Расчет предварительной нагрузки болта: почему потеря предварительной нагрузки болта вызывает усталость соединения в автомобильных приложениях с высокой вибрацией?
Краткий ответ:
Предварительная нагрузка болта — это натяжение, возникающее в крепежном изделии при его затяжке. Она сжимает соединенные детали и предотвращает их разделение из-за вибраций и приложенных нагрузок. По мере снижения предварительной нагрузки соединение начнет двигаться и раскрываться при каждом цикле нагрузки. Следовательно, циклическая нагрузка будет сильнее воздействовать на болт, что увеличит его уровень напряжения и приведет к усталостному разрушению. Расчет предварительной нагрузки болта может помочь определить силу зажима, возникающую при приложении определенного момента. Существует множество факторов, которые могут повлиять на процесс и вызвать значительные отклонения. CNRL производит автомобильные крепежные изделия для двигателя, шасси, трансмиссии и других применений. Производственная система для автомобильной промышленности сертифицирована по стандарту ИАТФ 16949 .
Почему предварительная нагрузка является скрытой силой в автомобильном соединении?
Механическое соединение функционирует за счет натяжения крепежного изделия на соединенные поверхности, которое сжимает их еще до того, как на соединение действует какая-либо нагрузка.
Во время работы системы на соединение действуют вибрации, удары при движении, движение двигателя и изменения крутящего момента. Когда предварительная нагрузка существует в достаточных количествах, большая часть нагрузки действует на сжатые компоненты соединения, а не на болт.
Это важно, поскольку усталость сильно зависит от диапазона напряжений. Правильно предварительно нагруженное соединение поддерживает низкие дополнительные циклические напряжения в болте.
Что происходит при потере предварительной нагрузки?
Этот процесс довольно предсказуем. По мере снижения предварительной нагрузки уменьшается сила зажима между соединениями. Таким образом, контактные поверхности могут скользить или даже разделяться при воздействии динамических нагрузок.
Большая нагрузка приходится на болт либо в виде растяжения, либо изгиба. Это приводит к увеличению уровней напряжений, которые вызовут усталость или растрескивание.
Это особенно важно в зонах крепления двигателя, узлов трансмиссии, деталей подвески, выхлопной системы и соединений шасси.
Что такое предварительная нагрузка болта?
Это осевая растягивающая сила, которая возникает в болте после его затяжки. Эта растягивающая сила немного удлинит болт. Другое явное явление заключается в том, что две соединенные поверхности будут сжаты болтом.
Это сжатие приведет к возникновению нагрузки, известной как сила зажима. В просто нагруженном соединении предварительная нагрузка и сила зажима равны по величине, но противоположны по направлению.
Почему предварительная нагрузка влияет на усталость
Достаточная предварительная нагрузка гарантирует, что контактные поверхности соединения сжаты. Таким образом, разделения не будет, и трение между компонентами будет обеспечивать большую часть приложенной внешней нагрузки.
В случае слишком низкой предварительной нагрузки соединение будет открываться и закрываться при каждом цикле. Нагрузка, которую воспринимает болт, значительно возрастет.
Вибрация соединения может служить примером причины снижения предварительной нагрузки. Поперечное движение может привести к вращательному ослаблению контактных поверхностей соединения и резьбы.
Как рассчитывается предварительная нагрузка болта?
Базовая формула предварительной нагрузки болта использует момент затяжки, диаметр болта и коэффициент трения:
Fi = T / (K × d)
Здесь Fi — расчетная предварительная нагрузка, T — момент затяжки, K — коэффициент трения, а d — номинальный диаметр болта.
Например, рассмотрим болт M12 класса 10.9 с целевой предварительной нагрузкой 50 кН. Используя коэффициент трения 0,20:
T = K × d × Fi
T = 0,20 × 0,012 × 50 000 = 120 Н·м
Следовательно, 120 Н·м будут соответствовать примерно 50 кН предварительной нагрузки при предполагаемых условиях.
Почему расчет является лишь оценкой
Момент не является прямым измерением натяжения болта. Большая часть приложенного момента расходуется на трение в резьбе и опорной поверхности.
Коэффициент трения может изменяться в зависимости от смазки, покрытия и обработки поверхности. Исследования показывают, что эти изменения могут привести к значительным ошибкам в предварительной нагрузке, даже при тщательном контроле момента.
Для критически важных соединений инженеры могут использовать контроль угла или прямое измерение натяжения. Более подробные расчеты соединения также могут учитывать геометрию резьбы, трение и жесткость соединения.
Какие ошибки в предварительной нагрузке могут вызвать проблемы с соединением?
Как недостаточная, так и чрезмерная предварительная нагрузка могут создавать проблемы. Правильное значение зависит от крепежного изделия, конструкции соединения и условий эксплуатации.
Слишком малая предварительная нагрузка
Недостаточная предварительная нагрузка снижает силу трения между элементами соединения. Вибрация затем может вызвать движение, ослабление и повышенное циклическое напряжение в болте. Результатом может быть усталостное разрушение, разделение соединения или утечка в герметичных узлах.
Слишком большая предварительная нагрузка
Чрезмерная предварительная нагрузка может вывести болт за пределы его расчетного диапазона напряжений. Это также может повредить резьбу или деформировать соединенные детали. Использование болта более высокой прочности не решает проблему автоматически. Соединение по-прежнему должно быть спроектировано с учетом правильной предварительной нагрузки и условий нагрузки.
Трение и условия сборки
Распространенной ошибкой является применение общего значения момента без учета фактического состояния поверхности крепежного изделия.
Например, использование значения момента для сухой резьбы на смазанном крепежном изделии может привести к гораздо более высокой предварительной нагрузке, чем предполагалось. Вот почему спецификации момента должны соответствовать указанному крепежному изделию и условиям сборки.
CNRL's таблица моментов затяжки болтов содержит дополнительную информацию о спецификациях момента.
Изготовленный на заказ болт с резьбой M7 M12 M24 со штифтом ASTM
ПодробнееКак CNRL обеспечивает стабильную работу автомобильных крепежных изделий?
Расчетная предварительная нагрузка полезна только в том случае, если размеры крепежного изделия, материал, предел прочностии состояние поверхности соответствуют проектным требованиям.
CNRL производит автомобильные крепежи для автомобильных применений, включая болты и другие крепежные компоненты. Ее автомобильное производство охватывает классы прочности крепежных изделий от 4.8 до 12.9, с различными диаметрами и длинами.
Компания также имеет сертификаты IATF 16949, ISO 14001 и ISO 45001. Эти системы поддерживают контролируемое производство и управление качеством на всех производственных операциях.
Для автомобильных применений CNRL может работать по чертежам, спецификациям и требованиям к применению при разработке крепежных изделий для конкретного соединения.
Правильная предварительная нагрузка зависит от большего, чем просто момент. Класс прочности крепежного изделия, геометрия, трение, жесткость соединения, вибрация и условия эксплуатации играют свою роль.
Контакт Инженерная команда CNRL обсудит спецификации предварительной нагрузки и требования к автомобильным крепежам для конкретного применения.
