Болтовые соединения — это привычные компоненты, с которыми приходится сталкиваться каждый день. Но вы понимаете, как они работают? Я буду первым, кто признает, что я этого не делал. Я все еще изучаю их сложности. Что касается болтов, мое основное предположение заключалось в том, что их просто нужно было затянуть. В этой статье я хотел бы объяснить предварительное натяжение или, как его чаще называют, предварительное натяжение. Эта предварительная нагрузка представляет собой затяжку болта.
Давайте начнем с краткого объяснения предварительной загрузки. Предварительная нагрузка достигается за счет приложения определенного крутящего момента для затягивания болта. Это затягивание приводит к тому, что внешняя резьба врезается в резьбу внутреннего материала. Затяжка приводит к натяжению болта. Между болтами обычно зажата пластина. Пластина не позволяет болту проникнуть сквозь нее. Поэтому на пластине возникает сжимающая сила реакции. Эта сжимающая сила зажимает сустав, чего вы и хотите. Если бы у вас не было предварительного натяга, пластина и болт казались бы хлипкими. Диаграмма предварительной нагрузки и индуцированных сил показана ниже.
Целью предварительной нагрузки на сустав является предотвращение зазоров. Он также используется для увеличения жесткости системы. Когда вы затягиваете винт вручную, предварительная нагрузка невелика. Таким образом, компоненту очень легко выйти из строя.
Чтобы действительно понять и проанализировать болтовые соединения, мы должны думать с точки зрения жесткости. Инженерный термин жесткость определяется как сила на единицу смещения. На данный момент в этой статье не рассматривается, как рассчитывается жесткость болта и соединения. Самое важное знание, которое нужно усвоить, это то, что жесткость соединения обычно намного больше, чем жесткость болта. На приведенной ниже диаграмме показано поведение болта и соединения с точки зрения жесткости.
Когда к болтовому соединению прикладывается предварительная нагрузка, сам болт подвергается натяжению. Сустав испытывает компрессию. Для любой конструкции болтового соединения это то, что нужно. На приведенном ниже графике показаны графики силы и смещения для болта и соединения.
Наклон зависимости силы от смещения представляет собой жесткость. Напомним, жесткость болта меньше жесткости соединения. Это представлено тем, что крутизна уклона соединения больше, чем уклон болта.
Самое интересное начинается, когда задействована внешняя нагрузка. Например, фонарный столб можно ввинтить в землю. День был очень ветреный, а это значит, что на болты действовала какая-то внешняя сила от ветра. Целью внешней нагрузки является отделение болта от земли. Другими словами, попытка разрыва компонента.
Вопрос, который у нас возникает, заключается в том, как внешняя нагрузка влияет на болт? Какая внешняя нагрузка необходима для разрыва компонента? Зазор возникает, когда на компонент больше не действует сжимающая сила между болтами. Это нехорошо, потому что может привести к преждевременному выходу из строя компонента.
Есть много способов, которыми внешняя нагрузка может проникнуть в деталь. Предположим, что к головке болта и гайке приложена внешняя растягивающая нагрузка. Да, это очень упрощенное предположение. Но это поможет нам проанализировать результирующее поведение.
Когда прикладывается внешняя нагрузка, нам необходимо проанализировать, какая часть этой нагрузки распределяется от болта по сравнению с соединением. Глядя на то, как нагрузка проходит через компонент, нагрузка всегда будет перемещаться в направлении компонента с большей жесткостью. Когда я впервые узнал об этом, это немного сбивало с толку. Почему нагрузка пойдет по пути большего сопротивления, в данном случае большей жесткости? Мы естественно думаем, что природа хочет идти по пути наименьшего сопротивления. На приведенной ниже диаграмме представлены две параллельные пружины, как в ситуации с болтовым соединением и внешней нагрузкой.
Можно представить, что когда вы тянете конструкцию, большая часть этой нагрузки переносится на более жесткую пружину. Чтобы понять, почему нагрузка предпочитает более жесткую пружину, нам нужно мыслить с точки зрения энергии. Поскольку синяя пружина намного жестче, чем оранжевая, и к ним обеим приложена одинаковая внешняя нагрузка. Синяя пружина может хранить больше энергии на то же количество перемещений по сравнению с оранжевой пружиной. Это путь наименьшего сопротивления. Нагрузка предпочла бы хранить большую часть своей энергии в более жесткой пружине, потому что она более эффективна. Для болтового соединения, поскольку соединение более жесткое, чем болт, на соединение будет приходиться больше нагрузки, чем на болт.
С точки зрения жесткости происходит следующее. Внешняя нагрузка увеличивает натяжение болта, но большая часть этой нагрузки вызывает декомпрессию соединения. Это уменьшает силы сжатия на пластинах. Другими словами, это приводит к тому, что связь ослабевает.
Вот обновленная диаграмма силы и смещения при приложении внешней нагрузки. На нем показано, что при приложении внешней нагрузки сжимающая нагрузка на пластины уменьшается из-за предварительной нагрузки. Когда вы дойдете до точки, где сжимающая нагрузка на пластину больше не действует, соединение разорвется. Тогда вся нагрузка ложится на смелых, что нехорошо.
