Винт (деталь)

Винт (от нем. Gewinde — нарезка, резьба, через польск. gwint) — крепёжное изделие для соединения деталей, одна из которых может быть с внутренней резьбой. Винт имеет вид стержня с наружной резьбой на одном конце и конструктивным элементом для передачи крутящего момента на другом[1]. Передающим усилие элементом могут являться различного рода головки, шлицы в торце стержня и тому подобное. Шуруп — это разновидность винта, отличается тем, что имеет коническое сужение на конце и более редкую резьбу. Шуруп, создающий резьбу при вкручивании, называется самонарезающим винтом — в просторечии «саморезом». Винт предназначен для образования резьбового соединения или фиксации[1]. Кроме соединения деталей, винты наряду с болтами могут выполнять функцию оси вращающихся деталей, служить направляющей для прямолинейного или вращательного движения и прочих целей[2].

Винтовой механизм был известен ещё в Древней Греции (как Архимедов винт). Позднее винт был описан греческим математиком Архитом Тарентским. В I веке до н. э. деревянные винтовые передачи уже широко применялись в странах Средиземноморья в составе масляных и винных прессов. В Европе XV века металлические винты в качестве крепёжных изделий были очень редки, если вообще были известны[3]. Ручные отвёртки (в оригинале — фр. tournevis[4]) появились не позднее 1580 года, хотя широкое распространение они получили только с началом XIX века[5]. Первоначально винты были одной из многочисленных разновидностей крепежа в строительстве, и применялись в плотницком и кузнецком ремёслах.

Широкое распространение металлических винтов началось после появления в 1760—1770 годах машин для их массового поточного изготовления[6]. Развитие этих машин поначалу шло двумя путями: промышленное изготовление винтов по дереву на одноцелевой машине, и мелкосерийная штамповка нужных винтов мастерами на полуручной машинке со сменной оснасткой.

Наиболее распространённым типом винта в технике является крепёжный винт. Такой винт является главной деталью разъёмного винтового соединения и представляет собой стержень с резьбой на одном конце и головкой на другом.

Головка винта служит для прижатия соединяемых деталей и захвата винта отвёрткой, гаечным ключом, шестигранным ключом (шестигранником) или другим инструментом. Получили распространение крепёжные винты с круглой, шестигранной, квадратной и другими головками. Разновидность головки винта — секретка — применяется для затруднения откручивания винта посторонними. Например, винт с одним или двумя отверстиями на головке (вместо шлица), винты под Y-образную отвёртку и так далее. В СССР на железных дорогах (крепление путевых устройств) часто применялись 5-гранные болты. Для автолюбителей продаются «секретки» для крепления колёс автомобиля — все они, как правило, требуют своего уникального нестандартного ключа.

В России механические свойства болтов, крепёжных винтов и шпилек из углеродистых нелегированных и легированных сталей по ГОСТ 1759.4-87[7] (ISO 898/1-78) при нормальных условиях характеризуют 11 классов прочности: 3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9. Первое число, умноженное на 100, определяет номинальное временное сопротивление в Н/мм², второе число (отделённое точкой от первого), умноженное на 10, — отношение предела текучести к временному сопротивлению в процентах. Произведение чисел, умноженное на 10, определяет номинальный предел текучести в Н/мм². Наиболее распространены винты и болты с классом прочности 8.8 (нормальной прочности).

Соединение деталей с помощью винта и гайки называются болтовыми, а предназначенные для них винты, соответственно, болтами. Болты, как правило, имеют шестигранную головку «под ключ».

При соединении деталей, имеющих неплоскую поверхность, в местах расположения винтов делают приливы или делают местную обработку участка поверхности, чтобы опорные площадки для головки винта и гайки были плоскими. В противном случае возможен перекос соединения, что приведёт к возникновению дополнительных напряжений и может вызвать разрушение винта. В деталях из мягких материалов для винтовых соединений предусматривают прочные втулки. В тонких деталях желательно произвести местное утолщение под резьбу. При соединении материалов с различными электрическими потенциалами могут быть использованы втулки из изоляционных материалов или неметаллические винты[8].

Установочные винты применяются при необходимости зафиксировать взаимное расположение деталей относительно друг друга. Для этого на концах имеют различные выступы или углубления для лучшей фиксации деталей, а также, если имеется необходимость или возможность, изготавливают специальные отверстия под концы установочных винтов.

Виды формы головок: a) плоская, b) выпуклая, c) круглая, d) грибовидная, e) потайная, f) полупотайная

В зависимости от предназначения различают следующие основные формы головок:

Несмотря на то, что крепёжные резьбы изготавливаются таким образом, чтобы угол подъёма винтовой линии был меньше, чем угол трения, винтовые соединения всё же имеют склонность к самоотвинчиванию. Причиной этого служит работа таких соединений под действием динамических нагрузок. Вибрация, тряска, удары приводят к тому, что трение по резьбе между винтом и деталью резко уменьшается. Самоотвинчивание является важной проблемой, которая может привести к серьёзным последствиям. Было разработано большое количество самых разнообразных способов, предотвращающих самоотвинчивание. Их можно разбить на следующие группы[13]:

Величина крутящего момента, требуемого для вращения гайки по винту находится из уравнения[14]:

При затягивании винта или гайки в расчёт также следует принять трение между ними и поверхностью детали.

Расчёт на прочность винтовых соединений производится следующим образом[14]:

1. Случай, когда на детали, соединяемые винтом, действует сила, приложенная вдоль оси винта. В этом случае винт работает на растяжение, и уравнение прочности имеет вид:


2. В случае, когда приходится осуществлять подтягивание болта под действием осевой нагрузки, в сечениях стержня возникают дополнительные напряжения от растяжения и кручения. Их учитывают в общем случае с помощью коэффициента запаса. Внутренний диаметр болта в этом случае находится по формуле:


3. Если помимо прочности соединения требуется обеспечить его плотность, величина усилия, действующего на болт, будет находится в зависимости не только от приложенной силы, но и от упругости соединяемых элементов, а также в учёт следует брать величину необходимого предварительного затяга, определяющего плотность соединения.

Внутренний диаметр нарезанной части в обоих случаях определяется по формуле:


4. Соединение деталей, находящихся под действием поперечных нагрузок. Возможны два случая:

а) Винт (болт) поставлен в соединение без зазора (зазор между стенками отверстия и стержнем). В этом случае он рассчитывается на срез и смятие по следующим формулам:


б) Болт поставлен в соединение с зазором. В этом случае затяжка должна быть значительно сильнее, иначе произойдёт сдвиг и случится перекос болта. Необходимо с помощью затяжки создать достаточные силы трения между стягиваемыми деталями. Расчёт ведётся на деформацию растяжения и кручения:

Во многих случаях резьбу в винтах назначают конструктивно. В этом случае её проверяют на изгиб по следующим формулам[15]: