4.1 Цель работы

Изучение распределения силовых факторов между элементами болтового соединения.

4.2 Задачи исследований

8. Изучить основные зависимости для определения геометрических и силовых параметров резьбовых соединений.

9. Изучить конструкцию и принципы работы экспериментальной установки.

10. Провести опытное определение распределения сил и деформаций в затянутом болтовом соединении.

11. Выполнить теоретические расчеты и обработку результатов.

12. Провести анализ теоретических и экспериментальных результатов и сделать необходимые выводы.

4.3 Ключевые слова и понятия

Соединения, силовое замыкание, разъемные соединения, резьба, деформации, податливость, коэффициент внешней нагрузки.

4.4 Объект исследования и оборудование

Универсальная лабораторная установка «Механические соединения», набор гаечных ключей, динамометрический ключ. Контрольно-измерительная система: персональный компьютер (Windows 2000/NT/XP, LabVIEW, APM WinMachine), датчики измерения усилий и перемещений.

4.5 Теоретическая часть

Резьбовые соединения относятся к разъемным и осуществляются с помощью резьбовых деталей – винтов, болтов, шпилек, гаек и иных деталей с нарезанной на них резьбой. Резьбовые соединения – наиболее распространенные в технике. Они удобны при сборке и разборке, технологичны, стандартизированы и взаимозаменяемы, доступны, позволяют легко регулировать плотность соединения. К их недостаткам относят необходимость увеличения размеров соединяемых деталей для размещения резьбовых деталей (например, выполнение фланцев), необходимость разработки конструкции с учетом свободного доступа инструмента (рожковых или торцевых ключей), возможность самоотвинчивания (опасность наступления которого возрастает при вибрациях, циклическом силовом и температурном нагружении).

Устройство и принцип работы резьбового соединения состоит в преобразовании вращательного движения в поступательное. Рабочей нагрузкой является усилие затяжки, т.е. осевая сила, появляющаяся при заворачивании резьбовой детали при приложении к ней внешнего крутящего момента (“момента на ключе”). Геометрия резьбовых деталей характеризуется профилем и направлением резьбы, наружным диаметром винта, шагом и заходностью. Особенности конструкции резьбового соединения состоят в следующем:

• реализуются максимально возможное передаточное число (для получения наибольшего выигрыша в силе затяжки);

• наличие самоторможения, т.е. после затяжки соединения и снятия внешнего крутящего момента резьбовые детали не должны сами выворачиваться, а затяжка – ослабляться. По условию самоторможения предпочтительны резьбы с треугольным профилем, однозаходные и, по возможности, не составляющие антифрикционную пару.

Различные условия применения резьбовых соединений сводятся к нескольким типовым случаям нагружения и, соответственно, различным критериям расчета их работоспособности:

1) стержень болта нагружен только внешней растягивающей силой, например крюки кранов для подвешивания грузов;

2) болт затянут, внешняя нагрузка отсутствует, например болты для крепления ненагруженных герметичных крышек и люков машин;

3) болтовое соединение нагружено силами, сдвигающими детали в стыке;

4) болт затянут, внешняя нагрузка раскрывает стык деталей.

Болты крепления крышек резервуаров (случай 4), в которых находятся под давлением жидкость или газ, должны удовлетворять тому условию, чтобы затяжка болтов должна обеспечить герметичность соединения или нераскрытие стыка деталей под нагрузкой (рисунок 4.1).

При затяжке болтового соединения в теле болта появляется осевая сила и он растягивается на величину . Соединяемые детали при этом сжимаются на величину(рисунок 4.2).

Рисунок 4.1  Схема болтового соединения

Рисунок 4.2 – Диаграмма затянутого болтового соединения,

нагруженного внешней силой

Угол наклона к оси абсцисс кривой зависимости деформации от приложенной нагрузки характеризует жесткостные свойства детали

[Н/м]; [Н/м]. (4.1)

Обратная жесткости величина называется податливостью

[м/Н]; [м/Н]. (4.2)

После приложения внешней нагрузки к затянутому соединению болт дополнительно растянется на некоторую величину , а деформация сжатия деталейуменьшиться на ту же величину. Иначе говоря, только часть внешней нагрузки дополнительно нагружает болт, а другая часть идет на разгрузку стыка.

Значение коэффициента внешней нагрузки χ определяют по условию равенства дополнительных деформаций болта и деталей (условие совместности деформаций)

; (4.3)

отсюда

, (4.4)

где  податливость болта, равная его удлинению при единичной нагрузке;  суммарная податливость соединяемых деталей.

Податливость болта

, (4.5)

где l  расчетная длина, равная свободной длине болта между опорными поверхностями, плюс половина длины свинчивания (высоты гайки) (рисунок 4.1); E_б  модуль упругости материала винта; A_б  площадь сечения болта.

Податливость 2-х соединяемых деталей

, (4.6)

где ,  соответственно толщины 1-ой и 2-ой соединяемой детали; E₁, E₂  модуль упругости деталей; A₁, A₂  площади сечений только той части деталей, которая участвует в деформации, то есть площадь соприкосновения деталей.

Применительно к деталям экспериментальной установки, где роль одной скрепляемой детали играет пластина, а второй детали – датчики сил с ответной пластиной, формулу можно переписать в виде

, (4.7)

где – податливость соединяемой пластины, – податливость упругих элементов датчиков сил, относительно которых ведутся измерения Н/м, – податливость корпуса; – податливость тяги Н/м.

Считая, что податливость корпуса намного меньше, чем пластины и датчиков окончательно для расчета податливости деталей в экспериментальной установке получаем

. (4.8)

Таким образом, приращение нагрузки на болт

, (4.9)

расчетная растягивающая нагрузка, действующая на болт

_(4.10)