Расчеты резьбы на прочность

Основные виды разрушения резьбы:

• крепежных − срезание витков;
• ходовых − износ витков.

Основные критерии работоспособности и расчета

•  для крепежной резьбы − прочность, связанная с напряжениями среза ,
• для ходовой резьбы − износостойкость, связанная с напряжениями смятия  .

 При одинаковом материале винта и гайки по напряжениям среза рассчитывают только резьбу винта.

Высота гайки и глубина завинчивания

 Равнопрочность резьбы и стрежня винта является одним из условий определения высоты стандартных гаек.

 Прочность резьбы для нормальных и высоких гаек превышает прочность стрежня винта.

 Стандартные высоты гаек  и глубина завинчивания исключает необходимость расчетов на прочность резьбы стандартных крепежных деталей.

Расчеты на прочность стрежня винта при различных видах нагружения

 Стрежень винта нагружен только внешней растягивающей силой

 Опасное сечение − сечение, ослабленное резьбой. Площадь сечения приблизительно оценивают по внутреннему диаметру  резьбы .

Болт затянут, внешняя нагрузка отсутствует

 Пример: болты для крепления ненагруженных герметичных крышек и люков корпусов машин. Стрежень болта растягивается осевой силой  , возникающей от затяжки болта, и закручивается моментом сил в резьбе. Прочность болта определяется по эквивалентным напряжениям.

 Болты М10...М12 можно разрушить при некачественно выполненной затяжке. Болты М6 разрушаются при силе 45Н, М12 при силе 180Н, в среднем и тяжелом машиностроении не рекомендовано применять  болты меньшие М8.

Болтовое соединение нагружено силами, сдвигающими детали

 Условие надежности соединения − отсутствие сдвига деталей в стыке.

Болт поставлен с зазором

 Внешняя нагрузка   уравновешивается силами трения в стыке, образованными от затяжки болта.

 В соединении, в котором болт поставлен с зазором, внешняя нагрузка не передается на болт. Поэтому болт рассчитывается только на статическую прочность по силе затяжки даже при переменной нагрузке (влияние переменной нагрузки учитывается повышением коэффициентов запаса).

Болт поставлен без зазора

 В этом случае отверстие калибруют разверткой, а диаметр стрежня болта выполняют с допуском, обеспечивающим  посадку без зазора. При расчетах силы трения в стыке не учитывают, потому что затяжка болта не обязательна (болт можно заменить штифтом). Стрежень болта рассчитывают по напряжениям среза и смятия.Расчеты на смятие проводят по условным напряжениям.

 Расчеты выполняют по самому большому напряжению смятия, а допускаемые напряжения определяют по наиболее слабому из материалов болта или детали.

Установка болта с зазором

• дешевле (не нуждается в точных размерах);
• условия работы хуже (расчетная нагрузка превышает внешнюю нагрузку; вследствие нестабильности коэффициента трения и тяжести контроля затяжки робота таких соединений при нагрузке сдвига недостаточно надежная).

Болт затянут, внешняя нагрузка раскрывает стык деталей

 Пример: болты для крепления крышек резервуаров, нагруженных давлением жидкости или газа. Затяжка болтов должна обеспечивать герметичность соединения или нераскрытие стыка под нагрузкой.
После приложения внешней нагрузки к затянутому соединению болт дополнительно растягивается на некоторую величину, а деформация сжатия деталей уменьшается и эту ту же величину.

 Достаточная предварительная затяжка  , которая обеспечивает нераскрытие стыка деталей, является условием надежности и герметичности соединения.

 Факторы, влияющие на нераскрытие стыка:

• качество обработки поверхности (для ответственных деталей применяют шлифование);
• число поверхностей стыка (чем больше поверхностей стыка, тем хуже);
• качество поверхности и точность резьбы (грубая резьба сминается и уменьшает силу затяжки);
• надежность способа стопорения;
• качество прокладок (упругие прокладки лучше сохраняют затягивание в стыке).

Таким образом, целесообразно сильно затягивать соединения, особенно при переменных нагрузках.

Эффект эксцентричного болта

 Эксцентричная нагрузка возникает в случаях непараллельности опорных поверхностей детали и гайки или головки болта. Кроме напряжений растяжения возникают напряжения изгиба и эксцентричная нагрузка может в значительной мере уменьшить прочность болта.

 Меры, позволяющие устранить эксцентричную нагрузку:

• планирование неравных поверхностей;
• подкладывание под гайку косую шайбу и т.п.

Расчеты соединений, включающих группу болтов

Расчеты приводится к определению расчетной нагрузки для наиболее нагруженного болта.
Предположение:

• поверхности стыка остаются плоскими;
• поверхности стыка имеют минимум две оси симметрии, а болты  расположены симметрично относительно этих осей;
• все болты одинаковы и одинаково втянуты.

 Равнодействующая нагрузка перпендикулярна плоскости стыка и проходит через его центр тяжести.

 Типичный случай соединения круглых и прямоугольных крышек, нагруженных давлением жидкости или газа. При этом болты затягивают, чтобы обеспечить плотность соединения. Все болты соединения  нагружены одинаково.

Нагрузка соединения сдвигает детали в стыке

 Пример: крепление кронштейна. При расчетах силу заменяют такой же силой, приложенной в центре тяжести стыка, и моментом  . Нагрузка от силы R распределяется по болтам равномерно  . Нагрузка от момента распределяется по болтам пропорционально их деформациям при повороте кронштейна, пропорционально расстояниям болтов от центра тяжести стыка, являющимся центром поворота.

Болты поставлены  без зазора

 Нагрузка воспринимается непосредственно болтами. Прочность болтов и деталей рассчитывается по напряжениям среза и смятия.

Болты поставлены  с зазором

 Нагрузки воспринимаются силами трения в стыке, для образования которых болты затягивают.

 Приблизительно считают, что равнодействующая сил трения приложена к центру соответствующего отверстия.

 Соединение будет прочным (детали не сдвинутся), если равнодействующая сил трения под каждым болтом не меньше, чем соответствующая равнодействующая сил

Нагрузка соединения раскрывает стык деталей

Пример: крепление кронштейнов, стоек и т.п. Силу R раскладываем на составляющие, действие которых  заменяют действием сил, приложенными к центру стыка, и действием момента.   Возможность раскрытия стыка и сдвига деталей устраняется затяжкой болтов.

Расчеты из условия нераскрытия стыка.

До приложения нагрузки R затяжка в стыке образовывалась напряжениями смятия.

Расчеты из условия отсутствия сдвига деталей стыка (проверочный)

Если условие отсутствия сдвига не выполняется, это означает, что условие нераскрытия стыка не является решающим и затяжку нужно определять из условия отсутствия сдвига или ставить болты без зазора.

 При больших нагрузках сдвига применяют специальные устройства, разгружающие стык (болты ставятся с зазором и воспринимают только раскрывающую стык нагрузку):

• штифты;
• втулки;
• шпонки;
• упоры.

Материал

• Сталь Ст3
• Низкоуглеродистые стали (сталь 10 ... сталь 35) − для стандартных крепежных деталей (изготовление методом холодной высадки  или штамповки с последующей накаткой резьбы);
• Легированные стали (35Х, 30ГСА) – для высоконагруженных деталей при переменных или ударных нагрузках, высоких температурах, в агрессивных средах.

 Для повышения прочности, коррозийной устойчивости, жаропрочности применяют специальные виды термической и химико-термической обработки, нанесение гальванических покрытий, например, улучшение, цинковое или кадмиевое хромирование, хромовое или медное покрытие и т.п.

Формат: pdf

Язык: русский, украинский

Размер: 1,5 МВ