Новости

Jan 31, 2024

Анализ болтовых соединений на предмет зажимной нагрузки и напряжения в суставах

Рисунок 1. На этом снимке экрана показан анализ FEA автомобильного дифференциала.

Рисунок 1. На этом снимке экрана показан анализ методом FEA корпуса автомобильного дифференциала при ожидаемой нагрузке. Как это часто бывает, наибольшее напряжение возникает из-за натяжения болта (в данном случае действующего на два резьбовых отверстия). Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Кевино

На этом графике сравнивается контактное давление с пределом текучести при сжатии для винта с шестигранной головкой и винта с фланцевой головкой. Области контактного давления основаны на предположении о равномерной нагрузке в размере 75 процентов от минимальной условной нагрузки на площади контакта 0,18 и 0,52 квадратных дюйма. Верхний и нижний край каждой области — это давление, оказываемое винтом класса 8 и класса 5 соответственно. Источник: Peak Innovations Engineering.

Эти сканы чувствительной к давлению пленки показывают распределение давления под головкой ½-дюймового болта, затянутого с усилием 5000 фунтов. Фото предоставлено компанией Peak Innovations Engineering

На этих фотографиях чувствительной к давлению пленки показано распределение давления по опорной поверхности гайки с шестигранной головкой (вверху) и винтов с шестигранной головкой с фланцем от двух разных поставщиков (в центре и внизу). Это исследование было предпринято, когда винт с шестигранным фланцем, использованный на рисунке 3, неожиданно показал, что давление сконцентрировано на краю зазорного отверстия, а не на внешнем диаметре фланца. Фото предоставлено компанией Peak Innovations Engineering

Этот график иллюстрирует проблему неравномерной нагрузки зажима, показывая распределение давления по двум цилиндрам (2,25 дюйма в диаметре и 2 дюйма в длину), зажатым винтом ½ дюйма-13 и гайкой. Даже при такой толщине пиковое давление по-прежнему на 40 процентов выше, чем можно было бы предсказать, разделив натяжение болта на площадь контакта на поверхностях соединения. График предоставлен Peak Innovations Engineering

Этот анализ FEA показывает напряжение в сопрягаемой резьбе. Источник: «Анализ напряжений болтовых соединений», Ласло Мольнар и др. ал.

Рисунок 7. На этом графике суммированы расчетные значения зацепления резьбы относительно номинального диаметра крепежного элемента для ряда распространенных материалов гаек. Фото предоставлено компанией Peak Innovations Engineering

Многие важные моменты при разработке болтовых соединений часто упускаются из виду. Хотя оценка натяжения болтов, достигаемого для данной стратегии затяжки, безусловно, является общей задачей, влияние нагрузки на компоненты соединения менее полно обсуждается и понимается.

Одна из причин, по которой резьбовые крепления так широко используются, заключается в том, что они могут создавать огромную нагрузку на зажим на небольшой площади. Зажимная нагрузка занимает центральное место, поскольку это механизм, с помощью которого компоненты соединения удерживаются вместе, не перемещаясь относительно друг друга, что, возможно, является основным требованием структурного соединения. Однако размещение большой нагрузки на небольшой площади создает высокий уровень напряжения, что, в свою очередь, может привести к проблемам. Например, болт ½–20 класса 8 может обеспечить зажимную нагрузку почти 20 000 фунтов. Стандартный подшипник с шестигранной головкой на стандартном отверстии с зазором 9/16 дюйма означает, что вся эта нагрузка будет действовать на площадь размером лишь в половину десятицентовой монеты. Возникающее напряжение превышает предел текучести большинства материалов. Аналогия - эффект, который каблуки с шипами могут оказать на деревянные полы.

В этой статье будет рассмотрено влияние натяжения болта на две противоположные области, по которым распределяется эта нагрузка — под головкой или гайкой и в сопрягаемой резьбе. Например, на рисунке 1 показан анализ методом конечных элементов (FEA) корпуса автомобильного дифференциала. Как это часто бывает, наибольшие напряжения действуют на резьбовые отверстия.

За исключением отсутствия испытаний для определения натяжения болта и возникающей в результате нагрузки на зажим, превышение предела текучести при сжатии материала под головкой болта или гайкой является наиболее распространенным отклонением от рекомендуемой практики проектирования. Наиболее распространенной целью затяжки болтов является достижение 75 процентов испытательной нагрузки болта. Используя в качестве иллюстрации винт с шестигранной головкой ½-13, на рис. 2 показано давление, которое будет создаваться при натяжении болта на сопрягаемый материал, при условии, что зазор стандартного отверстия составляет 9/16 дюйма. Затем он сравнивает это давление с расчетным пределом текучести при сжатии обычных стальных элементов зажима с различным диапазоном твердости.