Расчет болтов, винтов и шпилек при действии переменных нагрузок.

Болты, винты и шпильки, находящиеся под действием переменных нагрузок, рассчитывают на усталость. При действии переменных нагрузок болты ставят на рабочее место с предварительной затяжкой. В отдельных случаях возможна их последующая затяжка при рабочем режиме.

В большинстве случаев переменная внешняя нагрузка на болт изменяется по отнулевому циклу. Так, например, нагружены шатунные болты. Максимальное значение переменной внешней нагрузки, действующей на болтовое соединение и изменяющейся от 0 до F, распределяется между болтом и стыком таким образом, что на болт приходится часть ее, равная χF (см. рис. 1), где χ - коэффициент внешней нагрузки, определяемый по формуле

chi=lambda_d/(lambda_b+lambda_d)

График силы
Рис. 1

Таким образом, если на болт действуют сила предварительной затяжки F, и переменная внешняя сила, изменяющаяся от 0 до χF (см. рис. 1), то напряжение начальной затяжки болта σ3 вызываемое силой F3 (см. рис. 2),

sigma_3=F_3/A_1

амплитуда напряжения цикла
sigma_a={chi F}/2A_1

среднее напряжение цикла
sigma_m=sigma_3+sigma_a

и максимальное напряжение цикла
sigma_max=sigma_m+sigma_a

или
sigma_max=sigma_3+2sigma_a

где A1 - площадь поперечного сечения болта но внутреннему диаметру резьбы.

График напряжение от времени
Рис. 2

Расчет на усталость болтов, находящихся под действием переменных нагрузок, производится как проверочный обычно по коэффициенту запаса прочности по амплитуде, а иногда и по коэффициенту запаса прочности по максимальному напряжению.

Для осуществления этого расчета болт предварительно рассчитывают из условия статической прочности при отсутствии последующей затяжки пр формуле

d_1=1,13sqrt{F_p/delim{[}{sigma_p}{]}}

и при возможности последующей затяжки — по формуле
d_1=1,3sqrt{F_0/delim{[}{sigma_p}{]}}

где допускаемое напряжение на растяжение p] болта определяют по формуле
delim{[}{tau_c}{]}=(0,2...0,3)sigma_T

Затем по вышеприведенным формулам последовательно вычисляют значения F3, χF, σ3, σa и σmax. После этого болт рассчитывают на усталость.

При вычислении по формуле

sigma_3=F_3/A_1

напряжения начальной затяжки σ3 болта необходимо иметь в виду, что оно не должно превосходить допускаемого напряжения затяжки, которое принимается 3]=(0,4...0,6)σT (в некоторых случаях допускается 3≤0,8σT), где σT — предел текучести материала болта при растяжении.

Так как коэффициент чувствительности к асимметрии цикла напряжений ψ6 для болтов очень мал, то расчет болта на усталость по запасу прочности по амплитуде производится по формуле, аналогичной формуле

S_sigma={sigma_{-1}}/delim{[}{{K_sigma sigma_a}/{K_d K_v}+psi_sigma sigma_m}{]}

но без учета коэффициента Kv:
S_a={K_d sigma_{-1p}}/{K_sigma sigma_a}>=delim{[}{S_a}{]}

а расчет болта на усталость по запасу прочности по максимальному напряжению осуществляется по формуле
s=sigma_T/sigma_max>=delim{[}{S}{]}

где Sa — действительный коэффициент запаса прочности по амплитуде;
[Sa] - допускаемый коэффициент запаса прочности по амплитуде;
s — действительный коэффициент запаса прочности по максимальному напряжению;
[S]
Кd — коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения;
σ-1p — предел выносливости материала болта при растяжении при симметричном цикле напряжений;
К σ > — эффективный коэффициент концентрации напряжений;
σt — предел текучести материала болта.

Значение σ-1p рекомендуется определять по формуле

sigma_{-1p}=0,35sigma_v

Предел текучести материала болта σT принимают по соответствующему ГОСТу. Значения масштабного коэффициента Кd для болтов представлены в виде графика на (рис. 3). Коэффициент Kσ для болтов из углеродистой стали с метрической резьбой принимают равным 4...6 (меньшее значение относится к болтам с d≤16 мм, большее значение к болтам с d≥24 мм), для накатанных резьб значения Kσ уменьшают на 20...30%. Допускаемые коэффициенты запаса прочности принимают: [Sa]=2,5...4 и [S]≥1,25.

График коэффициента
Рис. 3

Как следует из формул

S_a={K_d sigma_{-1p}}/{K_sigma sigma_a}>=delim{[}{S_a}{]}

и
s=sigma_T/sigma_max>=delim{[}{S}{]}

прочность болтов при переменных нагрузках и выбранном материале может быть повышена при данном σmax уменьшением значения σa и концентрации напряжений. Кроме того, прочность этих болтов повышается при улучшении распре деления нагрузки между витками резьбы.

Как видно из рис. амплитуда напряжений σa тем меньше, чем меньше действующая на болт переменная нагрузка χF. Для уменьшения этой нагрузки необходимо уменьшить коэффициент внешней нагрузки χ, что, как это следует из формулы

chi=lambda_d/(lambda_b+lambda_d)

достигается уменьшением податливости соединяемых болтом деталей и увеличением податливости болта. Из этой формулы видно, что податливость болта при определенных для него материале и длине увеличивается с уменьшением диаметра стержня болта. Поэтому диаметр стержня болта в ненарезанной части иногда делают равным (0,8...1,05)d1.

Уменьшения концентрации напряжений в болтах достигают в первую очередь применением плавных переходов у их головки и сбега резьбы.

Уменьшения концентрации напряжений в нарезанной части болтов достигают также выполнением впадин резьбы с закруглениями радиусом r=(0,15...0,22)Р, где Р - шаг резьбы.

Гайка работающая на растяжение
Рис. 4

Прочность болтов значительно повышается при применении специальных гаек, работающих на растяжение (рис. 4). При таких гайках распределение нагрузки между витками резьбы более равномерное, чем при обычных гайках, работающих на сжатие. Вследствие высокой стоимости специальные болты и гайки улучшенных конструкций применяют лишь в особо ответственных резьбовых соединениях.






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.