Расчет ненапряженных болтовых соединений

Напряженное соединение не подвергается предварительной затяжке, в нем отсутствуют внутреннее напряжение при нулевой внешней полезной нагрузке.

Напряженные соединения работают с предварительной затяжкой, в них имеются внутренние (иногда значительные) напряжения при нулевой внешней полезной нагрузки.

В этом случае в болтах отсутствуют напряжения, вызванные предварительной затяжкой.

Различают три случая:

Случай 1. Нагруженные только осевым усилием.

Рис. 8.6 Нагружение винта только осевыми силами

Расчёт сводится к определению внутреннего диаметра (d₁) резьбы болта, по напряжению на разрыв. Такой случай встречается редко. К болтам этой категории относятся те из них, которые находятся под действием силы тяжести, например, резьбовой конец грузового крюка. Расчётное уравнение имеет вид:

;

отсюда:

(а)

Зная внутренний диаметр d₁ резьбы по таблицам ГОСТ подбираются все остальные параметры деталей болтового соединения.

Случай 2. Болт испытывает растяжение и кручение.

Рис. 8.7 Винтовая стяжка

Простейший вид стяжки представляет собой две серьги с правой и левой резьбой, соединённых стержнем. При вращении стержня под нагрузкой специальным ключом серьги сближаются и, таким образом, кроме растягивающего усилия (Р) возникает скручивающий момент в резьбе (M_K), который должен преодолеть момент трения в резьбе (M_P).

.

Эквивалентное напряжение при работе стержня болта на растяжение и кручение имеет вид:

.

Здесь:

.

Для стандартных конструкций болтов можно применять d₂ ≈ 1,12; для болтов диаметром до 50 мм tgφ ≈ 0,0143 – 0,0433 и при среднем значении tgφ ≈ 0,2; получим и σ_ЭКВ = 1,3σ_Р.

Следовательно, болт, работающий одновременно на растяжение и кручение можно рассчитывать только на растяжение по допускаемому напряжению, уменьшенному в 1,3 раза, или по расчётной силе, увеличенной по сравнению с силой, растягивающей болт, в 1,3 раза.

Тогда:

Случай 3. Расчёт болта при действии поперечной нагрузки.

В этом случае нагрузка действует перпендикулярно оси болта. Соединения имеют две конструктивные разновидности:

болт устанавливается в отверстии с зазором
(Рис. 8.8);

болт устанавливается в отверстии без зазора.
(Рис. 8.9);

В первом случае болт работает на растяжение и должен стягивать детали на столько, чтобы обеспечить необходимую силу трения (Nf) между ними, которая должна препятствовать их скольжению относительно друг друга. В случае сдвига деталей болт начнёт работать на изгиб и срез.

Рис. 8.8 Схема для расчета болта, установленного с зазором,
нагруженного поперечной силой

Рис. 8.9 Схема для расчета болта, установленного без зазора,
нагруженного поперечной силой

Чтобы избежать сдвиг, сила трения (Nf) между деталями должна быть больше силы (Р), т.е.

.

Таким образом, сила на которую следует рассчитывать болт при поперечных нагрузках резко возрастает, а размеры болтов будут громоздкими.

.

Для разгрузки болтов от работы на поперечную силу применяются различные разгрузочные устройства, например, конический штифт и др. (Рис. 8.10). В этом случае, штифт работает на срез, а болт на растяжение. Конструкция значительно облегчается.

Рис. 8.10 Соединение с болтами, разгруженными от сдвига
а – шпонкой и втулкой; б – круглой шпонкой и штифтом

Во втором случае, когда болт установлен без зазора, тело болта работает на срез и смятие.

Сила Р срезает болт. Расчёт ведут на срез по наружному диаметру d₀.

Величина P обычно задаётся. Зная Р определим d₀:

.