Результат интеллектуальной деятельности: КРЕПЕЖНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Изобретение относится к машиностроению, в частности к высокоресурсным и герметичным болтовым и болт-заклепочным соединяемым деталям.

Известно болтовое и болт-заклепочное соединение с радиальным натягом по стержню крепежа со стандартной потайной головкой 90°±1° и соответствующим гнездом к ней 90°±30' (Ярковец А.И. и др. Конструктивно-технологические особенности выполнения соединений болтами с потайными головками при высоких радиальных натягах. Авиационная промышленность №1, 1975).

Однако такое соединение имеет недостаточную усталостную долговечность и герметичность вследствие зазора между головкой крепежа и зенкованным гнездом, обусловленного разностью углов и выступов на конической поверхности головки крепежа от штамповки крестообразного шлица, несоосностью и непараллельностью осей головки крепежа и гнезда, а также перекосом гнезда по сравнению с соединением с выступающей головкой. Кроме того, снижение усталостной долговечности этих соединений вызывает высокий коэффициент концентрации напряжений в зоне сопряжения конической и цилиндрической поверхностей, а также возможной щелевой коррозией материала под головкой крепежа.

Известен крепеж для соединения деталей из стеклопластика, содержащий резьбовую часть и головку. Для обеспечения герметичности соединения на торцевой поверхности головки, обращенной к соединяемой детали, выполнены концентрические заостренные кольцевые выступы, имеющие на вершине насечку (Авторское свидетельство №297812 кл. F16b 35/04 от 4.06.1971). Однако такая конструкция крепежа обеспечивает недостаточную герметичность, так как остается зазор вдоль стержня крепежа в зоне насечки на вершинах выступов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности к достигаемому результату является крепеж «заклепка-кольцо», содержащий заклепку и кольцо, снабженное кольцевыми выступами на опорных торцах кольца (Патент Великобритании №1.266.893, кл. F16b 19/08 от 15.03.1972). Этот крепеж также обладает недостатком, поскольку скользящая посадка кольца на стержень заклепки не обеспечивает полной герметичности соединения.

Известно также соединение с высокой усталостной прочностью, содержащее болт с потайной конической головкой, угол которой составляет 70°, при этом отверстие в детали со стороны головки крепежа имеет зенковку с углом конуса на 4° больше угла конуса головки болта (Патент Великобритании №1.312.882, кл. F16B 5/02, 5/04; 19/046 35/04 от 11.04.1973). Однако при такой малой разнице углов конуса головки болта и зенкованного гнезда практически исключается возможность обеспечения гарантированного контактного давления по всей поверхности головки болта. Вследствие этого соединение недостаточно герметично и подвержено воздействию коррозии.

Цель изобретения: разработка крепежа, позволяющего повысить усталостную долговечность и герметичность соединения за счет создания гарантированного натяга в соединении по всей конической поверхности гнезда; предупредить коррозионное воздействие на материал детали в зоне головки крепежа; дополнительно повысить усталостную долговечность и герметичность соединения местным глубоким пластическим деформированием материала вокруг кромки отверстия посредством внедрения кольцевого выступа конической формы на опорной поверхности шайбы, устанавливаемой с радиальным натягом на стержень крепежа при приложении к гайке нормированного крутящего момента в болтовом соединении или усилия обжатия кольца в болт-заклепочном соединении.

Указанные цели достигаются за счет того, что в крепежном соединении, содержащем стержень, снабженный потайной головкой, установленный в отверстие соединяемых деталей, шайбу, гайку или обжимное кольцо, согласно заявляемому изобретению потайная головка выполнена с углом конусности α в пределах от 20° до 45°, а глубина H₀ гнезда под потайную головку и его угол конусности α₀ равны

,

,

где H - высота потайной головки; α - угол конусности потайной головки; Δ_Г=D-D₀ - номинальный натяг по потайной головке; Δ=d-d₀ - номинальный натяг по стержню; D и D₀ - соответственно диаметры потайной головки и гнезда под потайную головку; d и d₀ - диаметры стержня и отверстия под стержень соответственно. При этом диаметр потайной головки D больше диаметра гнезда D₀ на 0,8÷2,5%, а угол конусности потайной головки больше угла конусности гнезда под потайную головку на 2°÷3°. Этим создается большой натяг и, как следствие этого, высокие контактные давления, обеспечивающие герметичность соединения.

Кроме того, на торцевой поверхности шайбы выполнен кольцевой выступ и кольцевые впадины, симметрично расположенные относительно кольцевого выступа. Кольцевой выступ в сечении имеет форму равнобедренного треугольника высотой 0,5÷1 мм и углом при вершине в пределах от 30°÷60°. Такие размеры и форма кольцевого выступа позволяют обеспечивать упрочнение местным глубоким пластическим деформированием соединяемой детали за счет возникающих технологических остаточных сжимающих напряжений. При приложении крутящего момента к гайке или усилия обжатия кольца происходит внедрение кольцевого выступа в соединяемую деталь на некотором расстоянии от кромки отверстия. Кроме того, при внедрении кольцевого выступа создается высокое контактное давление, обеспечивающее герметичность соединения.

Внутренний диаметр шайбы меньше диаметра стержня крепежа на 0,5÷1,5% в зависимости от материала шайбы, а натяг от этого обеспечивает дополнительную герметичность соединения. При этом входная внутренняя кромка шайбы выполнена конической с углом конусности 10°÷1,5° и глубиной, равной 1/4 толщины шайбы.

На фиг.1 и фиг.2 показано исходное положение стержня 3 (болт и болт-заклепка соответственно) перед запрессовкой; на фиг.3 и фиг.4 - запрессованный в пакет стержень с шайбой (болт и болт-заклепка соответственно); на фиг.5 - шайба с кольцевым выступом; на фиг.6 и фиг.7 - соединение после сборки (болтовое и болт-заклепочное соответственно); на фиг.8 - болтовое соединение с выступающей головкой после сборки.

Крепежное соединение содержит соединяемые детали 1 и 2, стержень 3, установленный в отверстие пакета, гайку (кольцо) 4 и шайбу 5. Стержень выполнен с потайной головкой 6 с углом конусности в пределах от 20° до 45°. Пунктирные линии обозначают положение исходных недеформированных стенок отверстий.

Диапазон углов конусности потайной головки от 20° до 45° установлен ввиду следующих факторов. При углах конусности потайной головки менее 20° ухудшаются условия работы детали с зенкованным гнездом 1 при действии нагрузки на отрыв. Потайная головка с углом конуса более 45° оказывает очень слабое воздействие в качестве клина для создания требуемого контактного давления (радиального и осевого) под головкой. В интервале угла конусности потайной головки 20°÷45° реализуется процесс упругопластического деформирования сопрягаемых деталей и обеспечиваются условия для создания высоких контактных давлений по поверхности потайной головки, обеспечивающие герметичность и высокую усталостную долговечность соединения.

Кроме того, в рекомендуемом интервале угла конусности потайной головки существенно уменьшается концентрация напряжений в районе сопряжения конической и цилиндрической поверхностей верхней детали, что также позволяет повысить усталостную долговечность соединения.

Из условия обеспечения требуемой стяжки пакета и надежной работы детали с зенкованным отверстием на отрыв интервал угла конусности потайной головки крепежа 20°÷30° является предпочтительным для элементов соединения «крепеж-пакет» в сочетании из материалов сталь (титановый сплав)-титановый сплав, а интервал углов 30°÷45° - из материалов сталь (титановый сплав)-алюминиевый сплав.

Диаметр конусообразной потайной головки крепежа D больше соответствующего исходного диаметра гнезда D₀ на 0,5÷2,5%, за счет чего возникают упругопластические деформации в сопрягаемых деталях (головка крепежа-деталь с зенкованным отверстием), как следствие этого, высокие контактные давления, обеспечивающие повышение усталостной долговечности, коррозионной стойкости и герметичности соединения.

Глубина H₀ гнезда под потайную головку и угол ее конуса α₀ равны

,

,

где H - высота потайной головки; Δ=d-d₀ - номинальный натяг по стержню; Δ_Г=D-D₀ - номинальный натяг по потайной головке; d и d₀ - диаметр стержня и отверстия; D и D₀ - диаметр потайной головки и гнезда.

На одной из опорных поверхностей шайбы 5 выполнен концентрический кольцевой выступ 7 и кольцевые впадины 8, симметрично расположенные относительно выступа. Кольцевой выступ имеет в поперечном сечении форму равнобедренного треугольника высотой 0,5÷1 мм в зависимости от толщины соединяемой детали 2 и с углом при вершине в пределах 28°÷30° для шайбы из стали и 55°÷60° для шайбы из алюминиевого сплава. Такие размеры и форма кольцевого выступа 7 позволяют обеспечивать местное глубокое пластическое деформирование детали 2 для получения требуемого уровня остаточных сжимающих напряжений.

Материал, перемещаемый кольцевым выступом по мере внедрения его в деталь 2, заполняет кольцевые впадины 8, что позволяет обеспечить плотное прилегание шайбы к поверхности соединяемой детали и полное внедрение кольцевого выступа. В результате создаются высокие контактные давления в зоне клина, обеспечивающие повышение усталостной долговечности соединения и его герметичность.

Внутренний диаметр шайбы 5 меньше диаметра стержня крепежа на 0,5÷0,8% для шайбы из стали и на 0,8÷1,5% для шайбы из алюминиевого сплава, а входная внутренняя кромка шайбы выполнена конической с углом конуса 15°, что обеспечивает качественную посадку ее с радиальным натягом на стержень крепежа с созданием гарантированного уплотнения контактных поверхностей «шайба-стержень».

Установка шайбы 5 с кольцевым выступом с натягом на стержень крепежа, установленного с зазором в отверстие соединяемых деталей фиг.8, также обеспечивает повышение усталостной долговечности и герметичности соединения. При этом исключается необходимость применения дополнительных герметизирующих материалов, что приводит к снижению массы и стоимости конструкции.

Выполнение соединений в пакете деталей осуществляется следующим образом. В зенкованное отверстие соединяемых деталей устанавливают стержень 3 с соблюдением соосности стержня и отверстия. Затем стержень 3 запрессовывается или затягивается в пакет деталей 1 и 2, при этом потайная головка устанавливается заподлицо с поверхностью детали 1. На выступающую из пакета часть стержня устанавливается шайба 5. Затем при стяжке пакета посредством гайки или обжимного кольца происходит перемещение шайбы 5 в продольном направлении с реализацией натяга и внедрением кольцевого выступа 7 до плотного прилегания шайбы к поверхности детали 2.

Для оценки эффективности предлагаемых конструктивных решений были проведены испытания на усталостную долговечность и герметичность односрезных образцов соединений из алюминиевого сплава Д16Т при циклической нагрузке . Для сравнения проведены испытания таких же образцов соединений, выполненных болтами со стандартной головкой с углом конуса 90° с радиальным натягом, равным 1%.

Усталостная долговечность образцов соединений с углом конуса головки болта 20° составила N_p=(2,8÷16)10⁴ циклов до разрушения, а для соединений со стандартной головкой - N_p=(1,5÷9)10⁴ циклов.

Экспериментально определен условный коэффициент герметичности соединения К_Г в виде отношения числа циклов нагружения до разгерметизации N_Г к числу циклов до разрушения Np

Коэффициент герметичности соединений для болтов с углом конуса головки 20° составил K_Г=0,9÷1, а для болта со стандартной головкой K_Г=0,4÷0,6.

Результаты испытаний образцов соединений с болтом с выступающей головкой (фиг.8), установленного с зазором в соединяемые детали, и с шайбой из 30ХГСА с кольцевым выступом показали, что усталостная долговечность их при составила N_p=11·10⁴ циклов, а соединений болтом со стандартной шайбой составила N_p=10⁴ циклов. При этом условный коэффициент герметичности соединений с шайбой с кольцевым выступом и со стандартной шайбой соответственно равны К_Г=1 и K_Г=0.

Использование изобретения позволит повысить усталостную долговечность конструкции с предлагаемыми крепежными соединениями в 24÷10 раз по сравнению с усталостной долговечностью стандартных соединений, повысить коррозионную стойкость и герметичность, исключив при этом необходимость применения дополнительных герметизирующих материалов.