьбу. Шуруп, який створює різьблення при укрученні, називається саморізами - в просторіччі «саморезом». Гвинт призначений для освіти нарізного сполучення або фіксації [1]. Крім з'єднання деталей, гвинти поряд з болтами можуть виконувати функцію осі обертових деталей, служити напрямної для прямолінійного або обертального руху і інших цілей [2].
Гвинтовий механізм був відомий ще в Стародавній Греції (як Архимедов гвинт). Пізніше гвинт був описаний грецьким математиком Архітом Тарентським. У I столітті до н. е. дерев'яні гвинтові передачі вже широко застосовувалися в країнах Середземномор'я в складі масляних і винних пресів. В Європі XV століття металеві гвинти в якості кріпильних виробів були дуже рідкісні, якщо взагалі були відомі [3]. Ручні викрутки (в оригіналі - фр. Tournevis [4]) з'явилися не пізніше 1580 року. хоча широке поширення вони отримали лише з початком XIX століття [5]. Спочатку гвинти були однією з численних різновидів кріплення в будівництві, і застосовувалися в плотницком і Кузнецькому ремеслах.
Широке поширення металевих гвинтів почалося після появи в 1760-1770 роках машин для їх масового потокового виготовлення [6]. Розвиток цих машин спочатку йшло двома шляхами: промислове виготовлення гвинтів по дереву на одноцелевой машині, і дрібносерійна штампування потрібних гвинтів майстрами на напівручному машинці зі змінною оснащенням.
Залежно від призначення існують:
- кріпильні гвинти (для роз'ємного з'єднання деталей);
- регулюючі гвинти (для взаємної фіксації деталей).
кріпильні гвинти
Найбільш поширеним типом гвинта в техніці є кріпильний гвинт. Такий гвинт є головною деталлю роз'ємного гвинтового з'єднання і являє собою стрижень з різьбленням на одному кінці і головкою на іншому.
Головка гвинта служить для притиснення деталей, що з'єднуються і захоплення гвинта викруткою. гайковим ключем. інбусовим ключем або іншим інструментом. Набули поширення кріпильні гвинти з круглою, шестигранною, квадратної і іншими головками. Різновид головки гвинта - секретка - застосовується для утруднення відкручування гвинта сторонніми. Наприклад, гвинт з одним або двома отворами на голівці (замість шліца), гвинти під Y-подібну викрутку і так далі. В СРСР на залізницях (кріплення колійних пристроїв) часто застосовувалися 5-гранні болти. Для автолюбителів продаються «секретки» для кріплення коліс автомобіля - всі вони, як правило, вимагають свого унікального нестандартного ключа.
У Росії механічні властивості болтів, кріпильних гвинтів і шпильок з вуглецевих нелегованих і легованих сталей по ГОСТ 1759.4-87 [7] (ISO 898 / 1-78) при нормальних умовах характеризують 11 класів міцності: 3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9. Перше число, помножене на 100, визначає номінальне тимчасовий опір в Н / мм², друге число (відокремлене крапкою від першого), помножене на 10, - відношення границі плинності до тимчасового опору у відсотках. Твір чисел, помножене на 10, визначає номінальний межа текучості в Н / мм². Найбільш поширені гвинти і болти з класом міцності 8.8 (нормальної міцності).
З'єднання деталей за допомогою гвинта і гайки називаються болтовими, а призначені для них гвинти, відповідно, болтами. Болти, як правило, мають шестигранну головку «під ключ».
При з'єднанні деталей, що мають неплоску поверхню, в місцях розташування гвинтів роблять припливи або роблять місцеву обробку ділянки поверхні, щоб опорні майданчики для головки гвинта і гайки були плоскими. В іншому випадку можливий перекіс з'єднання, що призведе до виникнення додаткових напружень і може викликати руйнування гвинта. В деталях з м'яких матеріалів для гвинтових з'єднань передбачають міцні втулки. В тонких деталях бажано провести місцеве потовщення під різьбу. При з'єднанні матеріалів з різними електричними потенціалами можуть бути використані втулки з ізоляційних матеріалів або неметалеві гвинти [8].
Регулюючі ніжки
Регулюючі ніжки застосовуються при необхідності зафіксувати взаємне розташування деталей відносно один одного. Для цього на кінцях мають різні виступи або заглиблення для кращої фіксації деталей, а також, у випадку необхідності здійснення або можливість, виготовляють спеціальні отвори під кінці настановних гвинтів.
Приклади решт настановних гвинтів:
Основними елементами гвинта є [1]:
- Циліндричний стрижень - частина гвинта, безпосередньо входить в отвір або вкручувати в матеріал. Стрижень частково або повністю покритий різьбленням. Довжина нарізної частини і глибина нарізки визначаються в залежності від матеріалу, з якого виготовлений гвинт і матеріалу деталей, що з'єднуються, а також від діаметра різьби [8].
- Головка - частина гвинта, що служить для передачі на нього крутного моменту. Має фаски під гайковий ключ або шліц для викрутки. Форми головки і шліца можуть бути дуже різноманітні.
форми головок
Види форми головок: a) плоска, b) опукла, c) кругла, d) грибовидная, e) потайна, f) напівпотайною
Залежно від призначення розрізняють такі основні форми головок:
- плоска;
- опукла;
- Кругла - зазвичай, в декоративних цілях; [10]
- Грибоподібна - низька головка сферичної форми;
- Потайна: конічна головка з плоскою зовнішньою поверхнею, призначена для утапливания в матеріал "урівень", широко використовується для шурупів;
- Напівпотайною: нижня частина - як у потайний, але верх - не плаский, а закруглений [10].
види шліців
Прямий (плоский) шліц
Запобігання від самовідгвинчування за допомогою шплінта
Незважаючи на те, що кріпильні різьби виготовляються таким чином, щоб кут підйому гвинтової лінії був менше, ніж кут тертя, гвинтові з'єднання все ж мають схильність до самовідгвинчуванню. Причиною цього служить робота таких з'єднань під дією динамічних навантажень. Вібрація, тряска, удари призводять до того, що тертя по різьбі між гвинтом і деталлю різко зменшується. Самовідгвинчування є важливою проблемою, яка може привести до серйозних наслідків. Було розроблено велику кількість найрізноманітніших способів, що запобігають самовідгвинчування. Їх можна розбити на наступні групи [13]:
- Запобігання шляхом створення підвищеного тертя у посадженого гвинта. Домагаються підвищення тертя або по різьбі, або між головкою гвинта і деталлю. Цих цілей досягають створенням додаткового тиску на гвинт. До подібних способів можна віднести використання контргаек (коли на основну гайку зверху садять ще одну, частіше меншої висоти), використання розрізних гайок (гайка складається з двох частин з окремими різьбами, окремі частини іноді можуть додатково стягуватися між собою гвинтом), використання гайок з пружним ущільненням (в гайках прокладено кільце пружного матеріалу, яке після установки тисне на гвинт), використання гумових шайб (збільшується тертя під головкою гвинта), використання поджима деталей, що з'єднуються пружинами (вн изу отвори, куди садиться гвинт, може бути встановлена пружина, яка стискається при закручуванні гвинта і потім тисне на нього, підвищуючи тертя по різьбі). Слід зазначити, що використання контргаек є не найефективнішим способом, як за експлуатаційними характеристиками, так і внаслідок того, що це призводить до перевитрати матеріалу - потрібно не тільки додаткову кількість гайок і довші гвинти, але часто і збільшення габаритів конструкції.
- Застосування пружних шайб, встановлюваних під головки гвинтів. Притиснута в ході загвинчування, така шайба прагне повернути колишній обсяг, створюючи додатковий тиск на різьбу в поздовжньому напрямку. У якості подібних шайб використовуються розрізні шайби, фасонні шайби з пружними ланками, спеціальні шайби пружного профілю. При застосуванні пружних шайб слід мати на увазі, що їх товщина не повинна бути занадто великою. В іншому випадку існує ймовірність появи ексцентриситету в напрямку утримує зусилля в гвинті, що може привести до відриву головки. Також до цієї групи можна віднести самостопорні гайки, які мають на нижній поверхні гострі краї. Врізаючись в матеріал деталі, такі гайки забезпечують більш міцну фіксацію. Однак, це справедливо тільки для невеликих навантажень.
- Використання шплінтів. штифтів. гвинтів і пластинчастих пружин.
- Застосування деформуються деталей. Подібні деталі і шайби мають відгинати частини, за допомогою яких можна створювати упор, що перешкоджає самовідгвинчуванню.
- Зміна форми головки або кінця гвинта, а також зміна форми деталей, що з'єднуються. В цьому випадку кінці гвинта можуть бути расклёпани, раскерновани або розігнуті в разі спеціальних гвинтів. Недоліком подібного роду захисту є погана розбірними з'єднання і найчастіше неможливість вторинного використання гвинтів.
- Застосування дротяних замків. Кілька гвинтів, встановлені на місце, можуть бути скріплені між собою за допомогою дроту, пропущеної через отвори в їх голівках. Міцно закручена, дріт буде перешкоджати самораскрутке.
- Застосування лаків або фарб. В цьому випадку у головки гвинта або гайки наносяться краплі лаку або фарби, які зчіплюють гвинт з деталлю. Також може бути застосована заливка фарбою втопленою головки гвинта.
Розрахунок гвинтових з'єднань
Величина крутного моменту, необхідного для обертання гайки по гвинту знаходиться з рівняння [14]:
При затягуванні гвинта або гайки в розрахунок також слід прийняти тертя між ними і поверхнею деталі.
Розрахунок на міцність гвинтових з'єднань здійснюється наступним чином [14]:
1. Випадок, коли на деталі, що з'єднуються гвинтом, діє сила, прикладена уздовж осі гвинта. В цьому випадку гвинт працює на розтяг, і рівняння міцності має вигляд:
- d 1> - внутрішній діаметр різьби;
- [Σ] p> - допустима напруга на розтяг для матеріалу гвинта.
По знайденому d 1> підбирають відповідний гвинт, а потім гайку.
2. У разі, коли доводиться здійснювати підтягування болта під дією осьового навантаження, в перетинах стрижня виникають додаткові напруги від розтягування і кручення. Їх враховують в загальному випадку за допомогою коефіцієнта запасу. Внутрішній діаметр болта в цьому випадку знаходиться за формулою:
3. Якщо крім міцності з'єднання потрібно забезпечити його щільність, величина зусилля, що діє на болт, буде знаходиться в залежності не тільки від прикладеної сили, а й від пружності з'єднувальних елементів, а також в облік слід брати величину необхідного попереднього затяжки, що визначає щільність з'єднання.
Можна розглянути два випадки.
а) Якщо болт з'єднує жорсткі деталі, то розрахункове зусилля P p = 2. 6 P = 2,6P> б) Якщо з'єднуються деталі пружні, то розрахункове зусилля P p = 2. 3 P = 2,3P>.Внутрішній діаметр нарізаною частини в обох випадках визначається за формулою:
4. З'єднання деталей, що знаходяться під дією поперечних навантажень. Можливі два випадки:
а) Гвинт (болт) поставлений в з'єднання без зазору (зазор між стінками отвору і стрижнем). У цьому випадку він розраховується на зріз і зминання за такими формулами:
- [Τ] c p. [Σ] c m, [\ sigma] _> - допустимі напруження на зріз і зминання матеріалу гвинта.
б) Болт поставлений в з'єднання з зазором. В цьому випадку затягування повинна бути значно сильніше, інакше станеться зсув і трапиться перекіс болта. Необхідно за допомогою затягування створити достатні сили тертя між стягують деталями. Розрахунок ведеться на деформацію розтягування і кручення:
У багатьох випадках різьблення в гвинтах призначають конструктивно. У цьому випадку її перевіряють на вигин за такими формулами [15]: