Характеристика болтового соединения

Силовые зависимости

В ЗАТЯНУТОМ РЕЗЬБОВОМ соединении

Цель работы

Определение зависимости между осевой силой затяжки F_А и моментом завинчивания Т_зав резьбового соединения при заданных параметрах резьбы, материале болта, виде его термической обработки и классе прочности.

Общие сведения

При завинчивании гайки, в соединении действует момент Т_зав , создаваемый ключом и уравновешивающий моменты трения в резьбе Т_р и на торце гайки Т_Т :

.

(2.1)

В результате затяжки гайки в стержне болта возникает осевое усилие F_А и окружная сила F_t , действующая по касательной к среднему диаметру резьбы.

Из теории резьбовой пары известно, что

	;	(2.2)
	,	(2.3)

где d₂ - средний диаметр резьбы; y - угол подъёма винтовой линии резьбы; r¢ - приведённый угол трения в резьбе, соответствующий приведённому коэффициенту трения

,

где f - коэффициент трения на горизонтальной плоскости; g - угол профиля витка резьбы. При g = 60^о (метрическая резьба) f¢ = 1,15 f

,

(2.4)

где f_Т - коэффициент трения на торце гайки и опорной втулки; D_СР - условный средний диаметр опорной поверхности гайки (рис. 2.1):

(2.5)

где S - наружный размер опорной поверхности гайки (размер «под ключ»); d₀ - диаметр отверстия под болт.

Рис. 2.1. Болтовое соединение

В итоге зависимость между моментом и силой затяжки с учётом трения имеет вид:

(2.6)

Работа выполняется на специальной установке ДМ 27М (рис. 2.2), которая состоит из двух узлов: болтового соединения с динамометрической пружиной и индикатором, динамометрического ключа с индикатором и сменными головками под гайки различного размера (рис. 2.3).

В стенках динамометрической пружины 1 имеется сквозное отверстие, в которое вставляется болт 2. Затяжка гайки 6 осуществляется динамометрическим ключом. Под головку болта устанавливается сферическая шайба 4, от проворота болт удерживается сухарём 5. Осевая сила пропорциональна величине упругой деформации сжатия динамометрической пружины и замеряется с помощью индикатора 5. Установка снабжена двумя опорными сменными втулками 7 (кулачковой и фланцевой). Фланцевая втулка опирается на упорный подшипник 8 (во второй части экспериментальных исследований она заменяет кулачковую втулку).

Рис. 2.2. Схема установки для нагружения болтового соединения

Рис. 2.3. Динамометрический ключ

Принцип действия установки основан на одновременном определении величины крутящего момента при завинчивании гайки и возникающей при этом осевой силы в стержне болта.

Величина момента завинчивания гайки пропорциональна упругой деформации изгиба стержня динамометрического ключа, которая определяется с помощью индикатора.

Числовые значения момента завинчивания и осевой силы определяются с помощью тарировочных графиков на каждый ключ и каждую пружину.

Для определения момента завинчивания Т_ЗАВ, фланцевую втулку в установке заменяют кулачковой втулкой, которая фиксируется непосредственно на кронштейне своими выступами. В этом случае упорный подшипник не вращается, и при затяжке соединения преодолевается одновременно как момент трения на торце гайки, так и момент трения в резьбе. Индикатор ключа фиксирует величину Т_зав.

При определении момента в резьбе Т_Р необходимо устранить трение между торцом гайки и опорной поверхностью втулки. Для этого на болт под гайку устанавливают сменную фланцевую втулку (рис. 2.4), которая опирается на упорный шарикоподшипник. В этом случае замеряют момент трения в резьбе Т_Р.

Рис. 2.4. Фланцевая втулка

Момент трения на торце гайки находят из формулы (2.1):

.

Для предохранения установки и болта от поломки предварительно рассчитывают максимально допустимое усилие затяжки F_{A max}.

Подготовка к работе

1. Получить задание для проведения лабораторной работы и соответствующую оснастку.

2. Ознакомиться с устройством и принципом действия установки.

3. По ГОСТ 8724-81 определить необходимые размеры болта и гайки. Результаты записать в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристика болтового соединения

№ п/п	Наименование и обозначение параметра	Значение для болта	Способ определения
1.	Наружный диаметр резьбы d, мм		По ГОСТ 8724-81
2.	Шаг резьбы Р, мм		По ГОСТ 8724-81
3.	Внутренний диаметр резьбы d3, мм		По ГОСТ 8724-81
4.	Средний диаметр резьбы d2, мм		По ГОСТ 8724-81
5.	Расчётный диаметр резьбы dр, мм		По ГОСТ 8724-81
6.	Площадь расчётного сечения Ар, мм2		По формуле (2.8)
7.	Угол профиля резьбы g, град.		По ГОСТ 8724-81
8.	Наружный размер опорной поверхности гайки (размер под ключ) S, мм		Измеряется штангенциркулем
9.	Диаметр отверстия под болт d0, мм		d0 = d +1
10.	Средний диаметр опорной поверхности DCP, мм		По формуле (2.5)
11.	Угол подъёма резьбы y, град.		По ГОСТ 8724-81
12.	Предел текучести материала sТ, МПа		Справочные данные
	Допускаемое напряжение растяжения [sР], МПа		По формуле (2.9)
14.	Допускаемая сила затяжки FA max , Н		По формуле (2.7)

4. Определить допускаемую осевую силу затяжки F_{A max} с учётом деформации кручения по формуле:

,

(2.7)

где А_р – расчётная площадь опасного сечения болта, мм²

,

(2.8)

где d_р – расчётный диаметр резьбы, мм; [s_р] – допускаемое напряжение растяжения материала болта, МПа;

,

(2.9)

где s_Т - предел текучести материала болта (для нормализованной стали Ст 3 - s_Т = 220 МПа, для стали 45 - s_т = 360 МПа; [S_Т] - допускаемый запас прочности, величину которого для болтов с контролируемой затяжкой можно принять в пределах 1,5¸2,5; при неконтролируемой затяжке 2,5¸4.

5. Записать характеристики болтового соединения в табл. 2.1.

6. Задаться числом уровней нагружения болта (i ³ 5) и определить усилие затяжки F_{A i} для каждого уровня (F_{A 1}, F_{A 2}, …, F_{A max}).

Например, F_{A max} = 18000 Н, i = 6.

Н;

F_{A 1} = 3000 Н; F_{A 2} = 6000 Н; …;F_{A 6} = F_{A max} = 18000 Н.

7. Определить по тарировочному графику динамометрической пружины показания индикатора, соответствующие нагрузкам F_{A i} .

8. Полученные данные записать в табл. 2.2.

Таблица 2.2