Резьбовое соединение на растяжение
Резьбовое соединение — крепёжное соединение в виде резьбы. Используется метрическая и дюймовая резьба различных профилей в зависимости от технологических задач соединения.
Характеристики резьбовых соединений[править | править код]
Достоинства:
- технологичность;
- взаимозаменяемость;
- универсальность;
- надёжность;
- массовость.
Недостатки:
- раскручивание (самоотвинчивание) при переменных нагрузках — требуется применение специальных устройств (средств) для предотвращения раскручивания.
- отверстия под крепёжные детали, как резьбовые, так и гладкие, вызывают концентрацию напряжений.
- для уплотнения (герметизации) соединения необходимо использовать дополнительные технические решения.
Коническая резьба обладает свойством герметичности и самостопорения.
Краткая история[править | править код]
Долгое время считалось, что резьбовое соединение, наряду с колесом и зубчатой передачей, является великим изобретением человечества, не имеющим аналога в природе. Однако в 2011 г. группа ученых из Технологического института Карлсруэ опубликовала в журнале Science статью о строении суставов у жуков-долгоносиков вида Тригоноптерус облонгус, обитающих на Новой Гвинее. Оказалось, что лапы этих жуков соединены с телом с помощью вертлуга, который ввинчивается в коксу (тазик) — аналог тазобедренного сустава у насекомых. На поверхности вертлуга расположены выступы, напоминающие конический винт. В свою очередь, поверхность коксы также снабжена резьбовой выемкой. Такое соединение обеспечивает более надежное крепление конечностей, чем шарнирное, и гарантирует ведущему древесный образ жизни насекомому большую устойчивость.
Первые крепёжные детали, имеющие резьбы, начали применяться в Древнем Риме в начале нашей эры. Однако из-за высокой стоимости они использовались только в ювелирных украшениях, медицинских инструментах и других дорогостоящих изделиях.
Широкое применение болты и гайки нашли в XV столетии. Они соединяли подвижные сегменты брони доспехов и части часовых механизмов. Станок немецкого первопечатника Иоганна Гутенберга, созданный в период между 1448 и 1450 годами, имел резьбовые соединения, детали его скреплены винтами.
Конгруэнтные винтам отдельные детали с резьбой на внутренней стенке цилиндра, специально служащие для крепления, то есть гайки, возникли лишь полторы сотни лет спустя. В начале семнадцатого столетия появилось резьбовое соединение, сходное с современным. Первоначально шаг резьбы был дюймовым, и только в начале XIX века французы ввели в обиход метрическую резьбу. Гайки нашли широкое применение в различных сферах техники, и, подобно всякому часто используемому предмету, стали совершенствоваться и изменяться по своей форме, размеру, материалу и функциональному предназначению. Возникли гайки квадратные, восьми- и шестигранные, колпачковые («глухие»), прорезные (корончатые), барашковые.
Классификация резьбовых соединений[править | править код]
- резьбовое соединение деталей с резьбой, нарезанной непосредственно на этих деталях, детали вкручиваются одна в другую;
- резьбовое соединение при помощи дополнительных соединительных деталей, например, болтов, шпилек, винтов, гаек и т.д;
- болтовое соединение;
- винтовое соединение;
- шпилечное соединение.
Болтовые соединения бывают[1]:
- на болтах обычной прочности
- на высокопрочных болтах
- сдвигоустойчивые соединения (фрикционные)
- с несущими болтами
Механические свойства резьбового соединения[править | править код]
Механические свойства болтов, крепёжных винтов и шпилек[править | править код]
Механические свойства болтов, крепёжных винтов и шпилек из углеродистых нелегированных и легированных сталей по [ГОСТ Р 52627-2006 (ISO 898-1:1999) при нормальных условиях характеризуют 11 классов прочности: 3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9[2]. Первое число, умноженное на 100, определяет номинальное значение предела прочности на растяжение в Н/мм², второе число (отделённое точкой от первого), разделенное на 10, — отношение предела текучести к номинальному пределу прочности на растяжение. Произведение этих чисел, умноженное на 10, определяет номинальный предел текучести в Н/мм².
Механические свойства гаек[править | править код]
Гайки из углеродистых нелегированных и легированных сталей по ГОСТ Р 52628-2006 (ISO 898-2:1992, ISO 898-6:1994) разделяются по классу прочности (d — номинальный диаметр резьбы):
- 4; 5; 6; 8; 9; 10; 12 — для гаек с нормальной высотой, равной или более 0,8d, и крупной резьбой;
- 5; 6; 8; 10; 12 — для гаек с нормальной высотой, равной или более 0,8d, и мелкой резьбой;
- 04; 05 — для гаек с номинальной высотой от 0,5d до 0,8d.
Класс прочности для гаек с нормальной высотой указывает на наибольший класс прочности болтов, с которыми они могут создавать соединение, то есть на первую из цифр в обозначении класса прочности соответствующего болта.
Для гаек с номинальной высотой от 0,5d до 0,8d первая цифра «0» указывает на более низкую нагрузочную способность резьбового соединения с такой гайкой, а вторая цифра, умноженная на 100, соответствует номинальному напряжению от пробной нагрузки при испытаниях.
| Болты | Применяемые гайки | Предел прочности на растяжение Rm, МПа | Предел текучести ReL, Rp0,2, МПа | Относительное удлинение после разрыва A, % | Ударная вязкость KU, Дж/см² | Твердость по Бринеллю, НВ | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Класс прочности | Марка стали[6] | Класс прочности | Марка стали[7] | |||||||
| номин. | мин. | номин. | макс. | |||||||
| 3.6 | 10, 10кп | 4 | Ст3кп, Ст3сп | 300 | 330 | 180 | 25 | — | 90 | 238 |
| 4.6 | 20 | 5 | 10, 10кп, 20 | 400 | 420 | 240 | 22 | 55 | 114 | 238 |
| 4.8 | 10, 10кп | 320 | 14 | — | 124 | |||||
| 5.6 | 30, 35 | 6 | Ст5, 15, 15кп, 35 | 500 | 520 | 300 | 20 | 50 | 147 | 238 |
| 5.8 | 10, 10кп, 20, 20кп | 400 | 10 | — | 152 | |||||
| 6.6 | 35, 45, 40Г | 8 | 20, 20кп, 35, 45 | 600 | 600 | 360 | 16 | 40 | 181 | 238 |
| 6.8 | 20, 20кп | 480 | 8 | — | ||||||
| 8.8 | 35, 35Х, 38ХА,45Г 40Г2, 40Х, 30ХГСА, 35ХГСА, 16ХСН, 20Г2Р | 9 | 35Х, 39ХА | 800 | 830 | 640 | 12 | 60 | 238 | 318 |
| 9.8 | 10 | 40Х, 40ХГСА, 16ХСН | 900 | 900 | 720 | 10 | 50 | 276 | 342 | |
| 10.9 | 12 | 30ХГСА | 1000 | 1040 | 900 | 9 | 40 | 304 | 361 | |
| 12.9 | 12 | 30ХГСА, 40ХН2МА | 1020 | 1200 | 1080 | 8 | 30 | 366 | 414 | |
Стопорение резьбового соединения[править | править код]
Стопорение — предотвращение самоотвинчивания.
Несмотря на то, что резьба резьбового соединения имеет угол подъёма винтовой линии намного меньше, чем угол трения, вибрация, переменные нагрузки, нарушение технологии способствуют рассоединению (самоотвинчиванию) деталей резьбового соединения. Для предотвращения этого применяются специальные устройства (средства, методы), такие, как:
- контрование;
- шплинтование;
- вязка (обвязка) проволокой;
- установка пружинной шайбы;
- установка стопорной шайбы с лапкой или носком;
- приварка, пайка, расклёпывание, кернение;
- нанесение на резьбу клея, лаков, краски;
- использование вязких элементов;
- использование гаек с некруглой резьбой;
- использование анкерных гаек.
Контрование[править | править код]
Создание дополнительного трения в резьбовом соединении при помощи контргайки. Дополнительно встречается и сочетание с другими способами, то есть контргайку шплинтуют, обвязывают проволокой, кернят и т. д. Самый простой способ стопорения, недостатком является двукратный расход гаек против положенного.
Шплинтование[править | править код]
Применение деформируемого элемента — шплинта. Шплинт — стальная проволока полукруглого сечения, сложенная вдвое в форме иглы. Для такого метода крепления применяются специальные шлицевые «корончатые» гайки, а в теле болта на заранее рассчитанном расстоянии (под крепление конкретной детали) сверлится отверстие под толщину конкретного типоразмера шплинта. Гайка затягивается с требуемым усилием, а затем доворачивается до совпадения ближайших шлицов с отверстием в болте, после чего вставляется шплинт, который и фиксирует гайку от отворачивания. Для предотвращения выпадения шплинта его выступающие усы просто разгибаются в противоположные стороны, а на порядочной технике усы обрезаются под строго заданную длину, загибаются в виде буквы «П» и выступающие концы плотно фиксируются в соседних свободных шлицах гайки.
При разборке резьбового соединения со шплинтом требуется специальный инструмент — шплинтодёр. Повторное использование шплинтов нежелательно, а в ряде случаев и категорически запрещено.
Также шплинты применяются не только для фиксации гаек, но и для малонагруженных безрезьбовых соединений типа ось-тяга, в которых свободно сочленённые детали шплинт удерживает от бокового перемещения (выпадания), обычно через шайбу.
Вязка (контровка) проволокой[править | править код]
Для резьбовых соединений, регулярно подвергающихся в процессе эксплуатации разборке, применяется способ фиксации от отворачивания контровочной проволокой (контровкой). В боковой грани гайки или шляпки болта (или иной подобной детали) просверливается отверстие, через которое пропускается контровочная проволока. Свободные концы проволоки свиваются «в косичку» и затем один конец пропускается в отверстие в неподвижной детали конструкции, предназначенного для контровки, либо до соседнего болта или гайки (парная контровка), и затем снова свивается. Такая свитая проволока туго в натяг и на заворачивание фиксирует резьбовое соединение.
Подобное крепление уже давно имеет самое широкое применение в мировой авиации, возник целый культ контровки и техническая культура исполнения[источник не указан 810 дней]. Контрятся абсолютно все электрические многоштырьковые разъёмы, замки электронных блоков, распределительные коробки, фланцевые соединения трубопроводов гидросистем, пневмосистем, системы воздушных сигналов, тяги датчиков, фильтры, ступичные гайки и ещё огромный ряд изделий на борту воздушного судна. Отечественной промышленностью выпускаются стальные контровочные проволоки на 0.5, 0.8, 1.0 и 2.0 мм.
Установка пружинной шайбы[править | править код]
Установка пружинной шайбы (так называемая шайба Гровера) под гайку или головку болта с созданием дополнительного натяжения в резьбе и предотвращением вращения соединительных деталей. Стопорящее действие шайбы Гровера основано на врезке острых кромок шайбы в прилегающие к ней поверхности при попытке отворачивания вплоть до начала снятия стружки, что препятствует неконтролируемому прокручиванию гайки или болта после затяжки либо незначительного расслабления резьбового соединения.
Установка стопорной шайбы с лапкой или носком[править | править код]
Стопорение шестигранных болтов и гаек с помощью загибания специальных элементов шайбы, для чего в оси (болте) прорезается шпон-паз (иногда делается углубление в теле фиксируемой детали).
Приварка, пайка, расклёпывание, кернение[править | править код]
Превращение резьбового соединения в условно разъёмное соединение, приваркой (пайкой) резьбы или гайки (головки болта) к конструкции или путём изменения профиля витка резьбы.
В случае, если разборка узла в эксплуатации не предусматривается, то для предотвращения отворачивания гаек иногда используют способ физического разрушения части резьбового соединения после затяжки, методом насечки специальным инструментом (керном).
Нанесение на резьбу клея, лаков, краски[править | править код]
Фиксация происходит за счёт адгезии (прилипания, сцепления) при затвердении (полимеризации) клея, лаков, краски.
Этот метод имеет такие достоинства, как быстрый, надёжный, защищает резьбу от внешних воздействий атмосферы. Недостатки: требуется очистить резьбу от грязи и масел перед нанесением на неё связующего состава, низкая химическая стойкость против органических растворителей, кислот и щелочей, а также разрушение связующего элемента от воздействия температуры.
Использование гаек с некруглой резьбой[править | править код]
Это очень простой способ, заключающийся в том, что обычную шестигранную гайку слегка сминают ударом молотка, резьбовое отверстие становится эллиптическим и завинчивается со значительным усилием.
При этом возможно повреждение антикоррозионного покрытия болта или шпильки.
Использование анкерных гаек[править | править код]
По сути метод похож на использование гаек с некруглой резьбой. Анкерные (самоконтрящиеся) гайки имеют разную конструкцию, общий смысл крепления заключается в том, что при заворачивании гайки конечная часть резьбы заходит с значительным сопротивлением, вызванным подпружиненными элементами конструкции гайки либо юбкой в форме эллипса.
Этот способ широко используется в авиации. Все многочисленные люки и панели на крыльях и фюзеляже, а также другие съёмные элементы конструкции на обшивке, не требующие частого вскрытия в процессе эксплуатации, привинчиваются винтами к анкерным гайкам, которые в свою очередь жёстко фиксируются (разными способами) во внутренних полостях конструкции планера. Такое резьбовое соединение может использоваться достаточно многократно без существенного ухудшения характеристик. Важным свойством является и то, что доступ к винтам возможен только с одной стороны, и другие способы стопорения резьбы конструктивно неприменимы.
См. также[править | править код]
- Резьба
- Крепёжные изделия
- Метиз
Примечание[править | править код]
- ↑ Александр Борисов. Болтовые соединения // Справочник строителя. Полный комплекс строительных и отделочных работ для сдачи дома в эксплуатацию. — М: Litres, 2006. — С. 164—168. — 336 с. — ISBN 5457479579. — ISBN 9785457479579.
- ↑ В утратившем силу в РФ стандарте ГОСТ 1497.4-87 существовал также класс прочности 6.6.
- ↑ Минимальный класс прочности гайки для данного класса прочности болта при создании болтового соединения.
- ↑ Стандарт, применяемый в автомобилестроении.
- ↑ ksi = 1000 psi = 6,895 MPa.
- ↑ ГОСТ Р 52627-2006 не определяет конкретные марки стали, указывая только на химический состав и некоторые механические свойства. Приведённые в таблице марки стали являются наиболее употребительными в технике для данных классов прочности.
- ↑ ГОСТ Р 52628-2006 не определяет конкретные марки стали, указывая только на химический состав и некоторые механические свойства. Приведённые в таблице марки стали являются наиболее употребительными в технике для данных классов прочности.
Литература[править | править код]
- Гулиа Н. В., Клоков В. Г., Юрков С. А. Детали машин. — М.: Академия, 2004. — С. 416. — ISBN 5-7695-1384-5.
- Богданов В. Н., Малежик И. Ф., Верхола А. П. и др. Справочное руководство по черчению. — М.: Машиностроение, 1989. — С. 864. — ISBN 5-217-00403-7.
- Под ред. Ишлинский А. Ю. Новый политехнический словарь. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. — С. 671. — ISBN 5-7107-7316-6.
Ссылки[править | править код]
- Исторические очерки — Болты и гайки
Источник
Прочность является основным критерием работоспособности резьбовых соединений.
Под действием осевой силы в стержне болта (винта) возникают напряжения растяжения, в теле гайки — сжатия, в витках резьбы — смятия, среза.
Чаще всего разрушение (отказ) болтов, винтов, шпилек происходит по первому или второму витку резьбы, считая от опорного торца гайки; реже — в области сбега резьбы и в подголовочном сечении; для мелких резьб возможен срез витков.
Все стандартные болты, винты и шпильки с крупным шагом резьбы являются равнопрочными на разрыв стержня по резьбе, на срез резьбы и отрыв головки.
Поэтому расчет на прочность резьбового соединения проводят только по одному основному критерию — прочности резьбовой части стержня при растяжении:
где F0 — осевая сила, растягивающая болт (винт); [о]р — допускаемое напряжение при растяжении (см. § 6.10); Ар — расчетная площадь поперечного сечения нарезанной части болта, винта (см. сечение А — А на рис. 6.29).
Это сечение сложное по конфигурации и его площадь на 20…30 % больше площади круга диаметром dy Поэтому стандартом принята номинальная расчетная площадь Ар поперечного сечения болта (винта):
где dp — условный расчетный диаметр резьбы болта (винта):
94
где d2 — средний диаметр резьбы; d3* — внутренний диаметр резьбы болта по дну впадины (см. табл. 6.1).
Высота Н гайки определяется из условия равнопрочности ее витков резьбы на срез и стержня болта на растяжение. В соответствии с этим высота нормальных стандартных гаек (см. рис. 6.19, а):
где d — номинальный диаметр резьбы.
Длину болта, винта и шпильки выбирают в зависимости от толщины соединяемых деталей.
Остальные размеры деталей резьбового соединения (гайки, шайбы и др.) принимают, исходя из номинального диаметра d резьбы, который определяется расчетом и принимается по стандарту.
Основные случаи расчета на прочность стержня болта (винта) при различных нагружениях резьбовых соединений.
Случай I. Винт затянут силой внешняя нагрузка не действует. Примером являются винты для крепления крышек корпусов механизмов и машин (см. рис. 19.3).
В момент затягивания винт испытывает растяжение и скручивание.
Напряжение растяжения от силы F0:
Напряжение скручивания от момента Тс сил сопротивления в резьбе:
Эквивалентное напряжение в стержне по гипотезе энергии формоизменения:
* По стандарту при уточненных расчетах резьбы на прочность при определении диаметра J3pac4 учитывается верхнее отклонение es среднего диаметра d2 резьбы:
^Зрасч = ^Зтабл — 1е4
Отношение напряжений:
Приняв для метрической резьбы с крупным шагом средние значения d2 = l,ldp, |/ = 2°30′, а также/= 0,2 (при у = 30°, к/ар = 0,5. Тогда с учетом этих значений:
Таким образом болт (винт), нагруженный только силой F0 затяжки и, следовательно, работающий на совместное действие растяжения и кручения, можно рассчитывать только на одно растяжение от действия не силы затяжки F0, а увеличенной с учетом скручивания расчетной силы FpaC4 болта.
Для метрических резьб в среднем
Для трапецеидальных резьб FpaC4 = 1,25F0.
Для упорных и прямоугольных резьб Fpac4 = 1,2F0.
Минимально допустимое значение расчетного диаметра d’ резьбы болта (винта) определяют из условия прочности:
откуда
где [о]р — допускаемое напряжение при растяжении (см. § 6.10).
Проектировочный расчет: 1. При неконтролируемой затяжке требуемый коэффициент [s]T запаса прочности зависит от диаметра d резьбы болта, поэтому в начале расчета приближенно задаются номинальным диаметром d резьбы болта и по табл. 6.4 принимают [s]T.
2. В зависимости от характера резьбового соединения принимают класс прочности болта, марку стали и ее предел текучести ат (см. табл. 6.3).
Рис. 6.29. Винтовая стяжка
- 3. Вычисляют допускаемое напряжение [а]рпри растяжении стержня болта по формуле (6.9).
- 4. Определяют расчетную силу FpaC4 болта [формула (6.12)].
- 5. Находят минимально допустимое значение расчетного диаметра dp резьбы болта по формуле (6.13).
- 6. По стандарту (см. табл. 6.1) принимают диаметры резьбы d, d2 и dy По формуле (6.10) определяют расчетный диаметр dp принятой резьбы.
Проверяют условие dp > d’p.
Если в результате расчета получают диаметр d, который не лежит в ранее принятом интервале диаметров, то задаются новым значением d и расчет повторяют (метод последовательных приближений).
Приведенный выше расчет применяют также и для винтовых стяжек (рис. 6.29).
Последовательность расчета изложена в решении примера 6.2.
Пример 6.2. Винтовая стяжка имеет два резьбовых отверстия с правой и левой метрической резьбой крупного шага (см. рис. 6.29). Определить номинальный диаметр резьбы винтов, если соединение нагружено силой F0 = 20 кН. Затяжка неконтролируемая.
Решение. Проектировочный расчет.
- 1. Для резьбового соединения с неконтролируемой затяжкой по табл. 6.4 принимаем [s]T = 3, предполагая, что номинальный диаметр d резьбы находится в интервале 16…30 мм.
- 2. Для неответственного резьбового соединения по табл. 6.3 принимаем класс прочности винтов 4.6, материал винтов — сталь марки 20 с т = = 240 Н/мм2.
- 3. Допускаемое напряжение при растяжении при действии на винтовую стяжку постоянной нагрузки [формула (6.9)]:
4. Расчетная сила для винтов [формула (6.12)]:
5. Минимально допустимое значение расчетного диаметра резьбы винтов
[формула (6.13)]:
6. По табл. 6.1 принимаем резьбу М24 х 3, для которой d2 = 22,051 мм; d2 = 20,319 мм. По формуле (6.10) dp = (d2 + d3)/2 = (22,051 + 20,319)/2 = = 21,185 мм > dp = 20,3 мм.
Условие dp > dp выполняется.
Для винтов стяжки принимаем две резьбы: М24 х 3 (правая) и М24 х 3 — LH (левая).
Случай II. Болтовое соединение нагружено сдвигающей силой F.
Чаще всего в таком соединении болт ставят в отверстия деталей с зазором 1…2 мм (рис. 6.30). При затяжке болта на стыке деталей возникают силы трения, которые препятствуют их относительному сдвигу.
Внешняя сдвигающая сила /’непосредственно на болт не передается.
Необходимая сила F0 затяжки болта:
где К — 1,4…2 — коэффициент запаса по сдвигу деталей (большее значение при переменных нагрузках); / — коэффициент трения; для стальных и чугунных поверхностей f — 0,15…0,20; / — число стыков (на рис. 6.30 / = 2)’, z — число болтов.
При затяжке болт работает на растяжение и скручивание, поэтому расчетную силу FpaC4 болта определяют по формуле (6.12).
Рис. 6.30. Болтовое соединение, нагруженное сдвигающей силой F
Проектировочный расчет. Номинальный диаметр d резьбы болта определяют так же, как в первом (I) случае расчета резьбовых соединений (см. § 6.11).
Последовательность расчета изложена в решении примера 6.3.
Пример 6.3. Стальные полосы соединены с помощью двух болтов, поставленных в отверстия с зазором, и нагружены постоянной сдвигающей силой F= 2,8 кН (см. рис. 6.30). Соединение неответственное. Затяжка неконтролируемая. Определить для болтов размеры метрической резьбы с крупным шагом.
Решение. Проектировочный расчет.
- 1. Для болтового соединения с неконтролируемой затяжкой по табл. 6.4 принимаем [Дт = 3,5, предполагая, что номинальный диаметр резьбы находится в интервале 16…30 мм.
- 2. Для неответственного соединения по табл. 6.3 принимаем класс прочности болтов 4.6, материал болтов — сталь марки 20 с от = 240 Н/мм2.
- 3. Допускаемое напряжение растяжения [формула (6.9)]:
- 4. Принимаем коэффициент запаса по сдвигу листов К= 1,6 и коэффициент трения /= 0,16. Число стыков i — 2 (см. рис. 6.30).
- 5. Необходимая сила затяжки болта [формула (6.14)]:
6. Расчетная сила затяжки болта [формула (6.12)]:
Рис. 6.31. Способы разгрузки резьбовых деталей от сдвигающих сил
7. Минимально допустимое значение расчетного диаметра резьбы болта [формула (6.13)]:
По табл. 6.1 принимаем резьбу М16 х 2, для которой d2 — 14,701 мм; d2 — 13,546 мм. По формуле (6.10) dp = (d2 + d2)/2 =
- — (14,701 + 13,546)/2 = 14,123 мм > d’p =
- — 13 мм. Условие dp > d’p выполняется.
Болты с резьбой М16 х 2 пригодны.
Из решения примера 6.3 следует, что в болтах, поставленных с зазором, сила F0 затяжки значительно больше сдвигающей силы F (в примере 6.3 FQ = 2,5/гпри двух стыках соединения), что требует применения болтов больших диаметров или большего их числа.
Для уменьшения силы затяжки болта при нагружении соединения сдвигающей силой применяют различные замки, втулки, штифты и др. (рис. 6.31). Роль
Рис. 6.32. Соединения болтами, поставленными без зазора
болта (винта) в таких случаях сводится к обеспечению плотного соединения деталей.
Для уменьшения диаметров болтов применяют также болты, поставленные без зазора в отверстия из-под развертки для соединения деталей с центрированием их относительно друг друга (рис. 6.32).
Диаметр d0 гладкого стержня таких болтов на 1…2 мм больше наружного диаметра d резьбы.
Стержень болта шлифуют, а отверстия в деталях обрабатывают разверткой.
Болт устанавливают в отверстия с натягом.
Болты могут быть (см. рис. 6.32) цилиндрическими (а) или конусными (б).
Небольшая затяжка соединения гайкой предохраняет болт от выпадания и увеличивает несущую способность соединения за счет трения на стыке, которое в расчете не учитывают.
При проектировочном расчете диаметр d0 стержня болта определяют из условия прочности при срезе:
где F — внешняя сдвигающая сила; / = 1…2 — число плоскостей среза (на рис. 6.32 / = 1); z — число болтов; [т]ср — допускаемое напряжение при срезе стержня болта [формула (6.9а)].
При небольшой толщине 5 (см. рис. 6.32) соединяемых деталей выполняют проверочный расчет на смятие поверхностей контакта стержня болта с деталями (см. курс «Сопротивление материалов»).
Сравнивая нагрузочную способность болтов, нагруженных сдвигающей (поперечной) силой F, следует отметить, что 10 болтов, поставленных с зазором в отверстия деталей при коэффициенте трения / = 0,17, можно заменить одним болтом того же диаметра, юо
Рис. 6.33. Схема для расчета болтового соединения:
а — болт затянут, соединение не нагружено; б — болт затянут, соединение нагружено
поставленным без зазора (однако стоимость соединения значительно повышается из-за сложности его получения).
На практике для уменьшения числа болтов (винтов), поставленных в соединении с зазором, часто применяют разгрузочные устройства (см. рис. 6.31).
Случай III. Болтовое соединение предварительно затянуто при сборке и нагружено внешней осевой растягивающей силой. Этот случай соединения часто встречается в машиностроении при креплении крышек цилиндров (рис. 6.33), находящихся после сборки под давлением, головок блоков цилиндров ДВС, крышек подшипниковых узлов и т. п.
Обозначим: F0 — сила предварительной затяжки болта при сборке; F — внешняя растягивающая сила, приходящаяся на один болт.
Предварительная затяжка болта при сборке должна обеспечить плотность соединения и нераскрытое стыка после приложения внешней (рабочей) силы F.
При действии на затянутое соединение внешней осевой растягивающей силы F детали соединения работают совместно: часть внешней силы х/7 дополнительно нагружает болт, остальная часть (1 — %)F — разгружает стык.
Здесь % — коэффициент основной (внешней) нагрузки.
Задача о распределении нагрузки между болтами и стыком является статически неопределимой и решается из условия совместности перемещений болта и соединяемых деталей до раскрытия стыка.
Под действием внешней растягивающей силы болт дополнительно удлиняется на А/б (см. рис. 6.33, б). На то же значение А/д = = А/б уменьшается деформация сжатия деталей.
По закону Гука упругие удлинения (укорочения) прямо пропорциональны приращениям нагрузок, т. е.
где Хб и Хд — податливости соответственно болта и соединяемых деталей, численно равные изменениям длин под действием сил в 1 Н. Из курса «Сопротивление материалов» известно, что для бруса постоянного сечения
где I, Е, Л — соответственно длина, модуль продольной упругости и площадь поперечного сечения стержня (см. [11]).
Так как Д/6 = Д/д, то X6xF = — l)F, откуда
Суммарная сила, действующая на болт (см. рис. 6.33),
Для снижения дополнительной нагрузки xF на болт желательны малые значения %, для чего болт должен быть податливым (длинным и малого диаметра в ненарезанной части, см. рис. 6.15, б), а детали стыка — жесткими (массивными, без прокладок). В этом случае почти вся внешняя сила F идет на разгрузку стыка и мало нагружает болт.
При большой податливости деталей стыка (наличие толстых упругих прокладок) и малой податливости болта (короткий и большого диаметра) большая часть внешней силы F передается на болт.
Для ответственных соединений коэффициент % основной нагрузки находят экспериментально.
В приближенных расчетах принимают:
для соединений стальных и чугунных деталей без упругих прокладок х =
для соединений стальных и чугунных деталей с упругими прокладками (паронит, резина, картон и др.) % = 0,3…0,4.
Формула (6.16) справедлива до момента раскрытия стыка деталей и нарушения плотности соединения.
Минимальная сила предварительной затяжки болта, обеспечивающая нераскрытие стыка деталей,
102
Практически предварительная сила затяжки болта F0 должна быть больше F0min.
Из условия нераскрытая стыка соединяемых деталей принимают
где KydT — коэффициент запаса предварительной затяжки: при постоянной нагрузке Кзат = 1,5…2; при переменной нагрузке Кзат = 2,5…4.
При расчете болта на прочность в формуле (6.16) необходимо учесть влияние момента Тг сил сопротивления в резьбе при затяжке (см. § 6.11).
Расчетная сила болта с учетом влияния скручивания при затяжке:
Проектировочный расчет. Номинальный диаметр d резьбы болта определяют так же, как в первом случае расчета резьбовых соединений.
Последовательность расчета изложена в решении примера 6.4.
Пример 6.4. Определить размеры метрической резьбы с крупным шагом для болтов, крепящих крышку газового резервуара (см. рис. 6.33), если сила давления газа на крышку FK — 60 кН, число болтов z — 8. Нагрузка постоянная. Материал прокладок — паронит. Затяжку болтов производят динамометрическим ключом.
Решение. Проектировочный расчет.
- 1. Для резьбового соединения с контролируемой затяжкой принимаем [s]r= 2 (см. § 6.10).
- 2. Для соединения общего назначения по табл. 6.3 принимаем класс прочности болтов 5.6, материал болтов — сталь марки 35 с от = 300 Н/мм2.
- 3. Допускаемое напряжение растяжения [формула (6.9)]:
4. Нагрузка на один болт
5. Для обеспечения герметичности соединения устанавливают парони- товую прокладку, а болты затягивают с силой, обеспечивающей нераскры- тие стыка. Принимаем: Кзат — 1,5; % = 0,35 (см. § 6.11).
Сила предварительной затяжки [формула (6.17)]:
6. Расчетная сила [формула (6.18)]:
7. Минимально допустимое значение расчетного диаметра резьбы болта
[формула (6.13)]:
8. По табл. 6.1 принимаем резьбу М12 х 1,75, для которой d2 = 10,863 мм;
d3 = 9,853 мм.
По формуле (6.10) dp = (d2 + d3)/2 = (10,863 + 9,853)/2 = 10,358 мм > > d’p = 10,1 мм. Условие dp > d’p выполняется.
Болт с резьбой М12 х 1,75 пригоден.
Источник